DE102009000392A1 - Air conditioning electrochemical energy storage by means of adjustable latent heat storage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Klimatisierung elektrochemischer Energiespeicher, umfassend a) einen oder mehrere Kopplungselemente (1), die derart ausgestaltet sind, dass Wärme zwischen einem Kopplungselement (1) und einem elektrochemischen Energiespeicher (9) übertragbar ist; b) einen oder mehrere Latentwärmespeicher, die als Latentwärmespeicher (4, 5, 6) vom Typ Heißspeicher (4), Regelspeicher (5) und/oder Kaltspeicher (6) ausgebildet sind; c) ein oder mehrere Schaltelemente (3), welche derart regelbar ausgebildet sind, das ein Latentwärmespeicher (4, 5, 6) funktional an ein Kopplungselement an- oder abkoppelbar ist; d) wärmeleitende Verbindungen (2), wobei Kopplungselemente (1), Latentwärmespeicher (4, 5, 6), Schaltelemente (3) und wärmeleitende Verbindungen (2) derart funktional miteinander verbunden sind, dass eine Wärmeübertragung zwischen elektrochemischem Energiespeicher (9) und einem oder mehreren Latentwärmespeichern (4, 5, 6) über ein oder mehrere Schaltelemente (3) steuerbar und/oder regelbar ist.The invention relates to a device for conditioning electrochemical energy storage, comprising a) one or more coupling elements (1), which are designed such that heat between a coupling element (1) and an electrochemical energy store (9) is transferable; b) one or more latent heat accumulators which are designed as latent heat accumulators (4, 5, 6) of the type hot accumulator (4), control accumulator (5) and / or cold accumulator (6); c) one or more switching elements (3), which are designed so controllable that a latent heat storage (4, 5, 6) is functionally connected to a coupling element or decoupled; d) heat-conducting connections (2), wherein coupling elements (1), latent heat storage (4, 5, 6), switching elements (3) and heat-conducting compounds (2) are so functionally interconnected that a heat transfer between the electrochemical energy store (9) and a or more latent heat storage (4, 5, 6) via one or more switching elements (3) is controllable and / or regulated.
Description
Stand der TechnikState of the art
Moderne Kraftfahrzeuge werden in ihrem Antriebsstrang zunehmend elektrifiziert. Die Ansätze reichen dabei von unterstützenden Elektrifizierungen, wie bei elektrischen Hybridfahrzeugen (HEV) oder Fahrzeugen mit Brennstoffzellen als Energiespeicher für den Elektroantrieb über extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV) bis hin zu reinen Elektrofahrzeugen (EV). Diese Systeme arbeiten in der Regel mit eigenen Hochspannungsbatterien als Energiequelle zur Fahrzeugtraktion. Ferner nimmt die Zahl der elektrischen Verbraucher in modernen Kraftfahrzeugen unabhängig von der Antriebsart immer mehr zu. Aus diesem Grund werden alternative Bordnetzarchitekturen und neue Energiespeicher gesucht.modern Motor vehicles are increasingly being electrified in their powertrain. The approaches range from supportive ones Electrification, as in hybrid electric vehicles (HEV) or Vehicles with fuel cells as energy storage for the electric drive via externally rechargeable hybrid vehicles (PHEV) to pure electric vehicles (EV). These systems work usually with its own high-voltage batteries as an energy source for vehicle traction. Further, the number of electrical consumers is decreasing in modern motor vehicles regardless of the type of drive more and more. For this reason, alternative on-board network architectures and sought new energy storage.
