Titel

Batteriesvstem mit externer Prallkühlunq

Stand der Technik Um die Sicherheit, Funktion und Lebensdauer von Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen Batteriesystemen, zu gewährleisten, ist es erforderlich die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während der Leistungsabgabe entsteht im Wesentlichen Joulsche Wärmeenergie, die durch den elektrischen Strom und den Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Um ein Aufheizen der Zelle über einen kritischen Temperaturschwellenwert hinaus zu vermeiden, muss diese Wärmeenergie effektiv abgeführt werden. Darüber hinaus muss die Temperaturverteilung über die Batteriezelle möglichst homogen sein, d.h. die Temperaturunterschiede sollten nicht mehr als 4 Kelvin betragen.

Eine Möglichkeit zur homogenen Temperaturregulation ist die Abfuhr von Wärmeenergie an einen Fluidstrom, i.d.R. einen Luftstrom. So ist beispielsweise in US 7,323,272 eine Anordnung beschrieben, die eine Umströmung einzelner Zellen eines Batteriesystems mit einem Luftstrom vorsieht. Ein Problem, welches mit einer solchen Anordnung verbunden ist, sind die hohen Anforderungen, die an die Luftaufbereitung gestellt werden müssen, damit keine störenden, die Lebensdauer oder Funktion des Batteriesystems beeinträchtigenden Partikel oder Flüssigkeiten in das Batteriesystem verbracht werden. Solche Trocknungs- und Filterschritte verbrauchen zusätzliche Energie und begrenzen den Kühlungseffekt. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Batteriesystem mit Prallkühlung zur Verfügung, umfassend:

i) eine oder mehrere Batteriezellen;

ii) mindestens ein Gehäuse in dem die Batteriezellen angeordnet sind;

iii) eine Kühlplatte, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist; und iv) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinneren heraus an die Kühlplatte übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

das Batteriesystem eine Prallkühlung aufweist zur konvektiven Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf einen Fluidstrom, wobei die Prallkühlung derart ausgestaltet ist, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte führbar ist.

Die in den Zellen produzierte Wärmeenergie wird zunächst konduktiv über passive Wärmeleitmittel, wie beispielsweise Kühlbleche die mit einer oder mehreren Mantelflächen der Zellen kontaktiert sind, an eine Kühlplatte ausserhalb des Gehäuses geführt. Von dort wird die Wärmeenergie konvektiv auf einen Fluidstrom mittels Prallkühlung übertragen mit der sich örtlich sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten erzielen lassen. Unter Prallkühlung wird dabei eine Kühlvorrichtung verstanden, welche sich dadurch auszeichnet, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine wärmeabgebende Oberfläche trifft und dort einen sogenannten„wall-jet" erzeugt, d.h. der Fluidstrom wird vom Aufprallort in radialer Weise über die Oberfläche des Aufprallkörpers geführt. Um das Zentrum des Aufprallortes lassen sich sehr hohe Wärmeübergangsraten erzielen, die mit größer werdendem radialen Abstand vom Zentrum des Aufpralls abnehmen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem mit Prallkühlung erlaubt eine effiziente Temperaturregulation der Zellen des Batteriesystems mittels eines Fluidstroms, während eine Fluidstromführung innerhalb des Gehäuses nicht notwendig ist und somit Massnahmen zur Aufbereitung des Fluids nicht mehr erforderlich sind.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst eine oder mehrere Batteriezellen. Unter dem Begriff„Batteriesystem" werden hier elektrochemische Energie- Speicher verstanden, insbesondere Batterien oder Akkumulatoren aller gebräuchlichen Akkumulatortechnologien. Es können Batterien oder Akkumulatoren vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff- Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen- 5 Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium-

Mangan-Akku, LiFeP0 ₄ - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium- Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen- Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox- 10 Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku verwendet werden. Insbesondere können

Batterien vom Typ der Blei/Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und/oder Natrium/Natriumnickelchlorid-Batterie eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Der Begriff„Batteriesystem" wird dabei sowohl für einzelne Zellen, als auch für Modul s le aus mehreren Zellen, als auch für komplexere Architekturen umfassend mehrere Zellen und/oder Module verwendet.

