DE4419281C1

DE4419281C1 - Hochtemperaturbatterie

Info

Publication number: DE4419281C1
Application number: DE19944419281
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ing Currle
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1994-06-01
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: GB9510874D0; GB2289977B; US5824432A; JPH07335275A; FR2720860A1; GB2289977A; JP2775600B2; FR2720860B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbatterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für ein Natrium-Nickel-Clorid-Batteriesystem muß ein eng be grenztes Temperaturfenster von beispielsweise 280-350°C einge halten werden, da die Batteriezellen einerseits beim Laden nicht überhitzt werden dürfen, andererseits aber auch die Zellentempe ratur nicht unter einen unteren Grenzwert abfallen darf, da sonst der Wirkungsgrad der Batterie sinkt.

In der älteren aber nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 43 09 621 A1 ist ein Kühlsystem zur Begrenzung der Betriebstempera tur beim Laden der Batterie sowie bei der Stromentnahme be schrieben. Zur Wärmeentnahme aus der Batterie ist ein luftdurch strömter Kühlkörper vorgesehen, der das thermisch isolierende Batteriegehäuse mit einem Lufteinlaß- und einem Luftauslaßstut zen durchdringt. Der Kühlkörper ist plattenförmig flach gebaut und an der Oberseite oder Unterseite des Gehäuses angeordnet.

Kühlkonzepte, bei denen nur an der Ober- oder Unterseite der Batterie gekühlt wird, haben den Nachteil, daß aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Batteriezellen und ihrer gro ßen Bauhöhe sich eine sehr ungünstige Temperaturschichtung er gibt und es schwierig ist das oben erwähnte Temperaturfenster einzuhalten. So kann es vorkommen, daß an der gekühlten Seite die Zellentemperatur unter Umständen bereits zu niedrig ist, während sich auf der gegenüberliegen Seite zu hohe Temperaturen einstellen. Darüberhinaus ist ein solches Kühlkonzept aufgrund der thermischen Trägheit der Batteriezellen in Verbindung mit ihrer stabförmigen (große Höhe im Vergleich zu kleinen Quer schnitten) Bauweise sehr träge, da die Kühlleistung über die ge samte Höhe der Batteriezellen wirken muß, um auch das andere En de der Zelle kühlen zu können. Damit ist dieses Kühlkonzept ins besondere für eine anzustrebende Bedarfskühlung, das heißt nur im Fall möglicher Überhitzung im Gegensatz zu fortwährender Küh lung, ungeeignet, da das System nicht schnell genug kühlwirksam reagiert.

Aus der DE 32 42 901 A1 ist eine Hochtemperaturbatterie mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt, dessen Kühl system insbesondere für stabförmige Batteriezellen geeignet ist. Aufgrund der großflächigen Kühlung entlang der Seitenflächen der Batteriezellen wird eine weitgehend homogene Temperaturvertei lung innerhalb der Zellen und ein vergleichsweise schnelles Ansprechverhalten der Kühlung erreicht. Innerhalb der Kühlkör perelemente wird das Gegenstromprinzip angewandt, wodurch eine über die kühlwirksame Oberfläche der Kühlkörperelemente homogen verteilte Kühlleistung erreicht werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Hochtemperaturbatterie mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 dahingehend weiterzu bilden, daß die Kühlwirkung des Kühlsystems der Hochtemperatur weiter verbessert wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Die Verbesserung der auf den bezogenen Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß die Kühlmittelströmung durch den Kühlkörper optimiert wird, indem Verwirbelungen und Strömungsablösungen reduziert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen entsprechend der Zeichnung dargestellt und näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Gesamtansicht der Hochtemperaturbatterie,

Fig. 2a eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kühlkörpers (ohne Auslaßtrichter),

Fig. 2b eine ergänzende perspektivische Ansicht des erfindungs gemäßen Kühlkörpers (ohne Einlaßtrichter),

Fig. 3 ein weitere Ausführungsform für ein Kühlkörperelement.

