DE102008024793A1

DE102008024793A1 - Batterietemperierung

Info

Publication number: DE102008024793A1
Application number: DE200810024793
Authority: DE
Inventors: Noureddine Khelifa; Manfred Pfalzgraf
Original assignee: Enerday GmbH
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (10) mit einer temperaturempfindlichen Batterie (18) und einem Brennstoffzellensystem (20). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem (20) ein Temperiersystem (24) für die temperaturempfindliche Batterie betreibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem mit einer temperaturempfindlichen Batterie und einem Brennstoffzellensystem.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperierung einer temperaturempfindlichen Batterie eines Energieversorgungssystems.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Energieversorgungssystem mit einer Batterie und ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie eines Energieversorgungssystems.
Energieversorgungssysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt, sowohl für mobile als auch für stationäre Einheiten. So umfassen Energieversorgungssysteme für Fahrzeuge neben einem Motor in der Regel eine Stromquelle, meist eine Batterie, zur Versorgung der verschiedenen Fahrzeugkomponenten mit elektrischer Energie. Hierzu werden aus Gründen der Platz- und Gewichtsersparnis, die sich auch in einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch niederschlägt, immer häufiger Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Jede Batterie hat eine optimale Betriebstemperatur, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bringen ihre volle Leistung aber in einem nach oben und unten begrenzten Temperaturbereich. Dies macht eine Kontrolle der Betriebstemperatur und insbesondere eine Kühlung und bei sehr niedrigen Außentemperaturen gegebenenfalls auch eine Erwärmung der Fahrzeugbatterie erforderlich. Aber auch ortsfeste Systeme wie beispielsweise Telefonzellen, elektronische Fahrplananzeigen oder Beleuchtungen an Bushaltestellen, Parkscheinautomaten oder Werbetafeln, deren Anzeige elektrisch angetrieben wechselt, können auf ein eigenes Energieversorgungssystem angewiesen sein, das eine Batterie umfasst. Häufig kann auch hier beispielsweise aus Platz- oder Gewichtsgründen ein Vorteil in der Verwendung von kleinen, leichten Hochleistungsbatterien liegen. Aufgeladen werden diese Batterien beispielsweise auch über Sonnenkollektoren.
Es sind Verfahren bekannt, die Kühlung einer Batterie in Abhängigkeit von dem Temperaturverlauf zu regeln, wobei die Batterie in einen Kühlkreislauf eines Fahrzeugs eingebunden wird. Ebenso ist es bekannt, eine Kühlung der Batterie eines Fahrzeugs durch ein Verbinden mit einer Klimaanlage zu ermöglichen, die primär den Fahrgastraum kühlt. So sieht die DE 10 2004 035 879 A1 vor, einen Kühlkreislauf zur Kühlung einer Wärmequelle wie einer Fahzeugbatterie an einen Kältekreislauf zu koppeln, der beispielsweise den Zuluftstrom eines Fahrzeuginnenraumes kühlt. Die DE 101 28 164 A1 zeigt ein Kühlsystem für eine temperaturerhöhende Einrichtung, beispielsweise eine Batterie, mit einem die Einrichtung unter Einbeziehung einer Luftkonditionierung der Fahrgastzelle eines Fahrzeugs dienenden Klimaanlage kühlenden Kühlmittel.
Beschränkt man die Temperierung einer Batterie nicht auf eine passive Kühlung, z. B. durch die Umgebungsluft, müssen alle Temperier- beziehungsweise Klimatisierungssysteme von einer Energiequelle angetrieben werden. Diese kann insbesondere bei einem Fahrzeug ein Verbrennungsmotor sein. In diesem Fall ist eine Temperierung nur möglich, wenn dieser in Betrieb ist. Der Start kann aber wiederum Strom von der Batterie erfordern. Ein Betreiben der Batterietemperierung durch Strom der Batterie ist ebenfalls nachteilig, solange diese nicht durch den Motorbetrieb aufgeladen wird, da die Temperierung ja gerade dann erforderlich ist, wenn die Batterietemperatur in einem Bereich liegt, der keine optimale Leistungsabgabe ermöglicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein effizientes, auch ohne Betreiben eines Verbrennungsmotors verfügbares Energiesystem für mobile oder stationäre Einheiten zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf gattungsgemäßen Energieversorgungssystemen dadurch auf, dass das Brennstoffzellensystem ein Temperiersystem für die temperaturempfindliche Batterie betreibt. Ein Brennstoffzellensystem kann die Energie zum Betreiben eines Temperiersystems liefern, auch wenn beispielsweise bei einem Fahrzeug der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb ist. Dies kann dadurch geschehen, dass ein Temperiersystem durch die elektrische Energie, die von dem Brennstoffzellensystem geliefert wird, angetrieben wird. Zum Anderen kann das Temperiersystem thermisch mit dem Brennstoffzellensystem gekoppelt sein, so dass das Temperiersystem durch thermische Energie der Brennstoffzelle angetrieben wird. Auch eine Kombination der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie ist möglich. Bevor das Brennstoffzellensystem die Energie zur Temperierung der temperaturempfindlichen Batterie liefern kann, ist zu dessen Inbetriebnahme ebenfalls elektrische Energie erforderlich, die von einer separaten, für diese Aufgabe optimal dimensionierten weiteren Batterie geliefert werden kann.