Das Batteriesystem umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei kann ein Batteriesystem ein einzi-

20 ges oder mehrere einzelne Gehäuse umfassen, die jeweils eine oder mehrere

Batteriezellen umfassen. Bevorzugt weist das Batteriesystem ein gemeinsames Gehäuse auf, in dem alle Zellen oder Module des Batteriesystems angeordnet sind, wobei die Kühlplatte ausserhalb dieses gemeinsamen Gehäuses positioniert ist. Unter dem Begriff„Gehäuse" ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen,

25 die einen Innenraum aufweist, der geeignet ist eine oder mehrere Batteriezellen aufzunehmen. Ein Gehäuse kann dabei in einer oder zwei Richtungen dauerhaft oder vorübergehend gegenüber der Umwelt offen sein. Bevorzugt grenzt das Gehäuse die enthaltenen Batteriezellen gegenüber der Umgebung nach allen Richtungen hin ab, wobei das Gehäuse verschließbare Zugänge, wie z.B. Türen

30 oder Deckel aufweisen kann. Unter einem Gehäuse kann nicht der unmittelbare

Zellmantel verstanden werden, der die elektrochemischen Bestandteile einer einzelnen Zelle von der Umwelt trennt. Bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches ein Metall, ein Metallblech oder eine Keramik umfasst oder daraus besteht. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse aus einem

35 Material gefertigt sein, welches Aluminium aufweist oder daraus besteht. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens eine Kühlplatte auf, die ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Batteriesystem kann mehrere ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatten aufweisen. Eine, mehrere oder alle Kühlplatten des Batteriesystems können aussen an einer Oberfläche des Gehäuses angebracht sein. Bevorzugt sind eine, mehrere oder alle Kühlplatten des Batteriesystems auf einer Aussenseite des Gehäusebodens angebracht. Die Kühlplatten können integraler Bestandteil des Gehäuses sein, vorausgesetzt mindestens eine Oberfläche der Kühlplatten ist von ausserhalb des Gehäuses direkt zugänglich für die Zuführung eines Fluidstroms. Bevorzugt weist die Kühlplatte eine durchgehend solide ausgestaltete Oberfläche auf, die keinen direkten Durchläse in das Gehäuseinnere erlaubt. Die Kühlplatten des Batteriesystems sind aus einem Material gefertigt, dass eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf das verwendete Fluid erlaubt. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt weisen die Kühlplatten Aluminium auf oder bestehen daraus.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel auf, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie konduktiv von den Batteriezellen an die Kühlplatte übertragbar ist. Dazu können die passiven Wärmeleitmittel möglichst grossflächig mit einer oder mehreren Oberflächen der Mantelfläche der Batteriezellen in Kontakt stehen, so dass ein möglichst schneller und effektiver Wärmeübertrag von den Batteriezellen auf die Wärmeleitmittel möglich ist. Die passiven Wärmeleitmittel sind dabei derart ausgeführt, dass ein effektiver Wärmeübertrag sowohl zwischen Zelle und Wärmeleitmittel als auch zwischen Wärmeleitmittel und Kühlplatte gewährleistet ist. Die passiven Wärmeleitmittel des Batteriesystems sind aus einem Material gefertigt, dass eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Batteriezelle auf das Wärmeleitmittel und vom Wärmeleitmittel auf die verwendete Kühlplatte erlauben. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt handelt es sich bei den passiven Wärmeleitmitteln um herkömmliche Wärmeleitbleche, besonders bevorzugt um Wärmeleitbleche, die Aluminium enthalten oder daraus bestehen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist eine Prallkühlung auf zur konvekti- ven Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlplatte auf ein vporbeiströmen- des Fluid, wobei die Prallkühlung derart ausgestaltet ist, dass ein Fluidstrom zur Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte führbar ist. Dazu kann die Prallkühlung eine Verteilerplatte umfassen, die mindestens einen Einlass zur Aufnahme eines Fluidstroms aufweist und die auf der der Kühlplatte zugewandten Seite eine Mehrzahl an Auslässen/Düsen aufweist, wobei die Verteilerplatte derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass ein Fluidstrom über den Einlass in die Verteilerplatte einleitbar ist und aus der Verteilerplatte durch die Mehrzahl an Auslässen derart wieder austritt, dass der

Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte trifft. Um eine möglichst gleichmäßige Kühlleistung über die Oberfläche der Kühlplatte zu erlauben, ist es sinnvoll die Auslässe gleichmäßig über die der Kühlplatte zugewandte Oberfläche der Verteilerplatte zu verteilen. Die Ausgestaltung der Aus- lässe kann beliebig erfolgen, vorausgesetzt es ist sichergestellt, dass die Auslässe geeignet sind das verwendete Fluid aus der Verteilerplatte austreten zu lassen. Beispielhaft können die Auslässe rund, oval, dreieckig, viereckig, mehreckig, quadratisch und/oder schlitzförmig ausgestaltet sein, wobei die Auslässe einer Verteilerplatte einheitlich oder unterschiedlich gestaltet sein können. Die Aus- lassgeometrie und -anordnung auf der Verteilerplatte (z.B. Auslassdichte pro

Verteilerplattenfläche, Dimensionierung der Auslassöffnungen) können bedarfsgerecht variiert werden, um für jeden gewünschten Batterietyp oder für jede gewünschte Batteriekapazität eine geeignete Kühlung bereitzustellen. Der Fachmann kann ohne unzumutbaren Aufwand, allein durch Routineversuche geeigne- te Parameter für die Auslassgeometrie und -anordnung für ein bestimmtes, gegebenes Batteriesystem ermitteln. Die Verteilerplatte kann so angebracht sein, dass sie direkt und unmittelbar mit der Kühlplatte verbunden ist. Alternativ können auch noch weitere Vorrichtungen vorgesehen sein, die zwischen der Verteilerplatte und der Kühlplatte positioniert sind.