Auf dem Markt existieren unterschiedliche elektrochemische Energiespeicher oder Akkumulatoren. Gängige Typen sind Blei/Säure-Akkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Nickel/Metall Hydrid-Akkumulatoren, verschiedene Zink-Systeme, und weitere. Alle Systeme zeichnen sich durch elektrochemische Vorgänge aus, die naturgemäß temperaturabhängig sind. Die Leistungsfähigkeit, die Gebrauchsdauer (Alterung), aber auch die Sicherheit eines elektrochemischen Energiepeichers hängen stark von der Temperatur ab.On There are different electrochemical energy stores in the market or accumulators. Common types are lead / acid batteries, lithium-ion batteries, Nickel / metal hydride accumulators, various zinc systems, and Further. All systems are characterized by electrochemical processes from, the nature of temperature-dependent are. The efficiency, the service life (aging), but also the safety of an electrochemical energy storage depend strongly on the temperature.
Alle elektrochemischen Energiespeicher zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur in einem bestimmten Temperaturintervall ihre optimale Leistungsfähigkeit zeigen. Sie erfordern daher eine bedarfsgerechte Klimatisierung.All electrochemical energy storage are characterized in that They only in a certain temperature interval their optimal performance demonstrate. They therefore require a needs-based air conditioning.
Für den Betrieb elektrochemischer Energiespeicher sollen dabei folgende Anforderungen erfüllt werden.For the operation of electrochemical energy storage to the following Requirements are met.
Einerseits soll ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten werden. Bei Temperaturen, die tiefer sind als dieser Temperaturbereich, solche Temperaturen können je nach Energiespeicher bereits bei +10°C beginnen, lässt die Leistungsfähigkeit nach. Beispielsweise bei Hybridfahrzeugen steigt dadurch der Kraftstoffverbrauch, bei Elektrofahrzeugen reduziert sich die Reichweite pro Ladevorgang. Sinken die Temperaturen weiter, kann es sogar zum Totalausfall kommen, da der Elektrolyt gefriert und damit den Akkumulator (Zelle) zerstört (z. B. Blei/Säure-Batterien). Bei Nickel/Metallhydrid-Batterien kann Wasserstoff aufgrund der geringen Einlagerungsfähigkeit im Wirtskristall entweichen und sich eventuell sogar ein kritisches Wasserstoff/Luft-Gemisch bilden, das durch Zuführung von hinreichend Energie (Zündfunke) sogar explodieren kann. Zumindest wird die Kapazität reduziert, und die Gebrauchsdauer deutlich reduziert (erhöhte Alterung). Bei Li-Ionen Akkumulatoren kann die Aufladung aufgrund von Dendritenbildung (interne Kurzschlüsse) zum Sicherheitsrisiko werden.On the one hand Should a certain temperature range be maintained. At temperatures, which are deeper than this temperature range, such temperatures depending on the energy storage already at + 10 ° C start, lessening the efficiency. For example This increases fuel consumption in hybrid vehicles Electric vehicles reduce the range per charge. If temperatures continue to fall, it can even lead to total failure, because the electrolyte freezes and thus destroys the accumulator (cell) (eg lead / acid batteries). For nickel / metal hydride batteries can be hydrogen due to its low storability in the host crystal escape and possibly even a critical Form hydrogen / air mixture by feeding sufficient energy (spark) can even explode. At least the capacity is reduced, and the service life significantly reduced (increased aging). For Li-ion batteries can charge due to dendrite formation (internal short circuits) become a security risk.
Dagegen treten bei Temperaturen, die oberhalb des bestimmten Bereichs liegen, chemische Nebenreaktionen auf, die zu einer erhöhten Alterung und somit zu einer reduzierten Gebrauchsdauer des Energiespeichers führen können. Steigen die Temperaturen weiter, kann es sogar zum Bersten, zu Explosionen oder zu Bränden kommen (Thermal Runaway Effekte – thermischer Teufelskreis).On the other hand occur at temperatures that are above the specified range, chemical side reactions that lead to increased aging and thus lead to a reduced service life of the energy storage can. If temperatures continue to rise, they may even come to bursting, to explosions or to fires (Thermal Runaway effects - thermal vicious circle).
Um einen sicheren, zuverlässigen und dauerhaften Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers gewährleisten zu können, muss die Temperatur daher in einem (je nach elektrochemischem Energiespeicher) bestimmten Temperaturbereich gehalten werden.Around safe, reliable and permanent operation of a to ensure electrochemical energy storage, the temperature must therefore be in one (depending on the electrochemical energy storage) certain temperature range are kept.