Es ist also möglich, dass eine weitere Batterie zum Starten des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist. Insbesondere bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien, die sich trotz ihres hohen Preises aufgrund ihrer kleinen, leichten Bauweise wachsender Beliebtheit beispielsweise bei Fahr zeugherstellern erfreuen, stellt dies zwar einen relevanten Kostenfaktor dar. Da der Energiebedarf nur zum Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems relativ gering ist, kann aber eine weniger leistungsstarke, vergleichsweise billige Batterie verwendet werden, die bei entsprechender Dimensionierung noch genug Energie liefert, um das Brennstoffzellensystem zu starten. Es ist auch möglich, um die Kosten für eine weitere Batterie zu sparen, statt einer weiteren Batterie die temperaturempfindliche Batterie selbst in der Startphase zum Start des Brennstoffzellensystems vorzusehen.
Es ist vorgesehen, dass die Temperierung der temperaturempfindlichen Batterie in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der temperaturempfindlichen Batterie erfolgt. Jede Batterie hat einen Bereich, in dem die Betriebstemperatur günstig ist, damit die Batterie die optimale Leistung liefert. Die Erfindung beschränkt sich daher keineswegs nur auf die im Folgenden oft als Beispiel angeführten Lithium-Ionen-Batterien. Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt dieser Bereich meist zwischen 25°C und 40°c. Liegt die aktuelle Betriebstemperatur nicht in diesem Bereich, wird die Batterie angetrieben von dem Brennstoffzellensystem temperiert, also entweder abgekühlt oder aufgewärmt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die weitere Batterie in einer Startphase des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der weiteren Batterie durch ein weiteres Temperiersystem temperiert werden kann. Um das Brennstoffzellensystem in Betrieb zu nehmen, ist ebenfalls elektrische Energie erforderlich. Da auch diese eine ungünstige Betriebstemperatur haben kann, wird so ermöglicht, diese Batterie separat zu temperieren. Dabei ist vorgesehen, die weitere Batterie zu temperieren, wenn die Betriebstemperatur außerhalb oder am Rande innerhalb des günstigen Temperaturbereiches liegt. Insbesondere wird die Temperatur reduziert, wenn sie mehr als 40°C beträgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller gesteuert werden kann. Dieser Controller kann den Beginn der Temperierung, also das Abkühlen oder das Aufheizen einer Batterie, beispielsweise schon vor der Inbetriebnahme des mit Energie zu versorgenden Systems veranlassen. Dies kann beispielsweise durch eine Programmierung einer Startzeit durch einen Benutzer oder durch ein Signal von einem Benutzer beispielsweise mit einer Fernbedienung erfolgen.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass das Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht. So kann durch eine „Boosterfunktion” beispielsweise nach langer Standzeit eines Fahrzeugs in großer Hitze eine besonders schnelle Abkühlung ermöglicht werden. Umgekehrt kann bei langer Standzeit in großer Kälte eine besonders schnelle Erwärmung vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das weitere Temperiersystem für die weitere Batterie ein oder mehrere elektrothermische Wandlerelemente umfasst. Dabei kann die elektrothermische Wandlung beispielsweise auf dem Peltier-Effekt beruhen, es sich bei den Wandlerelementen also um sogenannte Peltier-Elemente handeln. Diese er fordern das Zuführen einer geringen Spannung, die aber auch aus einer eingeschränkt leistungsfähigen Batterie bezogen werden kann. Diese Wandlerelemente sind preiswert herzustellen und weit verbreitet. Die Grundlage für den Peltier-Effekt ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau der Leitungsbänder besitzen und bei dem Wärmeenergie aufgenommen wird, damit ein Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt. Dementsprechend wird Wärmeenergie abgegeben, wenn ein Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau fällt. Daher sind Peltier-Elemente insbesondere geeignet, eine Batterie zu temperieren, also entweder zu kühlen oder aufzuwärmen. Dies gilt insbesondere bei einem Fahrzeug nicht nur im