Die Prallkühlung des erfindungsgemäßen Batteriesystems kann ein Fluidverteil- system aufweisen, welches derart ausgebildet ist, dass an den jeweiligen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit einer vorher festgelegten Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist. Der Vorteil eines solchen Fluidverteil- Systems ist, dass damit an den jeweiligen Auslässen die gewünschte Menge an

Fluid pro Zeiteinheit bereitgestellt und ein entsprechender Fluidstrom aufrechter- halten werden kann. Bevorzugt ist das Fluidverteilsystem derart ausgebildet, dass an einer Mehrzahl und/oder allen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit im Wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist. Somit wird sichergestellt, dass die Kühlleistung über die der Kühlplatte zuge- wandten Oberfläche einheitlich und homogen ist. Ein solches Fluidverteilsystem kann beispielsweise als eine gesonderte Vorrichtung ausgebildet sein, die zwischen Verteilerplatte und Kühlplatte positioniert ist. Ein solches Fluidverteilsystem kann aber auch integraler Bestandteil einer Verteilerplatte sein. Beispi- lesweise kann ein Fluidverteilsystem eine Mehrzahl an Fluidstromführungen auf- weisen, die derart ausgebildet und zwischen Einlass und Auslässen der Verteilerplatte angeordnet sind, dass an einer Mehrzahl und/oder allen Auslässen der Verteilerplatte ein Fluidstrom mit im Wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist. Dabei können die Fluidstromführungen für Auslässe, die relativ näher zum Einlass liegen z.B. länger gestaltet sein, als Fluidstromführungen für Auslässe, die relativ weiter entfernt zum Einlass liegen, so dass der Fluidstrom vom Einlass der Verteilerplatte im Wesentlichen die selbe Strecke zurückzulegen hat unabhängig davon durch welchen Auslass der Fluidstrom austritt. Bei der Ausführung eines solchen Fluidverteilsystems kann sich der Fachmann alternativ auch an bekannten sogenannten„Rail"-Systemen orientieren.

Bei dem Fluid, welches im erfindungsgemäßen Batteriesystem zur Kühlung als Fluidstrom zum Einsatz kommt, kann es sich grundsätzlich um jede Art von Fluid handeln, welches geeignet ist Wärmeenergie von der Kühlplatte aufzunehmen. Dabei kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid handeln. Bevorzugt handelt es sich um ein gasförmiges Fluid, insbesondere kann es sich um Luft beispielsweise Umgebungsluft des Batteriesystems handeln. Zur Erzeugung eines Fluidstromes kann es notwendig sein Mittel vorzusehen, die das Fluid unter einen vorher festgelegten, regel- und/oder steuerbaren Druck setzen und der Prallkühlung des erfindungsgemäßen Batteriesystems als Druckfluidstrom zufüh- ren. Bevorzugt wird dem erfindungsgemäßen Batteriesystem der Fluidstrom als

Druckluftstrom über den oder die Einlässe der Verteilerplatte(n) zugeführt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Kraftfahrzeuge, die ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfassen. Dabei sind unter dem Begriff„Kraft- fahrzeug" alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff„Kraftfahrzeug" HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahr- zeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die einen elektrochemischen Energiespeicher für die elektrische Energieversorgung einsetzen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriesystems mittels Prallkühlung, umfassend die Schritte:

a) Abführen von Wärmeenergie einer, mehrerer oder aller Zellen, die in einem Gehäuse eines Batteriesystems angeordnet sind, an eine ausserhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte;

b) Abführen von Wärmeenergie von der Kühlplatte an ein Fluid mittels eines ausserhalb des Gehäuses geführten Fluidstroms, wobei der Fluidstrom derart geführt wird, dass dieser im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte trifft.

Figuren:

FIG. 1 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktionsweise einer

Prallkühlung.

FIG. 2 zeigt schematisch den Aufbau und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher verdeutlicht.

