DE102014202162A1

DE102014202162A1 - Elektrische Speichereinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und mit einer aktiven Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102014202162A1
Application number: DE102014202162.6A
Authority: DE
Inventors: Mesut Yurtseven; Dennis Roth
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speichereinheit (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie (2) umfassend mehrere in einem Gehäuse (4) der Speichereinheit auf einem Gehäuseboden angeordnete Batteriezellen (3). An einer den Batteriezellen (3) abgewandten Außenwandfläche des Gehäusebodens ist unterhalb der Batteriezellen (3) ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmbares Kühlelement (10) vorgesehen, welches hierzu an ein Leitungssystem angeschlossen ist. Der Gehäuseboden bildet somit zugleich eine Wärmetauscherfläche für die Kühlflüssigkeit, um so eine effiziente Kühlung der Batteriezellen (3) zu ermöglichen. Im Falle einer beispielsweise unfallbedingten Verformung und einer damit einhergehenden Leckage ist die Batterie (2) durch das Gehäuse (4) von der Kühlflüssigkeit getrennt, sodass eine Benetzung stromführender Teile der Batteriezellen (3) mit der Kühlflüssigkeit ausgeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speichereinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie umfassend mehrere in einem Gehäuse der Speichereinheit auf einem Gehäuseboden angeordnete Batteriezellen und mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Batteriezellen in dem Gehäuse, wobei die Kühleinrichtung ein Leitungssystem zur Zirkulation der Kühlflüssigkeit aufweist.
Elektrische Energiespeichereinheiten für Kraftfahrzeuge, insbesondere mit hochkapazitiven Batterien, wie beispielsweise hochkapazitive Lithium-Ionen-Batterien, zeichnen sich durch eine erhebliche Wärmeentwicklung während des Regel- oder Normalbetriebs aus.
Da Batterien ihr optimales Leistungsvermögen nur in einem bestimmten Temperaturbereich zur Verfügung stellen können, ist es meist notwendig, eine aktive Kühleinrichtung vorzusehen, die für eine gewünschte Betriebstemperatur sorgt und eine Überhitzung der Batterie verhindert.
Unter ungünstigen Bedingungen können eine oder mehrere Zellen einer Batterie in ein auch als "Thermal Runaway" bezeichnetes thermisches Durchgehen der Batteriezelle oder der Batterie getrieben werden, was beispielsweise durch übermäßige und sich später gegebenenfalls selbst verstärkende Wärmeproduktion in einer Batteriezelle hervorgerufen werden kann. Zur Vermeidung oder Eindämmung dieses nachteiligen Effektes ist eine möglichst effiziente Wärmeableitung notwendig.
Eine häufig verwendete Kühleinrichtung in Batterien bedient sich einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Batteriezellen. Dabei wird die Kühlflüssigkeit durch eine Pumpe von einem Wärmetauscher zur Temperaturregulation der Kühlflüssigkeit in einem Leitungssystem gefördert und zur Kühlung der Batteriezellen eingesetzt. Bei Bedarf einer verstärkten Kühlleistung kann der Volumenstrom an Kühlflüssigkeit durch die Pumpe gesteigert werden, um den Wärmeübergang an der Batterie zu steigern.
Aus der DE 10 2010 042 460 A1 ist eine von einem Gehäuse eingeschlossene Batterie bekannt, die mehrere im Gehäuse angeordnete Batteriezellen und eine aktive Kühleinrichtung zum Kühlen der Batteriezellen aufweist. Hierzu zirkuliert eine Kühlflüssigkeit in einem Leitungssystem, wobei in dem Leitungssystem ein Ventil zur regel- und/oder steuerbaren Verdunstung von Kühlflüssigkeit aus dem Leitungssystem angeordnet ist, um die Bildung eines Überdruckes im Leitungssystem verhindern zu können. Nach Öffnung des Ventils kann darüber Kühlflüssigkeit aus dem Leitungssystem verdampfen. Zugleich wird so trotz beeinträchtigter Pumpenfunktion ein Wärmetransport aus der Batterie gewährleistet.