Fahrbetrieb, sondern auch im Stand und vor Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors. Die Vorteile des Einsatzes von Peltier-Elementen sind eine sehr dünne und leichte und in Größe anpassbare Bauform (zuschneidbar), eine relative Unanfälligkeit aufgrund fehlender mechanischer Teile (außer eventuelle Lüfter), Gase und Flüssigkeiten, ein an sich geräuschloser Betrieb (außer eventueller Lüfter), die Unanfälligkeit gegenüber Lagewinkeländerungen sowie die vergleichsweise preisgünstige Herstellung gemessen an der Größe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Temperiersystem für die weitere Batterie ein Adsorptionsmedium und ein von dem Medium adsorbierbares Fluid umfasst. Bei einem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Bei dieser Ausführungsform wird ausgenutzt, dass zunächst getrennt und thermisch voneinander isoliert in unterschiedlichen evakuierten Behäl tern oder Kammern vorliegende Substanzen, genauer ein Adsorptionsmedium und ein adsorbierendes Fluid, ein sogenanntes Adsorbat, durch das Öffnen eines Ventils zusammengeführt werden. Das in vor allem flüssiger Form vorliegende Adsorbat, bei dem es sich beispielsweise um Wasser oder Alkohol handeln kann, verdampft im Wesentlichen und wird von dem Adsorptionsmedium adsorbiert. Die bei diesem Prozess frei werdende Verdampfungskälte wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die weitere Batterie zu kühlen. Dabei wird vorzugsweise ein Alumosilikat, besonders bevorzugt ein Zeolith, als Adsorptionsmedium verwendet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass abgesehen von der für das Verbinden der beiden Kammern durch das Öffnen eines Ventils aufzuwendenden Energie prinzipiell keine äußere Energiequelle notwendig ist, um den Kühlprozess ablaufen zu lassen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Temperiersystem für die weitere Batterie unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors oder einer Abwärme des Brennstoffzellensystems gewonnen wird, in einen Zustand versetzt werden kann, aus dem ein Kühlprozess erfolgen kann. Der durch das Adsorptionsmedium hervorgerufene Kühlprozess ist ohne Zuführung von externer Energie irreversibel. Durch die Zuführung von Wärmeenergie kann der Prozess jedoch umgekehrt werden und das Adsorbat im Wesentlichen wieder von dem Adsorptionsmedium getrennt werden. Nach einem Starten des Brennstoffzellensystems steht hierzu Abwärme des Brennstoffzellensystems zur Verfügung. Ebenso steht hierzu, falls ein Verbrennungsmotor vorhanden ist, Energie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors zur Verfügung, nachdem dieser gestartet wurde. Aber auch eine andere Wärmeenergiequelle wie beispielsweise die Sonne kann genutzt werden.
Des Weiteren bildet die Erfindung Verfahren zur Temperierung einer temperaturempfindlichen Batterie eines Energieversorgungssystems dahingehend fort, dass ein Temperiersystem für die temperaturempfindliche Batterie unter Verwendung eines Brennstoffzellensystems betrieben wird.
Auf diese Weise werden die beschriebenen Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachstehend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass eine weitere Batterie zum Starten des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einem Start des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur die weitere Batterie durch ein weiteres Temperiersystem temperiert wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller gesteuert werden kann.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass das Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass dem weiteren Temperiersystem elektrische Energie für eine elektrothermische Wandlung zugeführt wird.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass eine Adsorptionskühlung der weiteren Batterie durch das Zusammenführen eines Adsorptionsmediums und eines von dem Medium adsorbierbaren Fluids erreicht wird.
Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass nach einem Kühlungsprozess unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors oder aus einer Abwärme des Brennstoffzellensystems gewonnen wird, das Adsorptionsmedium und das Fluid im Wesentlichen wieder getrennt werden können.