Die in Fig. 1 dargestellte Hochtemperaturbatterie, welche auf der Basis von Natrium-Nickel-Clorid-Zellen gebildet sein kann, besitzt zur Vermeidung von Wärmeverlusten ein thermisch isolie rendes Gehäuse 2. Die Isolierung geschieht in der Regel durch Vakuumisolation. Innerhalb des Gehäuses 2 befindet sich in dich ter Packung eine größere Anzahl stabförmiger Batteriezellen 5, beispielsweise 13 in y-Richtung und 17 in x-Richtung, von denen nur eine einzige exemplarisch dargestellt ist. Der erfindungsge mäße Kühlkörper 6 befindet sich innerhalb des Gehäuses 2 und steht im thermischen Kontakt mit den Batteriezellen 5. Dabei wird die Kühlluft von außen durch einen Lufteinlaßstutzen 3 dem Kühlkörper 6 zugeführt und durch einen entsprechenden Luftaus laßstutzen 4 abgeführt. Die Lufteinlaß- und Luftauslaßstutzen 3, 4 haben einen kreisförmigen Querschnitt und durchdringen das isolierende Gehäuse 2. Nach Durchgang durch den Kühlkörper 6 kann die erwärmte Luft über einen Wärmetauscher für die Klimati sierung der Fahrgastzelle verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Kühlkörper und die Luftführung durch diesen hindurch, mittels Pfeilen veranschaulicht, ist den Fig. 2a und 2b zu entnehmen.

Die Fig. 2a zeigt den erfindungsgemäßen Kühlkörper 6, wobei der Übersichtlichkeit wegen der Luftauslaßstutzen und ein entspre chender Auslaßtrichter, welcher die ausströmende Luft sammelt, nicht dargestellt sind. Der Kühlkörper 6 besteht aus einer pa rallelen Anordnung von plattenförmigen Kühlkörperelementen 7, zwischen denen je nach Ausführung sich eine Reihe von Batterie zellen 5 oder eine Doppelreihe 5′ befindet. Dadurch werden die Batteriezellen 5, 5′ entlang mindestens einer Seitenfläche groß flächig gekühlt.

Der Weiterleitung der Kühlluft vom Lufteinlaßstutzen 3 zu den Kühlkörperelemente 7 und der möglichst gleichmäßigen Luftein strömung dient ein besonders gestalteter Einlaßtrichter 8: Die von oben nach unten momentan durchströmten Querschnittsflächen des Trichters 8 sind entlang des Weges weitgehend konstant. In vorteilhafter Weise werden dadurch verlustbehaftete Strömungsab lösungen vermieden und eine homogene Verteilung der Luftströmung in Spannweitenrichtung y erreicht.

Die gleichbleibende Querschnitte werden dadurch erreicht, daß sich der Einlaßtrichter 8 von oben nach unten in seiner Dicke (x-Richtung) verjüngt, während er sich in seiner Breite (y-Rich tung) auf die volle Spannweite des Kühlkörpers 6 verbreitert. Jedes Kühlkörperelement 7 weist an seiner dem Lufteinlaßstutzen 3 zugewandten Seite eine mittig angeordnete Einlaßöffnung 9 auf und zwei äußere Auslaßöffnungen 10. Die Einlaßöffnung 9, durch den die kalte Luft in das als Hohlkörper ausgebildete Kühlkörpe relement 7 gelangt, hat einen wesentlich kleineren Querschnitt als die Auslaßöffnungen 10. In vorteilhafter Weise wird damit verhindert, daß die kalte Luft aufgrund einer zu großen zur Ver fügung stehenden Kühloberfläche bereits auf dem Hinweg durch den als Diffusor ausgebildeten Luftkanal 12 sich so stark erwärmt, so daß auf dem Rückweg durch das Kühlkörperelement 7 keine Kühl leistung mehr erbracht wird.

