DE4309070A1 - Hochtemperaturbatterie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbat­ terie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Hochtemperaturbatterien, die auch als Hochener­ giebatterien bezeichnet werden arbeiten bei Temperaturen um 300°C. Bekannte Batterien sind z. B. Na­ trium/Metallchlorid- oder Natrium/Schwefel-Batterien. Bei Hochstromentladungen müssen solche Batterien trotz ihres hohen Temperaturniveaus zusätzlich gekühlt werden. Dazu bedarf es besonderer Kühlmittelkreisläufe, denn die elek­ trisch miteinander verschalteten Einzelzellen befinden sich innerhalb eines Isoliergehäuses. Bei Verwendung von organischen Flüssigkeiten als Kühlmittel sind kompakte Bauvolumen und hohe Kühlleistungen möglich.

Ein wesentliches Anwendungsgebiet für solche Hochtempera­ turbatterien sind Elektrofahrzeuge. Hier bietet es sich an, die Batterieabwärme für die Beheizung des Fahrzeugs zu nutzen. Der geschlossene Hochtemperatur-Kühlflüssigkeits­ kreislauf für die Batterie enthält daher neben dem Wärme­ tauscher innerhalb des wärmeisolierten Batteriegehäuses einen weiteren, außerhalb des Gehäuses befindlichen Wärme­ tauscher in dem die aus dem Batterieinneren abgeführte Wärme von Hochtemperaturflüssigkeit an eine Niedertempera­ turflüssigkeit wie z. B. ein Wasseralkoholgemisch abgegeben wird, das die Erwärmungsaufgaben im Fahrzeug übernimmt.

An die Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit werden erhebliche Anforderungen gestellt, da z. B. in dem Batteriegehäuse durchaus Temperaturen bis zu 370°C und außerhalb der Bat­ terie Temperaturen von -40°C vorkommen können. Diese Tem­ peraturunterschiede können bei kompakten Baueinheiten bei kleinen Volumina von z. B. etwa 1 Liter Hochtemperaturflüs­ sigkeit auftreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einer eingangs genannten Hochtemperaturbatterie den Hoch­ temperatur-Kühlflüssigkeitskreislauf so auszubilden, daß insbesondere beim Einschalten der Umwälzpumpe die Wirkung eines übermäßigen Temperaturschocks ein außerhalb der Bat­ terie befindlichen Wärmetauschers vermieden bzw. so ver­ ringert wird, daß die Gefahr einer Leckage in diesem Be­ reich weitgehend ausgeschaltet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit einer verhältnismäßig geringen Menge von Hochtempera­ tur-Kühlflüssigkeit gearbeitet werden kann. Dadurch ist einerseits eine sehr kompakte Bauweise der Batterie und des Kühlsystems möglich. Andererseits verhindert die be­ schriebene Bauform der Batterie und des Kühlflüssigkeits­ kreislaufs das Auftreten von so starken Temperaturschocks, daß im Bereich des äußeren Wärmetauschers Schädigungen des Systems auftreten.

Anhand des in der Figur beschriebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. In der Fi­ gur ist schematisch eine Hochtemperaturbatterie im Quer­ schnitt und das die Kühlung der Batterie bewirkende ge­ schlossene, mit einer Hochtemperaturflüssigkeit arbeitende Kühlsystem dargestellt.

In einem wärmeisolierenden Gehäuse N, das üblicherweise doppelwandig und ggf. luftleer ist, sind eine Vielzahl von einzelnen stabförmigen Batteriezellen C aufrechtstehend nebeneinander gestapelt angeordnet. Ihre elektrischen An­ schlüsse sind miteinander verbunden, teilweise in Reihen- und teilweise in Parallelschaltung. Es handelt sich um Zellen, deren Elektrolyt erst bei höheren Temperaturen, z. B. ab etwa 160°C flüssig ist und die Betriebstempe­ raturen bei Ausbildung als Natrium-Schwefelbatterie oder Natrium-Metallchloridbatterie bei 300°C und höher liegen. Wird solchen Batterien ein hoher Strom entnommen, erhitzen sie sich weiter und müssen gekühlt werden.