Jede Batterie hat einen Bereich, in dem die Betriebstemperatur günstig ist, damit die Batterie die optimale Leistung liefert. Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt dieser Bereich beispielsweise meist ungefähr zwischen 25°C und 40°C. Liegt die aktuelle Betriebstemperatur nicht in diesem Bereich, wird die Batterie abgekühlt oder aufgewärmt. Die Erfindung beschränkt sich aber keineswegs nur auf Lithium-Ionen-Batterien.
Die Erfindung baut auf gattungsgemäßen Energieversorgungssystemen mit einer Batterie zum einen dadurch auf, dass ein Temperiersystem für die Batterie ein oder mehrere elektrothermische Wandlerelemente umfasst. Dabei kann die elektrothermische Wandlung beispielsweise auf dem Peltier-Effekt beruhen, es sich bei den Wandlerelementen also um sogenannte Peltier-Elemente handeln. Diese erfordern das Zuführen einer geringen Spannung, die aber auch aus einer eingeschränkt leistungsfähigen Batterie bezogen werden kann. Diese Wandlerelemente sind preiswert herzustellen und weit verbreitet. Die Grundlage für den Peltier-Effekt ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau der Leitungsbänder besitzen und bei dem Wärmeenergie aufgenommen wird, damit ein Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt. Dementsprechend wird Wärmeenergie abgegeben, wenn ein Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau fällt. Daher sind Peltierelemente insbesondere geeignet, eine Batterie zu temperieren, also entweder zu kühlen oder aufzuwärmen. Dies gilt insbesondere bei einem Fahrzeug nicht nur im Fahrbetrieb, sondern auch im Stand und vor Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors. Die Vorteile des Einsatzes von Peltier-Elementen sind eine sehr dünne und leichte und in Größe anpassbare Bauform (zuschneidbar), eine relative Unanfälligkeit aufgrund fehlender mechanischer Teile (außer eventuelle Lüfter), Gase und Flüssigkeiten, ein an sich geräuschloser Betrieb (außer eventuelle Lüfter), die Unanfälligkeit gegenüber Lagewinkeländerungen sowie die vergleichsweise preisgünstige Herstellung gemessen an der Größe.
Die Erfindung baut auf gattungsgemäßen Energieversorgungssystemen mit einer Batterie zum anderen dadurch auf, dass ein Temperiersystem für die Batterie ein Adsorptionsmedium und ein von dem Medium adsorbierbares Fluid umfasst. Bei dieser Ausführungsform wird ausgenutzt, dass bei zunächst getrennt und thermisch voneinander isoliert in unterschiedlichen evakuierten Behältern oder Kammern vorliegende Substanzen, genauer ein Adsorptionsmedium und ein Adsorbat durch das Öffnen eines Ventils zusammengeführt werden. Das in vor allem flüssiger Form vorliegende Adsorbat, bei dem es sich beispielsweise um Wasser oder Alkohol handeln kann, verdampft im Wesentlichen und wird von dem Adsorptionsmedium adsorbiert. Die bei diesem Prozess frei werdende Verdampfungskälte wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die zweite Batterie zu kühlen. Dabei wird vorzugsweise ein Alumosilikat, besonders bevorzugt ein Zeolith, als Adsorptionsmedium verwendet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass abgesehen von der für das Verbinden der beiden Kammern durch das Öffnen eines Ventils aufzuwendenden Energie prinzipiell keine äußere Energiequelle notwendig ist, um den Kühlprozess ablaufen zu lassen.
Besonders bevorzugt ist es, dass das Temperiersystem für die Batterie unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnen wird, in einen Zustand versetzt werden kann, aus dem ein Kühlprozess erfolgen kann. Der durch das Adsorptionsmedium hervorgerufene Kühlprozess ist ohne Zuführung von externer Energie irreversibel. Durch die Zuführung von Wärmeenergie kann der Prozess jedoch umgekehrt werden und das Adsorbat im Wesentlichen wieder von dem Adsorptionsmedium getrennt werden. Hierzu steht bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor Energie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors zur Verfügung, nachdem dieser gestartet wurde. Bei solarbetriebenen Anlagen steht hierzu beispielsweise Sonnenenergie zur Verfügung.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller gesteuert werden kann. Dieser Controller kann den Beginn der Temperierung, also das Abkühlen oder gegebenenfalls das Aufheizen der Batterie, beispielsweise schon vor der Inbetriebnahme des mit Energie zu versorgenden Systems veranlassen. Dies kann beispielsweise durch eine Programmierung einer Startzeit durch einen Benutzer oder durch ein Signal von einem Benutzer beispielsweise mit einer Fernbedienung erfolgen.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass das Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht. So kann durch eine „Boosterfunktion” beispielsweise nach langer Standzeit eines Fahrzeugs in großer Hitze eine besonders schnelle Abkühlung ermöglicht werden. Umgekehrt kann, falls das Temperiersystem dafür ausgelegt ist, bei langer Standzeit in großer Kälte eine besonders schnelle Erwärmung vorgesehen sein.