Dies wird in heutigen Systemen im Wesentlichen durch eine Klimatisierung mittels gezielter Luftführung oder einem Kühlsystem auf Wasser/Glykol Basis realisiert. Zum Teil wird auch eine separate Klimaanlage eingesetzt.This In today's systems, air conditioning is essentially used by means of targeted airflow or a cooling system realized on water / glycol basis. Partly will be a separate Air conditioning used.
In
Dabei sind die bislang verwendeten Systeme zum einen meist mit einem erhöhten Energieverbrauch verbunden. Zum anderen sind die bekannten Systeme oft nicht in ausreichendem Maße regelbar.there are the systems used so far for a mostly with an increased Energy consumption connected. On the other hand, the known systems often not sufficiently regulated.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere Nachteile des geschilderten Standes der Technik zu vermindern oder zu überwinden.task It is one or more disadvantages of the present invention of the described prior art to reduce or overcome.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Klimatisierung elektrochemischer Energiespeicher, umfassend
- a) einen oder mehrere Kopplungselemente, die derart ausgestaltet sind, dass Wärme zwischen einem Kopplungselement und einem elektrochemischen Energiespeicher übertragbar ist;
- b) einen oder mehrere Latentwärmespeicher, die als Latentwärmespeicher vom Typ Heißspeicher, Regelspeicher und/oder Kaltspeicher ausgebildet sind;
- c) ein oder mehrere Schaltelemente, welche derart regelbar ausgestaltet sind, dass ein Latentwärmespeicher funktional an den Wärmeüberträger an- oder abkoppelbar ist;
- d) wärmeleitende Verbindungen,
- a) one or more coupling elements, which are designed such that heat between a coupling element and an electrochemical energy storage is transferable;
- b) one or more latent heat storage, which are designed as latent heat storage of the type hot storage, rule storage and / or cold storage;
- c) one or more switching elements, which are designed so controllable that a latent heat storage functionally to the heat exchanger can be coupled or disconnected;
- d) thermally conductive compounds,
Für die Zwecke der Erfindung wird unter dem Begriff Wärme sowohl eine Wärmeenergie verstanden, die größer ist als eine vorhandene Wärmeenergie eines bestimmten Empfängers, als auch eine Wärmeenergie, die kleiner ist. Bei einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragung kann also sowohl Wärmeenergie übertragen werden, die zu einer Temperaturzunahme des Empfängers, als auch Wärmeenergie, die zu einer Temperaturabnahme des Empfängers (auch Kälteenergie genannt) führt.For the purposes of the invention is referred to by the term heat both understood a heat energy, the larger is as an existing heat energy of a particular receiver, as well as a heat energy that is smaller. In an inventive Heat transfer can thus transfer heat energy which cause the temperature of the receiver to increase, as well as heat energy, which leads to a temperature decrease of the Receiver (also called cooling energy) leads.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch die über ein oder mehrere Schaltelemente steuerbare und/oder regelbare Kopplung einer oder mehrerer Latentwärmespeichersysteme zur bedarfsgerechten Klimatisierung elektrochemischer Energiespeicher aus. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart mit einem elektrochemischen Energiespeicher verbunden, dass Kopplungselemente eine Wärmeenergie zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und einem oder mehreren Latentwärmespeichern übertragen können, wobei die wärmeleitende Verbindung zwischen Kopplungselementen und Latentwärmespeicher über ein oder mehrere Schaltelemente steuerbar und/oder regelbar und/oder unterbrechbar ausgestaltet ist. Dadurch ist es möglich, einen Latentwärmespeicher zu nutzen, indem dieser nur dann wärmeleitend mit dem elektrochemischen Energiespeicher verbunden ist, wenn der Latentwärmespeicher Wärme aufnehmen oder Wärme abgeben soll. Durch Einsatz und steuer- und/oder regelbare Verschaltung von unterschiedlichen Latentwärmespeichern, die entweder Wärme- oder Kälteenergie aufnehmen und/oder abgeben können, kann ein elektrochemischer Energiespeicher über einen großen Außentemperaturbereich in einem gewünschten Temperaturbereich gehalten werden, bevorzugt einem optimalen Betriebstemperaturbereich. Bei Bedarf werden über entsprechende Schaltelementstellungen entweder Kälteenergie oder Wärmeenergie aus den Latentwärmespeichern zur Klimatisierung des elektrochemischen Energiespeichers bereitgestellt. Die Latentwärmespeicher werden ebenfalls durch entsprechende Schaltelementstellungen zu energetisch günstigen Zeiten mit Wärme- und/oder Kälteenergie aufgeladen, beispielsweise durch Abwärme des elektrochemischen Energiespeichers oder durch Kälte aus der Umgebung oder von einem Wärmetauscher.The inventive device is characterized the controllable via one or more switching elements and / or controllable coupling of one or more latent heat storage systems to meet the needs of air conditioning electrochemical energy storage out. In this case, the device according to the invention connected to an electrochemical energy store such that Coupling a heat energy between the electrochemical Energy storage and one or more latent heat storage transferred can, with the heat-conducting connection between Coupling elements and latent heat storage over one or more switching elements controlled and / or regulated and / or is configured interruptible. This makes it possible to use a latent heat storage by this only then thermally conductive with the electrochemical energy storage is connected when the latent heat storage heat absorb or give off heat. Through use and tax and / or controllable connection of different latent heat storage devices, which absorb either heat or cold energy and / or can give off, an electrochemical energy storage over a large outside temperature range in a desired Temperature range are maintained, preferably an optimum operating temperature range. If necessary, via appropriate switching element positions either cold energy or heat energy from the Latent heat storage for the air conditioning of the electrochemical Energy storage provided. The latent heat storage are also by appropriate switching element positions too energetically favorable times with heat and / or Cooling energy charged, for example, by waste heat the electrochemical energy storage or by cold from the environment or from a heat exchanger.
Durch einen gezielten und über Schaltelemente steuer- und/oder regelbaren Einsatz von Latentwärmespeichern kann der Einsatz teurer und gegebenen falls ineffizienter Temperaturregulationsgeräte vermieden werden. Bislang ungenutzte Verlustwärme des elektrochemischen Energiespeichers kann nun gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt gezielt und regelbar zur Klimatisierung des elektrochemischen Energiespeichers genutzt werden.By a targeted and via switching elements tax and / or Adjustable use of latent heat storage can be the use more expensive and possibly inefficient temperature regulation devices be avoided. Previously unused waste heat of the electrochemical Energy storage can now be saved and used later Timing targeted and adjustable for air conditioning of the electrochemical Energy storage can be used.