Die DE 10 2010 001 033 A1 betrifft eine Batterie umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, zwischen denen jeweils eine Wärmespeicherplatte angeordnet ist, deren Material im Wesentlichen Keramik aufweist. Der Batterie ist ein im Wesentlichen als Bodenplatte ausgestaltetes Kühlsystem mit Kanälen zur Durchströmung mit einer Kühlflüssigkeit zugeordnet, wobei vorteilhafterweise die Kühlkanäle von Wärmespeicherplatte und Bodenplatte miteinander verbunden sind. Dabei sind die Wärmespeicherplatten und die Bodenplatte in einem Leitungssystem fluidtechnisch und mechanisch gekoppelt.
Ferner ist aus der WO 2011/153362 A1 ein Batterietemperatursteuersystem bekannt. Dabei umfasst eine Basis einen Fluidkanal für eine Wärmeträgerflüssigkeit und eine an der Basis gelagerte Batteriezelle, um eine Temperatur der Batteriezelle bei einer Änderung der Temperatur der Basis zu ändern. Hierbei umfasst eine Grundplatte einen inneren Hohlraum für ein isolierendes Material, um Wärmeverluste zu reduzieren und eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Basisplatte sowie einen oder mehrere Fluidströmungs- oder Wärmeabsorptionskanäle sicherzustellen.
Als nachteilig wirkt sich bei den bekannten Speichereinheiten aus, dass beispielsweise durch unfallbedingte oder verschleißbedingte Schäden Leckagen in dem Kreislauf der Kühlflüssigkeit, insbesondere in dem Leitungssystem auftreten und dadurch die Kühlflüssigkeit in Kontakt mit den Batteriezellen kommen kann, was zu einem Kurzschluss führen kann.
Zudem führt auch die Kondenswasserbildung an dem Leitungssystem zu Flüssigkeitsrückständen innerhalb des Gehäuses. Dadurch ist es in der Praxis bereits zu Kurzschlüssen in dem elektrischen System des Kraftfahrzeuges gekommen.
Es sind bereits Anstrengungen unternommen worden, diesem nachteiligen Effekt zu begegnen. Diese beruhen auf Maßnahmen wie der Überdimensionierung des Kühlsystems oder der Verbesserung der Verbindungsstellen des Leitungssystems.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Speichereinheit für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass elektrische Kurzschlüsse aufgrund von Leckagen des Kühlflüssigkeitskreislaufes zuverlässig ausgeschlossen werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer elektrischen Speichereinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird also eine elektrische Speichereinheit vorgeschlagen, bei der die Speichereinheit an einer den Batteriezellen abgewandten Außenwandfläche des Gehäuses unterhalb der Batteriezellen mit einem von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühlelement ausgestattet ist, wobei der Gehäuseboden eine für Kühlflüssigkeit undurchlässige Wärmetauscherfläche aufweist. Hierdurch wird erstmals eine gehäuseexterne Anordnung des Kühlelementes und damit der gesamten aktiven, also flüssigkeitsdurchströmbaren Kühleinrichtung realisiert. Insbesondere wird also das Kühlelement als separates Bauteil außerhalb des Gehäuses mit diesem unterhalb seiner unteren Außenwandfläche thermisch leitend verbunden. Dadurch wird in einfacher Weise bei einer gegebenenfalls auftretenden Leckage vermieden, dass die dabei austretende Kühlflüssigkeit in das Innere des Gehäuses gelangt und dort zu einer Beeinträchtigung, insbesondere einem Kurzschluss des elektrischen Systems führen kann. Vielmehr wird die austretende Kühlflüssigkeit in die Umgebung abgeleitet, wobei selbstverständlich ein Sensor zur Erfassung der Leckage, beispielsweise aufgrund eines sinkenden Flüssigkeitspegels in einem Sammelgefäß der Kühleinrichtung, vorgesehen sein kann.
Zudem kann die in der Praxis erzielbare Kühlleistung durch den Austausch des Kühlelementes in einfacher Weise ohne eine Änderung in dem Gehäuse vorgenommen werden, sodass beispielsweise auch die klimatischen Bedingungen am Einsatzort des Kraftfahrzeuges entsprechend berücksichtigt werden können.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kühlelement an seiner dem Gehäuse abgewandten Seite mit einer thermischen Isolierung ausgestattet ist. Hierdurch wird eine unerwünschte Erwärmung des Kühlelementes aufgrund äußerer Einflüsse vermieden und dadurch die Kühlleistung in optimaler Weise auf das Gehäuse übertragen. Zudem eignet sich die thermische Isolierung zugleich auch als ein mechanischer Schutz für das Gehäuse und dient so in der Praxis als sogenannter Unterfahrschutz.
