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Die
Erfindung betrifft eine Batterieheizvorrichtung zum Beheizen einer
Fahrzeugbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure-Batterie, die z. B. als
Starterbatterie eingesetzt wird.
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Das
Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch
die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die
Anforderung nach höherer
Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten
z. B. eines PKW auch Energie für
zusätzliche
Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen
der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird.
Ferner ist es wünschenswert,
die Batterieleistung über
die Lebensdauer der Batterie möglichst
auf einem konstanten hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante
Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert
und betätigt
werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie
sowie die Fähigkeit
der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden.
Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren
beeinflußt.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung
von Batterien, wie z. B. einer Blei-Säure-Batterie zu erhöhen. Ein
besonderes Problem bei diesen und anderen Batterien ist, daß die Batterieleistung
eine starke Abhängigkeit
von der Batterietemperatur aufweist. In einem zulässigen Betriebsbereich
ist z. B. bei einer Blei-Säure-Batterie
mit einem Kapazitätsrückgang von
ca. 0,6 bis 0,8 % pro Grad Celsius oder mehr zu rechnen. Wird angenommen,
daß eine
optimale Betriebstemperatur bei ca. 30 Grad Celsius liegt und die Batterie
bei minus 20 Grad Celsius betrieben wird, um z. B. den An lasser
eines Fahrzeugs zu betätigen, dann
würde diese
Batterie nur noch ca. 60 % ihrer Kapazität aufweisen. Es ist jedoch
dem Fachmann bekannt, daß weitere
Einflußfaktoren
die Kapazität der
Batterie verringern. Ein wesentlicher Einflußfaktor ist die sogenannte
Stratifikation der Säure,
d. h. die Säurekonzentration
ist bezüglich
der Elektrodenfläche
nicht gleichmäßig. Das
bewirkt, daß die
Elektroden an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist,
korrodieren, so daß sich
die Lebensdauer der Batterie vermindert, und an den Elektrodenstellen,
an denen die Säurekonzentration
zu gering ist, erreicht die Batterie nicht ihre volle Leistung.
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Es
ist allgemein bekannt, daß Fahrzeuge
mit einer Brennkraftmaschine, die längere Zeit, z. B. mehr als
8 Stunden, bei Temperaturen unter Null Grad Celsius gestanden haben,
sich besser starten lassen, wenn die ausgekühlte Batterie vor dem Start angewärmt wurde.
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Die
Batterieheizvorrichtungen können
nach verschieden Gesichtspunkten klassifiziert werden.
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Eine
Gruppe betrifft die Heizung der Batterie durch Wärmeaustausch. So wurde z. B.
vorgeschlagen, an der Außenwand
einer Batterie Wärmetauscherrohre
vorzusehen, durch die warme Motorkühlflüssigkeit geleitet wird.
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Vielfach
wurden auch elektrische Heizungen vorgeschlagen, wobei diese Gruppe
in zwei Untergruppen geteilt werden kann.
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Es
gibt eine Reihe von Ideen, Heizfolien oder ähnliche Heizelemente an der
Außenwand
oder auch in der Batterie selbst anzuordnen und die elektrische Energie
extern zuzuführen,
z. B. bei einem in einer Garage parkenden Fahrzeug aus einem 220
V Netzanschluß.
Hier steht immer genügend
Energie zur Verfügung, so
daß die
Batterie unabhängig
von der Außentemperatur
auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann. Ebenso
ist es möglich,
die Energie aus der Lichtmaschine zu entnehmen, wenn das Fahrzeug
fährt.
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Bei
der zweiten Untergruppe wird die Energie zur Beheizung der Batterie
aus dieser selbst entnommen. Das ist dann erforderlich, wenn das
Fahrzeug auf der Straße
abgestellt ist und keine Möglichkeit
besteht, elektrische Energie von außen zuzuführen. Es wurde bereits vorgeschlagen,
die Batterie thermisch gut zu isolieren und mittels der Selbstheizung
auf einem möglichst
optimalen Temperaturniveau zu halten. Diese Methode ist nur sinnvoll,
wenn das Fahrzeug lediglich ca. 8 bis 15 Stunden steht und auskühlt und
danach das Fahrzeug wieder benutzt wird, d. h. die thermische Isolation
der Batterie muß so
gut sein, daß die
Batterie in diesen ca. 8 bis 15 Stunden durch die Selbstheizung
auf dem gewünschten
Temperaturniveau gehalten werden kann.