Des Weiteren bildet ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Temperierung einer Batterie eines Energieversorgungssystems gattungsgemäße Verfahren dahingehend weiter, dass dem Temperiersystem elektrische Energie für eine elektrothermische Wandlung zugeführt wird.
Des Weiteren bildet ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Temperierung einer Batterie eines Energieversorgungssystems gattungsgemäße Verfahren dahingehend weiter, dass eine Kühlung der Batterie durch ein Zusammenführen eines Adsorptionsmediums und eines von dem Medium adsorbierbaren Fluids erreicht wird.
Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems für ein Fahrzeug mit einer Batterie auch im Rahmen von Verfahren angesetzt.
Dies gilt auch für die nachstehend angegebene bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Adsorptionskühlungsverfahrens ist es vorgesehen, dass nach einem Kühlungsprozess unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnen wird, das Adsorptionsmedium und das Fluid im Wesentlichen wieder getrennt werden können.
Vorzugsweise ist bei den beiden vorstehenden Verfahren vorgesehen, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller gesteuert werden kann.
Es wird ebenfalls bei den beiden vorstehenden Verfahren bevorzugt, dass das Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Energieversorgungssystem;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems;
4 eine schematische Darstellung eines diskontinuierlichen Zeolith-Kühlsystems;
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems;
6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems; und
7 eine weitere Darstellung eines diskontinuierlichen Zeolith-Kühlsystems.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 12 mit einem Energieversorgungssystem 10, das neben einem Verbrennungsmotor 16 zur Erzeugung von mechanischer Energie ein Stromversorgungssystem 14 umfasst, das Strom an die Stromverbraucher des Fahrzeugs, beispielsweise Zündkerzen des Verbrennungsmotors 16, abgibt. Die Darstellung der Erfindung in Verbindung mit einem Fahrzeug dient hierbei nur der Veranschaulichung. Prinzipiell kann es sich hier um jede mobile oder stationäre Einheit handeln, die ein erfindungsgemäßes System zur Energieversorgung verwendet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Eine temperaturempfindliche Batterie 18 versorgt die Stromverbraucher des Fahrzeugs, beispielsweise Zündkerzen des Verbrennungsmotors 16, mit Strom. Die Batterie kann beispielsweise ein stark verbreiteter Bleiakkumulator (der Blei, Bleioxid und Schwefelsäure enthält) sein, aber auch andere Bauformen, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, sind möglich. Diese haben gegenüber Bleiakkumulatoren den Vorteil, dass sie kleiner und leichter als Bleiakkumulatoren sind, weswegen ihre Verbreitung in Fahrzeugen zunimmt, obwohl der Preis vergleichsweise hoch ist. Jede Batterie hat einen Temperaturbereich, in dem sie optimal in der Lage ist, ihre Leistung abzugeben. Dies ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien relevant, die meist bei weniger als 40°C und am besten zwischen 25°C und 40°C betrieben werden sollten. Zum Einstellen der Betriebstemperatur wird diese gemessen und die Batterie 18 von einem Temperiersystem 24 gekühlt beziehungsweise gegebenenfalls erwärmt. Das Temperiersystem 24 wird von dem Brennstoffzellensystem 20 angetrieben, indem es mit elektrischer und/oder thermischer Energie versorgt wird. In einer Startphase des Brennstoffzellensystems 20 erfordert dieses ebenfalls eine Zufuhr von elektrischer Energie um Förderpumpe, Gebläse und Kompressor 30 anzutreiben. Der benötigte Strom hierzu wird von einer weiteren Batterie 22 zur Verfügung gestellt. Auch hierbei kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Es kann erforderlich sein, auch diese Batterie in der Startphase des Brennstoffzellensystems, bevor und während dieses die externe Stromzufuhr benötigt, zu kühlen oder zu erwärmen. Dies wird durch ein weiters Temperiersystem 26 durchgeführt, das elektrothermische Wandlerelemente 28 umfasst, vorzugsweise Peltier-Elemente. Diese wandeln elektrischen Strom in thermische Energie oder Kühlen und Erwärmen die weitere Batterie 22. Da der benötigte Strom gering ist, kann dieser von einer der Batterien, beispielsweise von der weiteren Batterie 22 bezogen werden, auch wenn diese sich aufgrund fehlender Temperierung noch nicht auf der optimalen Betriebstemperatur befindet.