Das Kühlelement könnte als ein Aludruckgussteil mit integrierten Kühlkanälen ausgeführt sein. Besonders einfach lässt sich das Kühlelement hingegen auch dadurch herstellen, dass das Kühlelement zumindest abschnittsweise aus Kunststoff besteht. Dadurch wird eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung des Kühlelementes erreicht, durch die eine optimale Anpassung der Kühlkanäle an die Form des Gehäuses, aber auch an die thermischen Anforderungen und die Temperaturverteilung erreicht wird.
Weiterhin kann gemäß einer anderen, ebenfalls besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Kühlelement als ein offenes Formteil mit Kanäle bildenden Ausformungen mit zumindest einem integrierten Einlasskanal oder Auslasskanal ausgeführt sein, welches einen umlaufenden, geschlossenen Randabschnitt aufweist, welcher mit der Außenwandfläche dichtend verbunden ist. Hierdurch lässt sich das Kühlelement besonders einfach herstellen, indem dieses lediglich als ein schalenartiges Formteil mit mehreren Vertiefungen, beispielsweise Prägungen, ausgeführt ist. Dadurch, dass dieses Formteil einseitig offen ist, entsteht erst durch die Verbindung mit der Außenwandfläche ein geschlossenes Leitungssystem. Die Kühlflüssigkeit strömt somit entlang der Außenwandfläche des Gehäuses, sodass ein optimaler Wärmeübergang erreicht werden kann.
Vorzugsweise ist dabei das Kühlelement mit der Außenwandfläche des Gehäuses insbesondere durch eine Adhäsionsverbindung verbunden, sodass diese eine untrennbare Einheit bilden.
Das Gehäuse kann grundsätzlich eine nahezu beliebige Formgebung aufweisen. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn das Gehäuse mittels eines Deckels und einer Dichtung gegenüber äußeren Einflüssen schützend, insbesondere also hermetisch verschließbar ausgeführt ist, sodass insbesondere ein Luftaustausch zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung vermieden wird.
Weiterhin erweist es sich als besonders praxisnah, wenn das Gehäuse zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Bereich des Kühlelementes, aus Metallblech besteht. Hierdurch wird die thermische Leitfähigkeit und somit der Wärmeübergang wesentlich verbessert. Darüber hinaus kann das Gehäuse mit einer geeigneten Aufnahme ausgestattet sein, die eine schnelle und zuverlässige Befestigung des Kühlelementes an dem Gehäuse ermöglicht.
Bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches ein Polymer, ein Metall, ein Metallblech oder Aluminium umfasst.
Das Kühlelement kann in Form und Abmessungen an unterschiedliche Gehäuse problemlos angepasst werden. Besonders sinnvoll ist es zudem auch, wenn gemäß einer bevorzugten Abwandlung das Kühlelement modular erweiterbar ausgeführt ist, sodass durch eine Ergänzung einer oder mehrerer zusätzlicher Kühlelemente die Kühlleistung entsprechend erhöht und an den jeweiligen Bedarf angepasst werden kann. Vorzugsweise können die Kühlelemente ohne zusätzliche Verbindungsleitungen unmittelbar miteinander verbunden werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine erfindungsgemäße elektrische Speichereinheit in einer Explosionsdarstellung;
2 eine perspektivische Darstellung eines Kühlelementes der Speichereinheit;
3 eine geschnittene Seitenansicht der elektrischen Speichereinheit.