Zu diesem Zweck stehen die Zellen D mit ihren Bodenflächen auf einer Kühlplatte A, die von einer Hochtemperatur-Kühl­ flüssigkeit auf Basis eines Siliconöls durchflossen wird. Zwischen den Zellen D und der Kühlplatte A befindet sich noch eine Isolierplatte B, die eine elektrische Isolation bewirkt und darüber hinaus je nach Dicke auf den Wärmeaus­ tausch zwischen der Kühlplatte A und den Zellen C Einfluß nimmt. Um in der Kühlplatte A eine Zirkulation der Kühl­ flüssigkeit in Gang zu setzen, sind eine Hin- und eine Rückleitung für die Kühlflüssigkeit vorgesehen, die aus dem Batteriegehäuse N herausgeführt sind.

Außerhalb des Batteriegehäuses N befinden sich eine Um­ wälzpumpe G, ein äußerer Wärmetauscher F und ein Druckaus­ gleichsbehälter E, der gleichzeitig als Vorratsbehälter für die Kühlflüssigkeit dient. Die einzelnen Komponenten bilden ein geschlossenes Kühlflüssigkeitssystem, wobei an den Druckausgleichsbehälter E als Sicherheitsvorkehrung eine Berstscheibe I mit nachgeschalteter Abblasdrossel K angeschlossen ist. Als kompressibles Medium für den Druck­ ausgleich befindet sich in dem Druckausgleichsbehälter E ein Inertgaskissen, z. B. ein Stickstoffkissen.

Im äußeren Wärmetauscher F gibt die Hochtemperaturflüssig­ keit an eine Niedertemperaturflüssigkeit L ab, die erwärmt wird und beim Einsatz der Batterie in einem Elektrofahr­ zeug dazu dienen kann, das Fahrzeug zu erwärmen. Die Nie­ dertemperaturflüssigkeit kann z. B. ein Wasser-Alkoholge­ misch sein, wie es zur Kühlung von Verbrennungsmaschinen in Kraftfahrzeugen üblicherweise verwendet wird.

Die Regelung der Innentemperatur der Batterie kann durch Steuerung der Drehzahl oder An- und Abschalten der Umwälz­ pumpe G erfolgen. Die Steuerung der Umwälzpumpe wiederum kann durch Fühlen der Batterieinnentemperatur erfolgen. Zu diesem Zweck sind z. B. an einer oder mehreren der Einzel­ zellen C Wärmefühler D in unterschiedlichen Höhen ange­ bracht, so daß auch Temperaturunterschiede an den einzel­ nen Zellen berücksichtigt werden können. Beim Einschalten der Umwälzpumpe G z. B. bei Batterieinnentemperaturen über 300°C und Temperaturen der Niedertemperatur-Flüssigkeit L von z. B. etwa 0°C, wirkt der als Vorratsbehälter dienende Druckausgleichbehälter E dämpfend auf einen Temperatur­ schock im äußeren Wärmetauscher F, da zuerst eine Vermi­ schung des kalten und der heißen Hochtemperaturflüssigkeit im Druckausgleichsbehälter E stattfindet.

Die Hin- und Rückleitungen weisen an der Durchführungs­ stelle durch das Isoliergehäuse N der Batterie ein lokales Maximum und gleich anschließend im Außenbereich ein loka­ les Minimum H auf. Diese Rohrleitungsbereiche H wirken als Schwerkraftbremse und vermindern ein Abfließen von Wärme aus dem Inneren der Batterie dann, wenn die Umwälzpumpe nicht in Betrieb ist. Es wird dadurch also ein nicht ge­ wolltes Fließen der Hochtemperaturflüssigkeit unterbunden.