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Wenn
das Fahrzeug jedoch mehrere Tage steht, reicht der Energiegehalt
der Batterie nicht aus, um selbst eine gut isolierte Batterie auf
der wünschenswerten
Temperatur zu halten. Es ist für
solche Fälle
notwendig, die Batterie erst dann zu erwärmen, wenn ein Start des Fahrzeugs
vorgesehen ist.
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Es
wurde daher mehrfach vorgeschlagen, die kalte Batterie erst kurz
vor dem Start des Fahrzeugs zu erwärmen. Eine von mehreren Möglichkeiten,
eine Batterie schnell zu erwärmen,
ist ein Wärmeeintrag
am Batterieboden.
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Es
wurde daher in der
DE
100 14 848 C2 vorgeschlagen, die Batterie auf eine elektrisch
beheizbare Wärmeplatte
zu stellen. Steht keine externe elektrische Energiequelle zur Verfügung, muß die Energiereserve
der Batterie zum Aufheizen der Wärmeplatte
genutzt werden. Das kann bei extrem niedriger Temperatur dazu führen, daß die Batterie
einerseits etwas erwärmt
wird, aber andererseits nicht mehr genügend Energie für die Startvorgang
zur Verfügung
steht.
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Daher
wurde nach technischen Lösungen gesucht,
die es ermöglichen,
ohne elektrische Energie die Batterie zu erwärmen. Dazu wird in dem
deutschen GBM G 85 09 842.6 vorgeschlagen,
die Batterie in einen doppelwandigen Behälter zu stellen, dessen Doppelwand
mit einer unterkühlbaren
Latentwärme-Speichermasse gefüllt ist,
wie z. B. mit Natriumacetat-Trihydrat, das eine Enthalpietemperatur
für den Übergang
von der flüssigen
Phase in die feste Phase von 58 Grad aufweist. Weiterhin ist in
der Doppelwand ein Wärmetauscherrohr
vorgesehen, das mit dem Kühlkreislauf
der Brennkraftmaschine verbunden ist. Um die Batterie nicht zu überhitzen,
ist der Kühlkreislauf
abschaltbar ausgebildet. Diese Anordnung ist wegen der erforderlichen
Verbindung mit dem Kühlmittelkreislauf
relativ aufwendig.
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Es
besteht daher die Aufgabe der Erfindung, eine Batterieheizvorrichtung
zu schaffen, die einfach aufgebaut ist. Diese Aufgabe wurde mit
einer Batterieheizvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Zur
Erwärmung
der Batterie wird eine Batterieheizvorrichtung mit einer unterkühlbaren
Latentwärme-Speichermasse
benutzt. Erfindungsgemäß weist
die Batterieheizvorrichtung eine Bewegungsvorrichtung, mit der die
Latentwärme-Speichermasse wahlweise
in Berührungskontakt,
d. h. in Wärmekontakt
mit der Batterie bringbar ist. Die Latentwärme-Speichermasse befindet
sich z. B. in einem flachen Kunststoffbeutel, der auf einer bewegbaren Platte
liegt. Wenn die Batterie erwärmt
werden soll, ist der Kunststoffbeutel in Berührungskontakt mit dem Batterieboden
oder einer Seitenwand. In Abhängigkeit
von der verwendeten Latentwärme-Speichermasse
wird der Wärmebildungsvorgang
mit Mitteln ausgelöst,
die dem Fachmann bekannt sind. Nach der Ableitung der in der Latentwärme-Speichermasse
erzeugten Kristallisationswärme
in die kalte Batterie muß der
Latentwärme-Speichermasse
die abgegebene Energie wieder zugeführt werden. Das erfolgt mit
einer Heizvorrichtung auf eine Temperatur, die von der chemischen
Zusammensetzung der Latentwärme-Speichermasse
bestimmt ist. Um jedoch ein vollständiges Schmelzen der entstandenen
Kristalle zu erreichen, muß eine
Temperatur erzeugt werden, die über
der Temperatur liegt, die bei der Abgabe der Wärmeenergie entstand.
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Das
ist mit energetisch vertretbarem Aufwand nur möglich, in dem die Latentwärme-Speichermasse
von der Batterie entfernt wird. Es reicht aus, wenn die Latentwärme-Speichermasse
nur wenige Millimeter von der Batteriewand oder dem Batterieboden
beabstandet ist, da der Luftspalt eine Wärmeleitung in die Batterie
verhindert, so daß nunmehr die
Latentwärme-Speichermasse
allein erwärmt
werden kann. Es ist auch zu betonen, daß ohne dem erfinderischen Merkmal
der räumlichen
Trennung des Latentwärme-Speichermasse
von der Batterie diese auf eine Temperatur erhitzt werden müßte, die
eine Schädigung
der Elektroden bewirken könnte.