Umgekehrt kann auch eine Kühlung eines elektrochemischen Energiespeichers durch Latentwärmespeicher unterstützt werden. Vorhandene Kälteleistung kann in energetisch sinnvollen Zuständen gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt eingesetzt werden. Damit entfällt die Notwendigkeit zusätzliche Energie aufzubringen, um eine Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers zu erlauben. Damit kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einen konventionellen Wärmetauscher verzichtet werden. Weiterhin kann durch einen weiteren Latentwärmspeicher eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers, unabhängig von einem weiter stattfindenden Wärmeeintrag, innerhalb eines gewissen Fensters konstant gehalten werden.Vice versa can also be a cooling of an electrochemical energy storage be supported by latent heat storage. Existing cooling capacity can be energetically meaningful States stored and at a later date be used. This eliminates the need for additional Apply energy to cooling the electrochemical To allow energy storage. This can in the inventive Device can be dispensed with a conventional heat exchanger. Furthermore, by another latent heat storage a temperature of the electrochemical energy storage, independent from a further heat input, within a certain window are kept constant.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Klimatisierung elektrochemischer Energiespeicher. Unter einem elektrochemischen Energiespeicher kann dabei jeder Energiespeicher verstanden werden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichert. Insbesondere sind darunter Akkumulatoren und Batterien zu verstehen. Bevorzugte elektrochemische Energiespeicher sind Brennstoffzellen, insbesondere vom Typ alkalische Brennstoffzelle (AFC), Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC), Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Weitere bevorzugte elektrochemische Energiespeicher sind Akkumulatoren, insbesondere vom Typ Pb – Bleiakku, NiCd – Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku, LiPo – Lithium-Polymer-Akku, LiFe – Lithium-Metall-Akku, Li-Mn – Lithium-Mangan-Akku, LiFePO4 – Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi – Lithium-Titanat-Akku, RAM – Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe – Nickel-Eisen-Akku, Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie-Batterie SCiB – Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku.The device according to the invention is used for air conditioning electrochemical energy storage. Under an electrochemical energy storage can be understood any energy storage that stores energy by means of electrochemical processes. In particular, these include batteries and batteries. Preferred electrochemical energy stores are fuel cells, in particular of the type alkaline fuel cell (AFC), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC) and / or solid oxide fuel cell (SOFC). Further preferred electrochemical energy stores are rechargeable batteries, in particular of the type Pb - lead-acid battery, NiCd-nickel-cadmium rechargeable battery, NiH2 - nickel-hydrogen rechargeable battery, NiMH - nickel-metal hydride rechargeable battery, Li-Ion - lithium-ion rechargeable battery, LiPo - Lithium Polymer Battery, LiFe - Lithium Metal Battery, Li-Mn - Lithium Manganese Battery, LiFePO 4 - Lithium Iron Phosphate Battery, LiTi - Lithium Titanium Battery, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni -Fe - Nickel Iron Battery, Na / NiCl - Sodium Nickel Chloride High Temperature Battery SCiB - Super Charge Ion Battery, Silver Zinc Battery, Silicone Battery, Vanadium Redox Battery and / or Zinc Bromine Battery ,
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen oder mehrere Kopplungselemente auf. Diese Kopplungselemente oder auch Wärmeüberträger dienen einem Wärmeübertrag zwischen Kopplungselement(en) und elektrochemischem Energiespeicher. Mittels eines solchen Wärmeüberträgers kann einem elektrochemischen Energiespeicher Wärmeenergie oder Kälteenergie zugeführt und/oder entnommen werden. Geeignete Kopplungselemente sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere zeichnen sich solche Kopplungselemente dadurch aus, dass sie über eine möglichst große Oberfläche mit dem elektrochemischen Energiespeicher in Kontakt stehen. Bevorzugt bestehen solche Kopplungselemente aus wärmeleitenden Material. Kopplungselemente können ein Wärmeleitmittel aufweisen, welches derart mit einer Oberfläche eines elektrochemischen Energiespeichers in Kontakt gebracht wird, dass ein möglichst effektiver Wärmeaustausch möglich ist. Insbesondere kann ein Kopplungselement eine Leitung umfassen, die in engen Wendeln oder Schlaufen entlang einer Oberfläche eines elektrochemischen Energieüberträgers geführt wird und ein Wärmeleitmittel aufweist. Dabei kann das Wärmeleitmittel des Kopplungselements in Kontakt stehen mit einem Wärmemittel der wärmeleitenden Verbindung. Bevorzugt handelt es sich bei dem Wärmeleitmittel des Kopplungselements und dem Wärmeleitmittel der wärmeleitenden Verbindung um dasselbe Wärmeleitmittel.The device according to the invention has one or more coupling elements. These coupling elements or heat exchangers serve a heat transfer between Kopplungse ele- (en) and electrochemical energy storage. By means of such a heat exchanger can