Der Beginn der Temperierung kann durch einen Controller 66 gesteuert werden. Dieser Controller 66 kann den Beginn der Temperierung, also das Abkühlen oder das Aufheizen einer Batterie, beispielsweise schon vor der Inbetriebnahme des Fahrzeugs veranlassen. Dazu kann der Benutzer eine Startzeit programmieren oder ein Signal beispielsweise mit einer Fernbedienung geben. Außerdem steht ein Schnelltemperiermodus zur Verfügung. So kann durch diese „Boosterfunktion” beispielsweise nach langer Standzeit eines Fahrzeugs in großer Hitze eine besonders schnelle Abkühlung ermöglicht werden. Umgekehrt kann bei langer Standzeit in großer Kälte eine besonders schnelle Erwärmung vorgesehen sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Es werden die Systemkomponenten beschrieben, die sich von der in 2 dargestellten Ausführungsform unterscheiden. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Temperierung der weiteren Batterie 22 nicht durch ein Temperiersystem mit elektrothermischen Wandlerelementen, sondern durch ein Adsorptionskühlsystem 32, das auf der Grundlage des physikalischen Effekts des Freiwerdens von Adsorptionskälte beim Zusammenführen eines Adsorptionsmediums mit einem Adsorbat thermische Energie freisetzt, mit der die Batterie 22 gekühlt wird. Dieses Prinzip wird auch bei Kühlsystemen zur Selbstkühlung von Bierfässern angewandt. Der Kühlprozess ist diskontinuierlich, das heißt, er beginnt, wenn Adsorptionsmedium und Adsorbat zusammengeführt werden und endet spätestens, wenn das Adsorptionsmedium die maximal adsorbierbare Menge an Adsorbat adsorbiert hat. Um das Kühlsystem wieder in den Zustand zu versetzen, dass erneut ein Kühlprozess durchgeführt werden kann, werden Adsorptionsmedium und Adsorbat unter Zuführung von Wärmeenergie wieder getrennt. Die Wärmeenergie wird in 3 von dem in Betrieb befindlichen Brennstoffzellensystem 20 als Abwärme geliefert. Andere Wärmequellen sind möglich, beispielsweise Abwärme des in Betrieb befindlichen Verbrennungsmotors 16.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines diskontinuierlichen Adsorptions-Kühlsystems 32. Das Adsorptionsme dium 34 befindet sich in einem dichten Vakuumbehälter 36. Als Adsorptionsmedium eignen sich beispielsweise kristalline Alumo-Silikate, insbesondere Zeolithe. Ein aufgrund der Temperatur der Batterie 22 ansteuerbares Ventil 38 trennt eine Verbindung von einem dichten Behälter 42, in dem sich das Adsorbat 40 befindet. Hierzu kann beispielsweise Wasser oder Alkohol verwendet werden. Beide Behälter sind thermisch voneinander isoliert, entweder räumlich oder durch eine Isolationswand oder beides. Nach dem Öffnen des Ventils verdampft das Adsorbat und strömt zum Behälter mit dem Adsorptionsmedium. Die entstehende Verdampfungskälte kühlt die Batterie 22.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Eine Batterie 50 versorgt die Stromverbraucher des Fahrzeugs, beispielsweise Zündkerzen des Verbrennungsmotors 16, mit Strom. Die Batterie kann beispielsweise ein stark verbreiteter Bleiakkumulator (der Blei, Bleioxid und Schwefelsäure enthält) sein, aber auch andere Bauformen, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, sind möglich. Diese haben gegenüber Bleiakkumulatoren den Vorteil, dass sie kleiner und leichter als Bleiakkumulatoren sind, weswegen ihre Verbreitung in Fahrzeugen zunimmt, obwohl der Preis vergleichsweise hoch ist. Jede Batterie hat einen Temperaturbereich, in dem sie optimal in der Lage ist, ihre Leistung abzugeben. Dies ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien relevant, die meist bei weniger als 40°C und am besten zwischen 25°C und 40°C betrieben werden sollten. Zum Einstellen der Betriebstemperatur wird diese gemessen und die Batterie 50 von einem Temperiersystem 46 gekühlt beziehungsweise gegebenenfalls erwärmt. Dieses Temperiersystem 46 umfasst elektrothermische Wandelelemente 48 umfasst, vorzugsweise Peltier-Elemente. Diese wandeln elektrischen Strom in thermische Energie oder Kühlen und Erwärmen die Batterie 50. Da der benötigte Strom gering ist, kann dieser von der Batterie 50 bezogen werden, auch wenn diese sich aufgrund fehlender Temperierung noch nicht auf der optimalen Betriebstemperatur befindet.
