HOCHTEMPERATURBATTERIE MIT LUFTKüHLUNG

Gegenstand

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbatterie, die aus einer Anzahl in Reihen angeordneter im wesentlichen zylindrischer Zellen, einer Basis, einer Deckplatte, Zellenverbindern und einer Kühlvorrichtung besteht. Unabhängig davon, welcher elektrischen beziehungsweise elektrochemischen Wirkungs- weise Hochleistungsbatterien für elektrische oder hybride Kraftfahrzeugantriebe sind, entsteht beim Laden und Entladen mit hohen Stromstärken Wärme, die abgeführt werden muss. Derartige Hochleistungsbatterien sind zu allem überfluss temperatursensibel, sodass ihre Temperatur in einem engen Bereich bleiben muss. Das Einhalten einer optimalen Betriebstemperatur und ei- ne gleichmäßige Temperaturverteilung sind für Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Hochtemperaturbatterie sehr wichtig.

Stand der Technik

Eine derartige Batterie ist beispielsweise aus der EP 514 840 bekannt, wobei die Zellen Kondensatoren sind. Dort sind als Kühlvorrichtung Kühlplatten vorgesehen, an denen die Wände der Zellen anliegen. Die Kühlplatten enthalten von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlkanäle. Eine ausreichende

Wärmeabfuhr von den Zellwänden durch Wärmeleitung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung an der die Zellen berührenden Oberfläche der Kühlplatten ist so nur sehr beschränkt möglich, zumal die Wandstärken zwischen dem Kühlkanal und den Ausnehmungen erheblich variieren.

Es ist beispielsweise aus der US 6,606,245 B2 bekannt, Luft als Kühlmittel einzusetzen. Das stellt wegen des kleineren Wärmeübergangskoeffizienten und der geringeren spezifischen Wärme eines Gases hohe Anforderungen an die Gestaltung der Kühlvorrichtung. Die Kühlluft strömt durch einen Einlassschlitz in einen die jeweilige Zelle umgebenden Raum, umströmt die Zelle in Umfangsrichtung und verlässt den Raum durch einen dem Einlassschlitz gegenüber liegenden Auslassschlitz. Damit ist eine ausreichend gleichmäßige Temperaturverteilung alleine schon deshalb nicht erreichbar, weil die Strömungsverteilung über die Länge des Schlitzes nicht gleichmäßig ist.

Dazu kommen noch thermische Eigenheiten der zylindrischen Zellen. Erstens ist der Anfall an Verlustwärme über deren Höhe nicht gleichmäßig verteilt; dem sollte die Strömungsverteilung angepasst sein. Zweitens entsteht die Wärme im Inneren der Zelle, in der Nähe der zentralen Elektrode, die nach oben aus der Zelle ragt. Die Elektrode ist in der Regel ein besserer Wärmelei- ter als die die zentrale Elektrode umgebenden Schichten, durch die die Verlustwärme zur zylindrischen Aussenwand der Zelle geleitet wird. Die Temperaturverteilung ist so auch über die Tiefe der Zelle ungleichmäßig.

Aufgabe - Lösung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hochtemperaturbatterie so auszubilden, dass sie bei möglichst einfacher und billiger Herstellung eine gleichmäßige Temperaturverteilung in einem engen Temperaturbereich sicherstellt, für

alle Zellen und für jede einzelne Zelle. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Kühlvorrichtung ein Hohlkörper mit einer Eintrittsöffhung für ein kühlendes Gas - insbesondere Luft - ist, dessen Mantelfläche eine Anzahl von Zellen zumindest teilweise umgibt und in dem die Zellen umgebenden Teil Löcher hat, wobei zwischen der Mantelfläche und der jeweiligen ZeI- Ie ein zur Deckplatte hin offener Spaltraum gebildet ist, sodass durch die Löcher in den Spaltraum strömendes Gas zuerst auf die zylindrischen Wände der Zellen auftrifft und in der Folge durch die Deckplatte abströmt, wobei sie auch noch die Zellenverbinder kühlt.

Durch die Löcher strömt das Kühlgas über die Oberfläche der Zelle verteilt und trifft rechtwinkelig mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand der Zelle auf, wodurch alleine schon ein besonders intensiver Wärmeübergang erreicht wird. Sodann strömt das Gas im Spaltraum an der Wand der Zelle entlang, wobei am zurückgelegten Weg einerseits weitere Wärme aufgenommen und andererseits durch weitere Löcher zuströmendes Gas dem Temperaturanstieg des bereits entlang strömenden Gases entgegenwirkt. Schließlich werden auch noch die Zellenverbinder gekühlt, die über den oben aus der Zelle heraus ragenden Teil der Elektroden auch mit diesen wärmeleitend verbunden sind. Auf diese Weise wird die Zelle auch im Inneren gekühlt, sodass auch die Tempera- turverteilung im Inneren der Zelle ausgeglichen wird.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Löcher über den ganzen die Zellen umgebenden Teil der Mantelfläche verteilt und in Abstand und/oder Durchmesser den Kühlerfordernissen angepasst (Anspruch 2). Damit werden die Strömungsverhältnisse im Spaltraum optimiert und wird eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht, bei geeigneter Anpassung von Abstand und/oder Durchmesser auch bei über die Höhe der Zelle ungleichmäßigem

Anfall von Verlustleistung. Zur Anpassung ist es heute möglich, sich computerunterstützter Rechen- beziehungsweise Simulationsmethoden zu bedienen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kühlkörper nur aus einer Mantelfläche, deren oberer und unterer Rand von der Basis beziehungsweise von der Deckplatte dicht abgeschlossen sind (Anspruch 3). Das erlaubt eine kostengünstige Herstellung und Montage des Kühlkörpers und der ganzen Batterie, bei geringem Gewicht.