Um eine möglichst optimale Diffusorwirkung, das heißt eine homo gene Verteilung und Durchströmung der Kühlluft durch die Kühl körperelemente zu erzielen, sind im Inneren des Kühlkörperele mentes mehrere Luftleitbleche 11 angeordnet. Diese bilden einen in Durchströmrichtung sich aufweitenden Luftkanal 12. Am Ende des Luftkanals 12 wird die Kühlluft aufgeteilt und nach Umlen kung jeweils einer Auslaßöffnung 10 zugeführt. Es sind auch an dere Anordnungen von Luftleitblechen denkbar, beispielsweise wie sie in der gattungsbildenden Schrift dargestellt sind. Vorteil haft und wesentlich für die erfindungsgemäß Anordnung der Luft leitbleche ist das angewandte Gegenstromprinzip, durch das eine weitgehend homogene Temperaturschichtung der gekühlten Batterie zellen erreicht wird. Das Gegenstromprinzip bedingt, daß an der Seite wo die kalte Luft eingeleitet auch die erwärmte Luft abge führt wird. Die in der vorliegende Zeichnung dargestellte Anord nung der Luftleitbleche 11 bietet weiterhin den Vorteil, daß durch die Zunahme der aktiven Kühloberfläche entlang des Luftwe ges durch das Kühlkörperelement 7 die lokale Kühlleistungsabnah me aufgrund der Erwärmung der Luft entlang des Weges weitgehend kompensiert wird. Damit wird eine über die gesamte kühlwirksame Oberfläche des Kühlkörperelementes 7 weitgehend homogene Kühl leistung erzielt.

Die Fig. 2b zeigt ergänzend zur Fig. 2a nun den Auslaßtrichter 14, welcher die erwärmte Kühlluft über den Luftauslaßstutzen 4 nach außen abführt. Der Auslaßtrichter 14 besitzt die gleichen vorteilhaften Merkmale wie der Einlaßtrichter 8, der in Fig. 2a dargestellt ist aber in Fig. 2b der Übersichtlichkeit wegen weg gelassen wurde. Durch die besondere Ausbildung der Trichter 8 und 14 wird wie bereits erwähnt die Luftströmung optimiert und die anfallende Druckverluste minimiert. Die beiden Trichter 8 und 14 sind in Spannweitenrichtung versetzt angeordnet, um den Bauraum optimal auszunutzen. Die von den Kühlkörperelementen 7 durch die Auslaßöffnungen 10 abgegeben Luft wird zunächst in ei ne Auslaßkammer 13 geleitet, bevor sie über den Auslaßtrichter 14 abgeführt wird. Da die im unteren Bereich der Auslaßöffnung 10 ausströmende erwärmte Luft nach der Umlenkung nach oben an der über die Einlaßöffnung 9 einströmende kalte Luft vorbei strömt, kann in vorteilhafter Weise eine thermische Isolation z. B. in Form eines dünnen Luftpolsters zwischen den beiden luft führenden Anordnungen vorgesehen sein.

Die Luftführung durch den erfindungsgemäßen Kühlkörper 6 wird im folgenden anhand der beiden Fig. 2a und 2b zusammenfassend dar gestellt: Durch den Lufteinlaßstutzen 3 gelangt die kalte Luft in den Einlaßtrichter 8. Nach einer Umlenkung am Ende des Trich ters 8 strömt die Luft durch die entsprechende Einlaßöffnung 9 in das jeweilige Kühlkörperelemente 7 hinein. Am Ende des als Diffusor wirkenden Luftkanals 12 strömt die Luft im Gegenstrom im oberen und unteren Bereich des Kühlkörperelementes zurück. Über die Auslaßöffnungen 10 verläßt die Luft die Kühlkörperele mente 7 und wird zunächst in die Auslaßkammer 13 geleitet, an deren oberen Ende umgelenkt und im Auslaßtrichter 14 gesammelt. Die Luftabfuhr erfolgt über den Luftauslaßstutzen 4.

Die Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Kühl körperelement 7′, bei dem das Gegenstromprinzip in umgekehrter Richtung angewendet wird. Eine Auslaßöffnung 10′ ist hier mittig und zwei Einlaßöffnungen 9′ sind oben und unten angeordnet. Ent sprechend sind auch die Luftleitbleche 11′ anders angeordnet und zwar so, daß sich wieder ein in Durchströmrichtung erweiternder Luftkanal 12′ ergibt. Natürlich müssen bei dieser Ausführungs form des Kühlkörperelementes 7′ die Luftleitwege zur Zuführung und Abführung angepaßt werden.

