Beschreibung

Titel

VORRICHTUNG MIT WENIGSTENS EINER ELEKTROCHEMISCHEN ZELLE IN EINEM DRUCKBEAUFSCHLAGTEN GEHäUSE UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER SOLCHEN VORRICHTUNG

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen

Zelle und einem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Es ist bekannt, dass die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien leidet, wenn diese im Betrieb höheren Temperaturen ausgesetzt werden.

Aus der EP 1 577 973 A1 ist bekannt, Lithium-Ionen-Batterien als rechteckige flache Zellen auszubilden. Diese werden üblicherweise in mehreren Modulen zusammengefasst und elektrisch parallel und/oder in Serie geschaltet. Beim Laden und Entladen entsteht in den Zellen Wärme, wodurch die Batterietemperatur steigt. Oberhalb von 45°C - 70 ⁰ C laufen in den Lithium-Ionen-Batterien chemische Reaktionen ab, die zu verstärkter Alterung führen. Daher werden die Zellen in den Modulen gekühlt, etwa durch Gas, Flüssigkeit, oder Dampf. Meist wird hierfür Luft eingesetzt, die an den Flächen der einzelnen Zellen vorbeigeführt wird. Die bekannten Flachzellen sind aus kunststoffbeschichtete Aluminiumfolien aufgebaut, die miteinander verbunden sind, wobei die Stromleiter seitlich herausgeführt und abgedichtet sind. Im Inneren der Zellen kann sich im Lauf der Zeit Gas bilden, das die Aluminiumverpackung ausbeult bzw. zu Undichtigkeiten an den Fügestellen und insbesondere im Bereich der Stromableiter führen kann. Dies wird noch verstärkt dadurch, dass auch so genannte Elektrolyte in den Zellen enthalten sind, die einen Dampfdruck besitzen, der bei ansteigender Temperatur zunimmt. Eine Kühlung wird dadurch zunehmend erschwert.

Weiterhin schwanken die Betriebsparameter dieses Batterietyps stark in Abhängigkeit der Temperatur. Eine ausreichende Kühlung ist eine Randbedingung, die für eine sinnvolle Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien in anspruchsvollen Systemen wie Hybrid kraftfahrzeugen oder auch beim Einsatz in Elektrowerkzeugmaschinen erfüllt sein muss.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle.

Es wird ein mit einem Druckmedium druckbeaufschlagbares Volumen zur Aufnahme der wenigstens einen Zelle zur externen Druckbeaufschlagung der wenigstens einen Zelle vorgeschlagen. Dadurch kann bei einem Druckaufbau in der Zelle diesem entgegengewirkt werden, indem von außen auf die Zelle ein Druck einwirken kann. Der Druck kann geeignet eingestellt werden. Vorzugsweise ist dieser mindestens etwa gleich groß wie der Innendruck der Zellen, besonders bevorzugt wesentlich größer. Eine Verformung des Zellgehäuses und daraus resultierende Undichtigkeiten können damit vermieden werden. Die Lebensdauer der Zelle kann verbessert werden. Besonders bei Modulen mit einer Vielzahl von Zellen, etwa Batteriepacks für

Hybridkraftfahrzeuge, elektrisch betriebene Fahrzeugen wie Rollstühle, Fahrräder mit elektrischem Hilfsantrieb, Hubstapler, fahrerlosen Transportsysteme, oder auch Batteriepacks für Elektrowerkzeuge, kann durch die externe Druckbeaufschlagung der Zellen eine vorteilhafte Lebensdauerverlängerung erreicht werden. Die Erfindung ist neben Batterien, wobei Lithium-Ionen-Sekundärbatterien bevorzugt sind, grundsätzlich auch für so genannte elektrochemische Batteriezellen geeignet.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung kann die wenigstens eine Zelle in einem Gehäuse angeordnet sein, das einen Medieneingang zum Zuführen des Druckmediums und einen Medienausgang zum Abführen des Druckmediums aufweist. Das Druckmedium ist vorzugsweise Luft, die mit einer regelbaren Drosselklappe je nach Innendruck der wenigstens einen Zelle eingestellt wird. Denkbar ist auch eine Flüssigkeit als Druckmedium, etwa Wasser oder auch eine Kühlflüssigkeit und dergleichen. Ebenso kann Dampf als Druckmedium eingesetzt werden, etwa ein

Kältemittel aus einer Klimaanlage, oder auch überkritische Medien wie Kohlendioxid. Bei einer bevorzugten Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug ist von Vorteil, dass üblicherweise verschiedenartige geeignete Medien wie Wasser, Luft, Klimakältemittel, verfügbar sind und darüber hinaus auch geeignete Aggregate zum Temperieren des Druckmediums bereitstehen.

Zweckmäßigerweise kann zur Zuführung des Druckmediums ein Verdichterorgan vorgesehen sein, bevorzugt ein Kompressor. Der Druck kann vorteilhaft zur Energieeinsparung entsprechend dem Innendruck der wenigstens einen Zelle angepasst werden. Unnötiger und energieaufwändiger Druckaufbau kann vermieden werden.