Schließlich ist es noch nützlich, den Hohlkörper zumindest teilweise als Beru- higungsraum auszubilden, in den die als Rohrstutzen ausgebildete Eintrittsöffnung für das Kühlgas mündet (Anspruch 4). In dem Beruhigungsraum herrscht eine kleine Strömungsgeschwindigkeit, wodurch der Innendruck innerhalb der Mantelfläche überall gleich ist und an allen Löchern derselbe Druck ansteht.

F i guren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 : Ein Teil einer erfindungsgemäßen Batterie, Fig. 2: Wie Fig. 1, aber ohne Deckplatte,

Fig. 3: Einen Längsschnitt gemäß IH-III in Fig. 1.

B e schre ibung

In Fig. 1 ist nur ein Teil einer erfindungsgemäßen Hochleistungsbatterie zu sehen. Mehrere solche Teile können zu einer Batterie vereint sein. Er besteht aus einer Anzahl Zellen 2, einer Basis 1, einer Deckplatte 3 und einer Kühlvorrichtung 7. Die einzelnen Zellen 2 sind durch Zellenverbinder 4 leitend

verbunden. Letztere sind mit Muttern an den Zellen 2 befestigt. Die Zellenverbinder 4 sind in die Deckplatte 3 und gegebenfalls in die Grundplatte 1 eingesenkt und bilden mit dieser einen Spalt 10, siehe weiter unten. Die Kühlvorrichtung 7 hat eine Eingangsöffhung 9 mit einem Rohrstutzen 8 für das gasförmige Kühlmedium, vorzugsweise Luft. Basis 1 und Deckplatte 3 kön- nen durch nicht dargestellte Schrauben miteinander verbunden sein, womit die Kühlvorrichtung 7 zwischen beiden festgespannt ist. Dazu sind in beiden (1,3) Bohrungen 11 angedeutet.

Fig. 2 zeigt dieselbe Batterie mit abgenommener Deckplatte 3. So wird die versetzte Anordnung der Zellen 2 (mit 2.1, 2.2 etc bezeichnet) in zwei Reihen erkennbar. Die Zellen 2 könnten aber auch ganz anders angeordnet sein, solange ihre Achsen parallel sind. Von aussen sichtbar sind deren Aussenwand 23, Deckel 21 und der oben herausragende Teil der zentralen Elektrode 22.

Die Kühlvorrichtung 7 besteht hier nur aus einer Mantelfläche 25, die ein in sich geschlossener gebogener Streifen ist. Sie besteht aus einem nicht leitenden Werkstoff und enthält gegebenenfalls auf ihrer Innenseite Leitflächen. Sie beginnt mit einem ebenen Teil 25.1 mit dem Rohrstutzen 8, an den ein erster konkav zylindrischer Teil 25.2 anschließt. Dieser geht über einen konvex ge- bogenen Teil 25.3 in den nächsten konkav zylindrischen Teil 25.4 über, und so weiter. Jeder konkav zylindrische Teil 25.2, 25.4, etc umgibt einen Großteil der zylindrischen Wand 23 jeder Zelle 2, ohne jedoch an ihr anzuliegen. Vielmehr ist zwischen ihm und der Wand 23 ein Spaltraum 26 gebildet. Zwischen dem ebenen Teil 25.1 und den anschließenden konkav zylindrischen Teilen 25.2, 25.4 ist ein Vorraum 33 oder Beruhigungsraum gebildet. Dieser bewirkt dass überall innerhalb der Mantelfläche 25 derselbe Druck herrscht.

Die konkav zylindrischen Teile 25.2, 25.4, etc weisen über ihre ganze Fläche verteilt Löcher 27 auf, die eine Strömungsverbindung zwischen den Raum innerhalb der Mantelfläche 25 und dem Spaltraum 26 herstellen. Die Verteilung der Löcher 27 kann regelmäßig sein, sodass zwischen den Löchern 27 regelmäßige Abstände 45 (Fig. 3) bestehen. Deren Abstände und Durchmesser können zur Anpassung an thermische Erfordernisse aber auch variieren.

In Fig. 3 ist der Strömungsverlauf aus dem Vorraum 33 durch die Löcher 27 in den Spaltraum 26 dargestellt, in dem sich das aus dem Loch 27 tretende Gas mit dem Gas aus einem tiefer gelegenen Loch mischt; siehe die Strömungs- pfeile 36,37 und 38. Nachdem es so die Zelle 2 gekühlt und sich dabei etwas erwärmt hat, tritt das Gas in die Deckplatte 3 ein, umspült dort die Elektrode 22 (Wirbelpfeil 39) und tritt durch den den Zellenverbinder 4 umgebenden Spalt 10 aus (Pfeil 40). Die so erzielte Kühlung der gut wärmeleitenden Elektrode bewirkt eine Innenkühlung der Zelle. Die dadurch auch in der Tiefe der Zellen bewirkte Kühlung und Vergleichmäßigung der Temperatur erhöht die Lebensdauer der Batterie erheblich.