Unter Anwendung der dargelegten technischen Lehre sind ohne wei teres andere Ausbildungen für die Kühlkörperelemente 7 denkbar, beispielsweise mit mehreren Einlaß- oder Auslaßöffnungen. Ferner kann die gleiche oder ein ähnliche parallele Anordnung der Kühl körperelemente auch für eine Durchströmung des Kühlmittels in Querrichtung (y-Richtung) sowie in Hochrichtung (z-Richtung) der Batteriezellen abgeleitet werden.

Die Kühlkörperelemente können wie beschrieben in geschlossener Bauweise ausgeführt sein oder alternativ unmittelbar durch die Seitenflächen der Batteriezellen begrenzt werden (offene Bauwei se), wobei auf eine entsprechende elektrische Isolation zu ach ten ist.

Anstelle von Luft kann äquivalent der Kühlkörper auch von einem alternative Kühlmittel, beispielsweise Öl, durchströmt werden.

Claims

1. Hochtemperaturbatterie, insbesondere zur Energieversorgung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, mit einem thermisch isolie renden Gehäuse sowie einem Kühlsystem umfassend einen innerhalb des Gehäuses angeordneten von einem Kühlmittel durchströmten Kühlkörper, welcher

- mit Einlaß- und Auslaßstutzen die thermisch isolierende Wan dung des Gehäuses durchdringt und
- durch eine parallele Anordnung von plattenförmigen, als Hohl körper ausgebildeten und von dem Kühlmittel durchströmten Kühl körperelementen gebildet ist,
- wobei in dem Raum zwischen den parallelen Kühlkörperelementen die zu kühlenden Batteriezellen so angeordnet sind, daß mindestens eine der langgestreckten Seitenflächen jeder der stabförmig ausgebildeten Batteriezellen mit einem Kühlkörper element in thermischem Kontakt steht,

dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Kühlkörperelement (7) an der den Einlaß- und Auslaß stutzen (3, 4) zugewandten Schmalseite mindestens eine Einlaß öffnung (9) und mindestens eine Auslaßöffnung (10) aufweist, wo bei ein sich stromab in Spannweitenrichtung (y) aufweitender Einlaßtrichter (8) das durch den Einlaßstutzen (3) einströmende Kühlmittel auf die Einlaßöffnungen (9) aller Kühlkörperelemente (7) verteilt und ein sich stromab in Spannweitenrichtung (y) verengender Auslaßtrichter (14) das aus den Auslaßöffnungen (10) aller Kühlkörperelemente (7) ausströmende Kühlmittel sammelt und dem Auslaßstutzen (4) zuführt.

2. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Ausdehnung der Einlaß- und der Auslaßtrichter (8, 14) senkrecht zur Spannweitenrichtung so gebildet ist, daß die beim Durchgang durch die Trichter (8, 14) von dem Kühlmittel strom jeweils momentan durchsetzte Querschnittsfläche weitgehend unverändert bleibt.

3. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß innerhalb jedes Kühlkörperelementes (7; 7′) Leitbleche (11; 11′) angeordnet sind, welche das durch eine oder mehrere Einlaßöffnungen (9; 9′) einströmende Kühlmittel innerhalb des Kühlkörperelementes (7; 7′) verteilen und die Umlenkung des Kühlmittelstromes zu einer oder mehreren Auslaßöffnungen (10; 10′) unterstützen.

4. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die beim Einlaß in ein Kühlkörperelement (7; 7′) von dem Kühlmittel durchsetzte Querschnittsfläche kleiner ist als die beim Auslaß durchsetzte Querschnitsfläche.

5. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Leitbleche (11, 11′) einen sich in Durchströmrich tung aufweitenden Kühlmittelkanal (12) bilden.

6. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Durchgang durch das Kühlkörperelement (7; 7′) die von dem Kühlmittelstrom jeweils momentan durchsetzte Querschnittsfläche monoton wächst.

7. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß jedes Kühlkörperelement (7) eine in mittlerer Position angeordnete Einlaßöffnung (9) und zwei außen angeord nete Auslaßöffnungen (10) aufweist.

8. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß jedes Kühlkörperelement (7) eine in mittlerer Position angeordnete Auslaßöffnung (10′) und zwei außen angeord nete Einlaßöffnungen (9′) aufweist.

9. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als Kühlmittel entweder Luft oder ein alternatives Kühlmittel insbesondere Öl, verwendet wird.