Bei Verwendung eines Silikonöls wie z. B. (Syltherm) ermög­ licht ein Kondensator den Betrieb des Systems mit Selbst­ druckhaltung. Silikonöle zeigen insbesondere bei höheren Temperaturen zum Teil Zersetzungsprozesse, bei denen sich niedrig siedende Bestandteile bilden. Diese Prozesse fin­ den innerhalb der Batterie aufgrund des dort hohen Tempe­ raturniveaus statt. Gasförmige Ausscheidungen können nur dadurch vermieden werden, daß ein ausreichend hoher Stick­ stoffdruck überlagert wird. Die ansonsten entstehenden Öldämpfe können nach Aktivierung der Pumpe im Druckbehäl­ ter implodieren, da sie hier mit kaltem Öl in Berührung kommen. Angestrebt wird eine Auslegung des Systems auf möglichst niedrigen Druck, weshalb der Stickstoffdruck ge­ gebenenfalls kleiner als der entstehende Öldampfdruck ein­ gestellt werden muß. Die Öldämpfe müssen dann über einen Kondensator geleitet werden, in dem sie langsam den flüs­ sigen Aggregatzustand wieder annehmen.

Claims (11)

1. Hochtemperaturbatterie mit mehreren, elektrisch mit­ einander verbundenen Einzelzellen, die innerhalb eines wärmeisolierenden Gehäuses angeordnet sind und mit einer Kühlvorrichtung, die einen innerhalb des Isoliergehäuses befindlichen, mit den Einzellen in Wärmekontakt stehenden inneren Wärmetauscher aufweist der über jeweils eine aus dem Isoliergehäuse herausgeführte Hin- und Rückleitung mit einem außerhalb des Isoliergehäuses befindlichen, ein In­ ertgas enthaltenden Druckausgleichsbehälter, einer Umwälz­ pumpe und einem äußeren Wärmetauscher in einem geschlosse­ nen Hochtemperatur-Kühlflüssigkeitskreislauf verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Flußrichtung der Hoch­ temperatur-Kühlflüssigkeit der als Vorratsbehälter wir­ kende Druckausgleichsbehälter E vor dem äußeren Wärmetau­ scher F angeordnet ist und stets von der Hochtemperatur- Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

2. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umwälzpumpe G in Flußrichtung der Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit hinter dem äußeren Wärme­ tauscher F angeordnet ist.

3. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinleitung und/oder Rückleitung eine insbesondere außerhalb des Gehäuses N be­ findliche Schwerkraftbremse H aufweist.

4. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Kühl­ flüssigkeit ein Öl auf Basis eines Silikonöls ist.

5. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichsbehälter E eine Überdruckabsicherung I, insbesondere in Form einer Berstscheibe aufweist, der eine Abblasdrossel K nachge­ schaltet ist.

6. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Wärmetauscher A als von der Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit durchflossene Kühlplatte ausgebildet ist und zumindest eine Stirnfläche der Einzellen C mit der Kühlplatte über ein zwischengefüg­ tes, elektrisch isolierendes Teil B in Wärmetauschkontakt steht.

7. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung der Batterie-Innentemperatur durch Steuerung des Laufs der Um­ wälzpumpe G erfolgt
8. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einem Teil der Einzelzellen C auf verschiedenen Höhen, Temperaturmeßfühler D angeordnet sind, deren Meßwerte zur Steuerung des Laufs der Umwälzpumpe G mit herangezogen werden.

9. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen C inner­ halb des Gehäuses N aufrecht stehend angeordnet sind und der innere Wärmetauscher A unterhalb der Bodenstirnflächen der Einzelzellen C angeordnet ist.

10. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Schwerkraftbremsen H im Bereich der Durchführungen der Hin- und Rückleitungen durch das Isoliergehäuse N der Batterie befinden.

11. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material und die Dicke des zwischen den Einzelzellen C und dem inneren platten­ förmigen Wärmetauscher A derart gewählt ist, daß ein do­ siert verzögerter Wärmeaustausch zwischen der Kühlplatte A und den Einzelzellen c erfolgt.

12. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hochtemperatur- Kühlflüssigkeitskreislauf bei Verwendung eines Siliconöls als Kühlflüssigkeit ein Kondensator eingefügt ist, in dem ggf. im Hochtemperaturbereich entstandene gasförmige Aus­ scheidungen der Kühlflüssigkeit insbesondere langsam wie­ der in den flüssigen Aggregatzustand zurückgeführt werden.