be supplied to an electrochemical energy storage thermal energy or cooling energy and / or removed. Suitable coupling elements are known to the person skilled in the art. In particular, such coupling elements are characterized by the fact that they are in contact with the electrochemical energy store over the largest possible surface area. Preferably, such coupling elements made of thermally conductive material. Coupling elements may have a heat conduction, which is brought into contact with a surface of an electrochemical energy storage such that the most effective heat exchange possible. In particular, a coupling element may comprise a conduit which is guided in tight coils or loops along a surface of an electrochemical energy transmitter and has a heat conducting means. In this case, the heat conducting means of the coupling element can be in contact with a heating means of the heat-conducting connection. The heat-conducting means of the coupling element and the heat-conducting means of the heat-conducting connection are preferably the same heat-conducting means.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen oder mehrere Latentwärmespeicher auf. Die Grundfunktion eines Latentwärmespeichers besteht darin, Wärme aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. Dabei zeichnet sich ein Latentwärmespeicher dadurch aus, dass ein Phasenübergang zwischen einer festen Phase und einer flüssigen Phase bei zunehmendem Wärmeeintrag nicht kontinuierlich verläuft. Die Temperatur eines Latentwärmespeichers im festen Zustand nimmt bei steigendem Wärmeeintrag kontinuierlich zu. Ab einer bestimmten Schwellentemperatur Tschmelz bleibt die Temperatur des Latentwärmespeichers trotz weiter zunehmenden Wärmeeintrags konstant, bis zum vollständigen Schmelzen des Mediums im Latentwärmespeicher, und steigt erst danach wieder weiter an. Geeignete Latentwärmespeicher sind dem Fachmann bekannt und lassen sich in folgende Typen einordnen.The device according to the invention has one or more latent heat storage. The basic function of a latent heat storage is to absorb heat and release it when needed. In this case, a latent heat storage is characterized in that a phase transition between a solid phase and a liquid phase with increasing heat input is not continuous. The temperature of a latent heat storage in the solid state increases continuously with increasing heat input. From a certain threshold temperature T melt , the temperature of the latent heat storage remains constant despite further increasing heat input until complete melting of the medium in the latent heat storage, and only then increases again. Suitable latent heat storage are known in the art and can be classified in the following types.
Heißspeicher:Hot storage:
Hauptaufgabe des Heißspeichers ist es, thermische Energie aus dem elektrochemischen Energiespeicher und gegebenenfalls anderen Wärmequellen zu speichern und bei Bedarf wieder bereitzustellen. Ist der Heißspeicher ausreichend geladen, kann die Wärmeenergie beispielsweise zur Aufrechterhaltung einer Akkumulatortemperatur bei kalten Außentemperaturen oder zum Vorheizen eines elektrochemischen Energiespeichers eingesetzt werden. Für diesen Zweck werden Heißspeicher eingesetzt, die Latentwärmespeicher umfassen, deren Schwellentemperatur Tschmelz höher liegt, als eine optimale Betriebstemperatur des zu klimatisierenden elektrochemischen Energiespeichers.The main task of the hot storage is to store thermal energy from the electrochemical energy storage and possibly other heat sources and provide it again when needed. If the hot storage is sufficiently charged, the heat energy can be used, for example, to maintain a Akkumulator temperature in cold outside temperatures or for preheating an electrochemical energy storage. For this purpose, hot storage are used, the latent heat storage include whose threshold temperature T melt is higher than an optimum operating temperature of the electrochemical energy storage to be conditioned.
Regelspeicher:Rule memory:
Hauptaufgabe eines Latentwärmespeichers vom Typ des Regelspeichers ist es, kleine Temperaturwechsel oder -schwankungen des elektrochemischen Energiespeichers zu dämpfen und/oder auszugleichen. Latentwärmespeicher besitzen innerhalb eines gewissen Wärmeeintragsfensters die Eigenschaft ihre Temperatur konstant zu halten. Ein Regelspeicher nutzt dieses Betriebsfenster, um kleine Akkumulator-Temperaturwechsel zu dämpfen. Für diesen Zweck werden Regelspeicher eingesetzt, die Latentwärmespeicher umfassen, deren Schwellentemperatur Tschmelz identisch ist mit oder in der Nähe liegt zu einer optimale Betriebstemperatur des zu klimatisierenden elektrochemischen Energiespeichers.The main task of a latent heat storage of the type of control memory is to dampen and / or compensate for small temperature changes or fluctuations in the electrochemical energy store. Latent heat storage have within a certain heat input window, the property to keep their temperature constant. A rule memory uses this operating window to dampen small battery temperature changes. For this purpose, control memories are used which include latent heat storage whose threshold temperature T melt is identical to or in the vicinity is at an optimum operating temperature of the electrochemical energy storage to be conditioned.