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Nach
Anspruch 2 weist die Bewegungsvorrichtung einen von Hand betätigbaren
Mechanismus ist. Die Batterie kann z. B. an ihren Rändern auf
einer festen Unterlage stehen und befestigt sein. Der überwiegende
Teil des Batteriebodens wird von einer flexiblen Kunststoffhülle berührt, die
die Latentwärme-Speichermasse umschließt. Dieses
Wärmepad liegt
auf einer Platte, die mittels einer Schwenkvorrichtung nach unten
absenkbar ist, so daß z.
B. über die
Betätigung
eines Schwenkhebels ein Absenken des Wärmepads von dem Batterieboden
oder ein Andrücken
erfolgend kann.
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Nach
Anspruch 3 wird die Bewegungsvorrichtung mittels Bimetall-Elemente
betätigt.
Dazu werden die Bimetall-Elemente so angekoppelt, daß der Strom,
der zum Betreiben eines Heizelements genutzt wird, welches das Wärmepad erwärmt, über die
Bimetall-Elemente geleitet wird, die sich so krümmen oder strecken, daß das Wärmepad von
der Batteriewand entfernt wird.
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Nach
Anspruch 4 ist die Latentwärme-Speichermasse
in einem thermisch isolierten Gehäuse angeordnet, wobei die Kontaktfläche zum
Batteriegehäuse
nicht isoliert ist. Dadurch wird erreicht, daß bei der Entnahme und der
Zuführung
von Wärmeenergie die
Energieverluste verringert werden.
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Nach
Anspruch 5 ist die Latentwärme-Speichermasse
mit einem elektrischen Heizelement in Wärmekontakt. Dieses Heizelement
dient dazu, die Latentwärme-Speichermasse wieder
aufzuladen, wenn die Latentwärme-Speichermasse
nicht in Berührungskontakt
mit der Batterie ist.
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Weitere
Maßnahmen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beigefügten
schematischen Zeichnungen.
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1a,
b zeigen je eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Die 1a zeigt
eine Batterie 1, die auf zwei Schienen 2 und 3 steht.
In einem flachen Behälter 4 aus
einem wärmeisolierenden
Kunststoff ist ein Wärmepad 5 eingelegt.
Im vorliegenden Beispiel enthält das
Wärmepad 5 Natriumacetat-Trihydrat. Der Behälter 4 kann
mittels einer schematisch angedeuteten Bewegungsvorrichtung 6 abgesenkt
werden, wie in 2b dargestellt. Unter
dem Wärmepad
ist eine elektrische Heizfolie 7 mit einem Anschlußkabel 8 angeordnet.
Wenn die Batterie 1 erwärmt
werden soll, so wird das Wärmepad 5 aktiviert,
so daß die
gespeicherte Wärmeenergie
durch Auskristallisation des Natriumacetat-Trihydrats frei wird,
d. h. das Wärmepad 5 wird
warm. Da das Wärmepad 5 vollflächig den Boden
der Batterie 1 berührt,
wird die Batterie 1 ebenfalls erwärmt. Es ist klar, daß nach dem
gleichen Prinzip auch eine Seitenwand der Batterie oder mehrer Seitenwände erwärmbar sind.
Um die Auskristallisation rückgängig zu
machen, muß das
Wärmepad auf
ca. 60 Grad erwärmt
werden. Das Natriumacetat-Trihydrat bleibt so lange auf einer Temperatur
von 58 Grad Celsius, bis alle Kristalle geschmolzen sind. Hierbei
muß die
Schmelzwärme
wieder zugeführt werden.
Die Erwärmung
wird mittels der elektrischen Heizfolie 7 durchgeführt. Damit
jedoch die mittels der Heizfolie eingebrachte Wärmeenergie nicht z. T. an die
Batterie abgeleitet wird, ist es erforderlich, den Behälter 4 mittels
der Bewegungsvorrichtung 6 wenige Millimeter abzusenken,
damit das Wärmepad 5 nicht
mehr den Batterieboden berührt.
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Es
ist klar, daß diese
Ausführungsformen durch
einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt
und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese,
nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen
in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.