Eine erfindungsgemäße elektrische Speichereinheit 1 für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Darin zeigt 1 eine Explosionsdarstellung der wesentlichen Bau- bzw. Funktionsteile der Speichereinheit 1, deren zentraler Bestandteil eine Batterie 2 mit mehreren Batteriezellen 3 bildet. Diese sind von einem Gehäuse 4 der Speichereinheit 1 eingeschlossen, welches mittels einer Dichtung 5 mit einem eine Deckelisolierung 17 aufweisenden Deckel 6 verschließbar und dadurch gegenüber Umwelteinflüssen geschützt ist. Die Batteriezellen 3 sind auf einem Gehäuseboden 7 des Gehäuses 4 angeordnet und durch Zwischenwände 8 getrennt. An einer den Batteriezellen 3 abgewandten Außenwandfläche 9 des Gehäusebodens 7 ist unterhalb der Batteriezellen 3 ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmbares Kühlelement 10 vorgesehen, welches hierzu an ein Leitungssystem 11 angeschlossen ist. Das Kühlelement 10 ist an seiner dem Gehäuse 4 abgewandten Seite durch eine thermische Isolierung 12 nach unten abgedeckt. Der in 3 dargestellte Gehäuseboden 7 bildet somit zugleich eine Wärmetauscherfläche 18 für die Kühlflüssigkeit, um so eine effiziente Kühlung der Batteriezellen 3 zu ermöglichen. Wie in 2 erkennbar ist das Kühlelement 10 als ein oben offenes Formteil ausgeführt, wobei die Kühlflüssigkeit in mehreren als Vertiefungen ausgeführten Ausformungen 13 geführt wird. Die Ausformungen 13 sind derart mit einem Einlasskanal 14 und einem Auslasskanal 15 verbunden, dass nahezu die gesamte Fläche des Kühlelementes 10 mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden kann. Entlang eines umlaufenden Randbereiches 16 des Kühlelementes 10 ist dieses mittels eines nicht gezeigten Dichtklebers mit der Außenwandfläche 9 des Gehäuses 4 dichtend verbunden, sodass ein unerwünschtes Austreten von Kühlflüssigkeit wirksam vermieden werden kann. Im Falle einer beispielsweise unfallbedingten Verformung und einer damit einhergehenden Leckage ist die Batterie 2 durch das Gehäuse 4 von der Kühlflüssigkeit getrennt. Insbesondere ist also eine Benetzung stromführender Teile der Batteriezellen 3 mit der Kühlflüssigkeit ausgeschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Speichereinheit
2: Batterie
3: Batteriezelle
4: Gehäuse
5: Dichtung
6: Deckel
7: Gehäuseboden
8: Zwischenwand
9: Außenwandfläche
10: Kühlelement
11: Leitungssystem
12: Isolierung
13: Ausformung
14: Einlasskanal
15: Auslasskanal
16: Randbereich
17: Deckelisolierung
18: Wärmetauscherfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010042460 A1 [0006]
DE 102010001033 A1 [0007]
WO 2011/153362 A1 [0008]

Claims

Elektrische Speichereinheit (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend mehrere in einem Gehäuse (4) der Speichereinheit (1) auf einem Gehäuseboden (7) angeordnete Batteriezellen (3) einer Batterie (2) und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Batteriezellen (3) in dem Gehäuse (4), wobei die Kühleinrichtung an ein Leitungssystem (11) zur Zirkulation einer Kühlflüssigkeit anschließbar ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (1) an einer den Batteriezellen (3) abgewandten Außenwandfläche (9) des Gehäuses (4) unterhalb der Batteriezellen (3) mit einem von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühlelement (10) ausgestattet ist, wobei der Gehäuseboden (7) eine für die Kühlflüssigkeit undurchlässige Wärmetauscherfläche (18) aufweist.
Speichereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (10) an seiner dem Gehäuse (4) abgewandten Seite mit einer thermischen Isolierung (12) ausgestattet ist.
Speichereinheit (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (10) zumindest abschnittsweise aus Kunststoff besteht.
Speichereinheit (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (10) als ein offenes Formteil mit Ausformungen (13) und zumindest einem integrierten Einlasskanal (14) und/oder Auslasskanal (15) ausgeführt ist, welches einen umlaufenden, mit der Außenwandfläche (9) des Gehäuses (4) dichtend verbundenen Randbereich (16) aufweist.
Speichereinheit (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (10) mit der Außenwandfläche (9) des Gehäuses (4) durch eine Adhäsionsverbindung thermisch leitend verbunden ist.
Speichereinheit (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) mittels eines Deckels (6) und einer Dichtung (5) gegenüber äußeren Einflüssen geschützt verschließbar ausgeführt ist.
Speichereinheit (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) zumindest abschnittsweise aus Metallblech besteht.
Speichereinheit (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (10) modular erweiterbar ausgeführt ist.