Zum Abführen des Druckmediums kann zweckmäßigerweise ein Drosselorgan vorgesehen sein, so dass zweckmäßigerweise das Druckmedium in Strömungsrichtung nach dem druckbeaufschlagbaren Volumen wieder gedrosselt werden kann. Dabei kann vorteilhaft sein, wenn das Drosselorgan als Expansionsorgan, etwa ein Expander, ausgebildet ist. Das Drosselorgan kann z.B. auch eine Drosselklappe sein. Das Drosselorgan ist bevorzugt absperrbar, so dass bei Stillstand eines von der wenigstens einen Zelle versorgten Systems die wenigstens eine Zelle ständig unter Druck gehalten werden kann. Dadurch wird einer Verformung der Zelle und damit einer Undichtigkeit zusätzlich vorgebeugt.

Besonders energiesparend ist, wenn das als Expansionsorgan ausgebildete Drosselorgan mit dem Verdichterorgan antriebsmäßig gekoppelt ist.

Ein Druck des Druckmediums kann vorteilhaft im druckbeaufschlagbaren Volumen abhängig von einem Innendruck der wenigstens eine Zelle einstellbar sein, wozu bevorzugt ein Regler vorgesehen ist.

Die Erfindung geht weiterhin von einem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle aus.

Es wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Zelle extern mit einem Druck eines Druckmediums beaufschlagt wird. Die wenigstens eine Zelle kann allseitig vom

Druckmedium mit einem homogenen Druck beaufschlagt werden. Vorzugsweise wird der Druck mindestens so groß oder sogar wesentlich größer als der Innendruck der wenigstens einen Zelle eingestellt.

Die wenigstens eine Zelle kann mit dem Druckmedium gekühlt werden.

Bevorzugt kann der Druck abhängig von einem Innendruck der wenigstens eine Zelle eingestellt werden. Wird ein Modul mit einer Mehrzahl solcher Zellen verwendet, wird zweckmäßigerweise der Druck entsprechend der Zelle mit dem höchsten Innendruck eingestellt. Eine Bestimmung des Innendrucks kann beispielsweise aus einer

Zelltemperatur einer Zelle abgeleitet werden. In einem Modul kann dann jeweils die Zelle mit der höchsten Temperatur herangezogen werden.

Vorteilhaft kann die Druckbeaufschlagung auch so erfolgen, dass, auch wenn die Zelle oder die Zellen nicht gekühlt werden müssen, das Drosselorgan vollständig geschlossen wird, so dass in dem druckbeaufschlagbaren Volumen ein hoher Druck bestehen bleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt die einzige Figur schematisch eine bevorzugte Vorrichtung mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen in einem druckbeaufschlagbaren Volumen.

Ausführungsform der Erfindung

Die Figur zeigt zur Veranschaulichung der Erfindung eine bevorzugte Vorrichtung 10 mit einem elektrochemischen Modul 40 aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 20, 30, die elektrisch parallel und/oder in Serie geschaltet sind. Die Zellen 20, 30 sind in einem mit einem Druckmedium druckbeaufschlagbares Volumen 12 in einem bevorzugten Gehäuse 14 angeordnet. Die Zellen 20, 30 sind bevorzugt als Lithium-Ionen-Sekundärbatterien in Flachzellenbauweise ausgebildet und weisen ein flaches, rechteckiges Gehäuse 26 bzw. 36 auf mit jeweils einem auf entgegengesetzten Enden des Gehäuses 26, 36 angeordneten Stromableitern 22, 24 bzw. 32, 34. Insgesamt bilden die Zellen 20, 30 ein in einem Druckgehäuse angeordnetes Batteriepack. Die Zellen 20, 30 können in der Art von so genannten „Coffebag"-Zellen ausgebildet sein, bei denen eine kaschierte Metallfolie ein Elektrodenpack umgibt und sich diesem anpasst. Die Zellen 20, 30 sind dementsprechend relativ weich ausgebildet.

Das Gehäuse 14 weist einen Medieneingang 16 zum Zuführen des Druckmediums und einen Medienausgang 18 zum Abführen des Druckmediums auf. Stromaufwärts ist vor dem Medieneingang zur Zuführung des Druckmediums ein Verdichterorgan 50 angeordnet, welches das Druckmedium auf einen gewünschten Druck 62 verdichtet. Stromabwärts am Medienausgang 18 ist zum Abführen des Druckmediums ein

Drosselorgan 52 angeordnet. Das Druckmedium kann dort wieder entspannen. Das Drosselorgan 52 ist über einen Regler 54, der in einer Regelleitung 56 angeordnet ist, mit dem Verdichterorgan 50, das z.B. als Kompressor ausgebildet ist, verbunden. Das Druckmedium ist gleichzeitig das Kühlmedium der Zellen 20, 30.

Ein Druck 62 des Druckmediums ist im druckbeaufschlagbaren Volumen 12 abhängig von einem Innendruck der wenigstens einen Zelle 20, 30 einstellbar, indem der Regler die Kompressionsleistung des als Kompressor ausgebildeten Verdichterorgans 52 einstellt.

Der Druck 62 des Druckmediums wird abhängig von einem Innendruck 28, 38 der wenigstens einen Zelle 20, 30 eingestellt. Zweckmäßigerweise wird sich die Einstellung an der Zelle 20, 30 mit dem höchsten Innendruck 28, 38 orientieren.