In FIG. 1 ist der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer Prallkühlung schematisch dargestellt. Ein Fluidstrom 2 wird derart geführt, dass er durch einen Auslass 3 aus einer Verteilerplatte 4 austritt und im Wesentlichen senkrecht auf den Körper trifft, mit dem der Temperaturaustausch bewerkstelligt werden soll, vorliegend der Kühlplatte 1. Trifft der Fluidstrom 2 auf die Oberfläche der Kühlplatte 1 , so wird ein sog.„wall-jet" erzeugt und der Fluidstrom wird in radialer Richtung abgelenkt und über die Oberfläche der Kühlplatte 1 geführt. Da- bei findet um das Zentrum des Aufprallortes ein Übertrag von Wärmeenergie mit sehr hohen Wärmeübergangsraten statt.

In FIG. 2 ist der Aufbau und die Funktionsweise einer Ausführungsform eines er- 5 findungsgemäßen Batteriesystems schematisch dargestellt. Das Batteriesystem

10 umfasst dabei eine Mehrzahl an Batteriezellen 1 1 , bevorzugt an Lithium- Ionen-Zellen, die in einem oder mehreren Modulen zusammengefasst sein können und in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet sind. An den Mantelflächen der Batteriezellen 1 1 sind passive Wärmeleitmittel 12, bevorzugt Wärme- 10 leitbleche, angebracht, die Wärmeenergie von den Batteriezellen 1 1 konduktiv entlang der Richtung des geschlossenen Pfeils hin zu der Kühlplatte 14 leiten. Die Kühlplatte 14 ist hier als Bodenplatte ausgebildet, kann aber auch an anderen Positionen ausserhalb des Gehäuses oder auf der Aussenoberfläche des Gehäuses positioniert sein, vorausgesetzt es besteht eine wärmeleitende Verl s bindung zwischen den passiven Wärmeleitmitteln 12 und der Kühlplatte 14. Auf der dem Gehäuse 13 abgewandten Seite der Kühlplatte 14 schließt sich eine Verteilerplatte 15 an, die als Prallkühlung ausgebildet ist. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß FIG. 2 ist die Verteilerplatte 15 direkt und unmittelbar kontaktiert mit der dem Gehäuse 13 abgewandten Oberfläche der Kühlplatte 20 14. In FIG. 2 ist die Verteilerplatte 15 lediglich deshalb von der Kühlplatte 14 separiert dargestellt, um eine schematische Darstellung der Funktionsweise zu erlauben. Die Verteilerplatte 15 weist einen Einlass 16 und eine Mehrzahl von Auslässen 17 auf, wobei die Auslässe 17 auf der der Kühlplatte 14 zugewandten Oberfläche der Verteilerplatte 15 positioniert sind. Dabei sind die Auslässe 17 25 bevorzugt in regelmäßigen Abständen gleichmäßig über die der Kühlplatte 14 zugewandten Oberfläche der Verteilerplatte 15 verteilt.

Die bei Betrieb des Batteriesystems 10 in den Batteriezellen 1 1 entstehende Wärmeenergie wird zunächst über die passiven Wärmeleitmittel 12 entlang der durch den geschlossenen Pfeil angedeuteten Richtung von den Batteriezellen 1 1 30 hin zu der Kühlplatte 14 konduktiv transportiert und damit aus dem Gehäuse 13 herausgeleitet. Die Kühlplatte 14 nimmt die Wämreenergie aus den Batteriezellen 1 1 auf und gibt sie an eine Prallkühlung ab. Die Prallkühlung ist in Form einer Verteilerplatte 15 ausgebildet und schließt sich direkt auf der dem Gehäuse 13 abgewandten Seite an die Kühlplatte 14 an. Zur Kühlung kann durch den Einlass 35 16 ein Fluidstrom in die Verteilerplatte 15 eingeleitet werden, der dann aus der

Verteilerplatte über eine Mehrzahl von Auslässen 17 derart wieder austritt, dass der Fluidstrom im Wesentlichen senkrecht auf eine Oberfläche der Kühlplatte 14 trifft und dort Wärmeenergie aufnimmt. Die Flussrichtung des Fluidstroms ist durch die offenen Pfeile verdeutlicht. Dadurch, dass die Auslässe 17 gleichmäßig über die der Kühlplatte 14 zugewandten Oberfläche verteilt sind, wird eine gleichmäßige Kühlwirkung über einen größtmöglichen Teil der Oberfläche der

Kühlplatte 14 erreicht.

Bei der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems erfolgt die Fluidstromführung ausschließlich ausserhalb des Gehäuses 13 des Batteriesystems 10 und gelangt nicht ins Innere des Batteriesystems 10, so das es nicht notwendig ist, das verwendete Fluid aufwändig aufzuarbeiten, bevor es zur Kühlung eingesetzt werden kann.