Der Beginn der Temperierung kann durch einen Controller 66 gesteuert werden. Dieser Controller 66 kann den Beginn der Temperierung, also das Abkühlen oder das Aufheizen einer Batterie, beispielsweise schon vor der Inbetriebnahme des Fahrzeugs veranlassen. Dazu kann der Benutzer eine Startzeit programmieren oder ein Signal beispielsweise mit einer Fernbedienung geben. Außerdem steht ein Schnelltemperiermodus zur Verfügung. So kann durch diese „Boosterfunktion” beispielsweise nach langer Standzeit eines Fahrzeugs in großer Hitze eine besonders schnelle Abkühlung ermöglicht werden. Umgekehrt kann bei langer Standzeit in großer Kälte eine besonders schnelle Erwärmung vorgesehen sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Temperierung der Batterie 50 nicht durch ein Temperiersystem mit elektrothermischen Wandlerelementen, sondern durch ein Adsorptionskühlsystem 52, das auf der Grundlage des physikalischen Effekts des Freiwerdens von Adsorptionskälte beim Zusammenführen eines Adsorptionsmediums mit einem Adsorbat thermische Energie freisetzt, mit der die Batterie 50 ge kühlt wird. Dieses Prinzip wird auch bei Kühlsystemen zur Selbstkühlung von Bierfässern angewandt. Der Kühlprozess ist diskontinuierlich, das heißt er beginnt, wenn Adsorptionsmedium und Adsorbat zusammengeführt werden und endet spätestens, wenn das Adsorptionsmedium die maximal adsorbierbare Menge an Adsorbat adsorbiert hat. Um das Kühlsystem wieder in den Zustand zu versetzen, dass erneut ein Kühlprozess durchgeführt werden kann, werden Adsorptionsmedium und Adsorbat unter Zuführung von Wärmeenergie wieder getrennt. Diese Wärmeenergie wird in 6 von dem im Betrieb befindlichen Verbrennungsmotor 16 als Abwärme geliefert. Andere Wärmequellen sind möglich.
Der Beginn der Temperierung kann durch einen Controller 66 gesteuert werden. Dieser Controller 66 kann den Beginn der Temperierung, also das Abkühlen oder das Aufheizen einer Batterie, beispielsweise schon vor der Inbetriebnahme des Fahrzeugs veranlassen. Dazu kann der Benutzer eine Startzeit programmieren oder ein Signal beispielsweise mit einer Fernbedienung geben. Außerdem steht ein Schnelltemperiermodus zur Verfügung. So kann durch diese „Boosterfunktion” beispielsweise nach langer Standzeit eines Fahrzeugs in großer Hitze eine besonders schnelle Abkühlung ermöglicht werden. Umgekehrt kann bei langer Standzeit in großer Kälte eine besonders schnelle Erwärmung vorgesehen sein.
7 zeigt eine weitere Darstellung eines diskontinuierlichen Adsorptionskühlsystems 52. Das Adsorptionsmedium 54 befindet sich in einem dichten Vakuumbehälter 56. Als Adsorptionsmedium eignen sich beispielsweise kristalline Alumo-Silikate, insbesondere Zeolithe. Ein aufgrund der Tempe ratur der Batterie 50 ansteuerbares Ventil 58 trennt eine Verbindung von einem evakuierten dichten Behälter 62, in dem sich das Adsorbat 60 befindet. Hierzu kann beispielsweise Wasser oder Alkohol verwendet werden. Beide Behälter sind thermisch voneinander isoliert, entweder räumlich oder durch eine Isolationswand oder beides. Nach dem Öffnen des Ventils verdampft das Adsorbat und strömt zum Behälter mit dem Adsorptionsmedium. Die entstehende Verdampfungskälte kühlt die Batterie 50.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Energieversorgungssystem
12: Fahrzeug
14: Stromversorgungssystem
16: Verbrennungsmotor
18: temperaturempfindliche Batterie
20: Brennstoffzellensystem
22: weitere Batterie
24: Temperiersystem
26: weiteres Temperiersystem
28: elektrothermische Wandlerelemente
30: Förderpumpe, Gebläse/Kompressor
32: Adsorptionskühlsystem
34: Adsorptionsmedium
36: dichter Vakuumbehälter
38: Ventil
40: Adsorbat
42: dichter evakuierter Behälter
44: thermische Isolierung
46: Temperiersystem
48: elektrothermische Wandlerelemente
50: Batterie
52: Adsorptionssystem
54: Adsorptionsmedium
56: dichter Vakuumbehälter
58: Ventil
60: Adsorbat
62: dichter evakuierter Behälter
64: thermische Isolierung
66: Controller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004035879 A1 [0005]
- DE 10128164 A1 [0005]

Claims

Energieversorgungssystem (10) mit einer temperaturempfindlichen Batterie (18) und einem Brennstoffzellensystem (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (20) ein Temperiersystem (24) für die temperaturempfindliche Batterie betreibt.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Batterie (22) zum Starten des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung der temperaturempfindlichen Batterie (18) in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der temperaturempfindlichen Batterie erfolgt.
Energieversorgungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Batterie (22) in einer Startphase des Brennstoffzellensystems (20) in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der weiteren Batterie (22) durch ein weiteres Temperiersystem (26) temperiert werden kann.
Energieversorgungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller (66) gesteuert werden kann.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Temperiersystem (26) für die weitere Batterie (22) ein oder mehrere elektrothermische Wandlerelemente (28) umfasst.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem (32) für die weitere Batterie (22) ein Adsorptionsmedium (34) und ein von dem Medium adsorbierbares Fluid (40) umfasst.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem (32) für die weitere Batterie (22) unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors (16) oder einer Abwärme des Brennstoffzellensystems (20) gewonnen wird, in einen Zustand versetzt werden kann, aus dem ein Kühlprozess erfolgen kann.
Verfahren zur Temperierung einer temperaturempfindlichen Batterie (18) eines Energieversorgungssystems (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperiersystem (24) für die temperaturempfindliche Batterie (18) unter Verwendung eines Brennstoffzellensystems (20) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Batterie (22) zum Starten des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start des Brennstoffzellensystems (20) in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur die weitere Batterie (22) durch ein weiteres Temperiersystem (26) temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller (66) gesteuert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem weiteren Temperiersystem (24) elektrische Energie für eine elektrothermische Wandlung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adsorptionskühlung der weiteren Batterie (22) durch das Zusammenführen eines Adsorptionsmediums (34) und eines von dem Medium adsorbierbaren Fluids (40) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Kühlungsprozess unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors (16) oder aus einer Abwärme des Brennstoffzellensystems (20) gewonnen wird, das Adsorptionsmedium (34) und das Fluid (40) im Wesentlichen wieder getrennt werden können.
Energieversorgungssystem (10) mit einer Batterie (50), dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperiersystem (46) für die Batterie (50) ein oder mehrere elektrothermische Wandlerelemente (48) umfasst.
Energieversorgungssystem (10) mit einer Batterie (50), dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperiersystem (52) für die Batterie (50) ein Adsorptionsmedium (54) und ein von dem Medium adsorbierbares Fluid (60) umfasst.
Energieversorgungssystem (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem (52) für die Batterie (50) unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors (16) gewonnen wird, in einen Zustand versetzt werden kann, aus dem ein Kühlprozess erfolgen kann.
Energieversorgungssystem (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller (66) gesteuert werden kann.
Energieversorgungssystem (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht.
Verfahren zur Temperierung einer Batterie (50) eines Energieversorgungssystems (10), dadurch gekennzeichnet, dass einem Temperiersystem (46) elektrische Energie für eine elektrothermische Wandlung zugeführt wird.
Verfahren zur Temperierung einer Batterie (50) eines Energieversorgungssystems (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung der Batterie (50) durch ein Zusammenführen eines Adsorptionsmediums (54) und eines von dem Medium adsorbierbaren Fluids erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Kühlungsprozess unter Zuführung von Wärmeenergie, die vorzugsweise aus einer Abwärme eines Verbrennungsmotors (16) gewonnen wird, das Adsorptionsmedium (54) und das Fluid (60) im Wesentlichen wieder getrennt werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn der Temperierung durch einen Controller (66) gesteuert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem einen Schnelltemperiermodus vorsieht.