Kaltspeicher:Cold storage:
Hauptaufgabe eines Latentwärmespeichers vom Typ des Kaltspeichers ist es, Kälteenergie zu speichern und bei Bedarf wieder zur Verfügung zu stellen. In Zeiten, in denen Kälteenergie energieeffizient zur Verfügung steht, nimmt der Kältespeicher diese auf. Dies ist bei Kraftfahrzeugen beispielsweise in Tiefgaragen, Tunnels oder bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten durch Umströmung eines Kühlers der Fall. In Zuständen, in denen eine aktive gegebenenfalls energieaufwendige Kühlung notwendig ist, gibt der geladene Kaltspeicher Kälteenergie wieder ab. Dies kann beispielsweise bei Kraftfahrzeugen dann der Fall sein, wenn Stopphasen durchlaufen werden und/oder bei starker Sonneneinstrahlung, wo andernfalls ein Kühlerlüfter oder die Klimaanlage zugeschaltet werden muss. Für diesen Zweck werden Kaltspeicher eingesetzt, die Latentwärmespeicher umfassen, deren Schwellentemperatur Tschmelz niedriger ist als eine optimale Betriebstemperatur des zu klimatisierenden elektrochemischen Energiespeichers.The main task of a cold storage type latent heat accumulator is to store and, if required, make available cooling energy. In times when cooling energy is available in an energy-efficient way, the cold storage tank absorbs them. This is the case in motor vehicles, for example in underground garages, tunnels or at high vehicle speeds due to the flow around a radiator. In states in which an active, possibly energy-intensive cooling is necessary, the charged cold storage gives off cold energy again. This can for example be the case in motor vehicles when stop phases are run through and / or in strong sunlight, where otherwise a cooling fan or the air conditioning must be switched on. For this purpose, cold storage are used, which include latent heat storage whose threshold temperature T melt is lower than an optimum operating temperature of the electrochemical energy storage to be conditioned.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei Latentwärmespeicher aufweisen, die nicht vom selben Typ sind. Bevorzugt weist die Vorrichtung mindestens einen Heißspeicher und einen Kaltspeicher auf. In einer besonders bevorzugten Variante weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Latentwärmespeicher von jedem der drei Typen auf, also mindestens einen Heißspeicher, einen Regelspeicher und einen Kaltspeicher.Especially the device according to the invention can be at least have two latent heat storage, not the same Type are. Preferably, the device has at least one hot storage and a cold storage on. In a particularly preferred variant has the device according to the invention at least a latent heat storage of each of the three types, So at least one hot storage, a rule memory and a cold storage.
Ein, mehrere oder alle Latentwärmespeicher eines Typs können mit einem eigenständigen, unabhängigen steuer- und/oder regelbaren Schaltelement funktional mit einem Kopplungselement verbunden sein. Die sich dadurch ergebenden Kopplungsmöglichkeiten erlauben eine unterschiedliche, je nach Bedarf einstellbare Dimensionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.One, several or all of the latent heat accumulators of one type can be functionally connected to a separate, independent controllable and / or controllable switching element with a coupling element. The resulting coupling device Possibilities allow a different, depending on the needs adjustable sizing of the device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein oder mehrere Schaltelemente auf. Diese Schaltelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie steuer- und/oder regelbar ausgestaltet sind und je nach Schaltelementstellung einen Latentwärmespeicher funktional wärmeleitend an ein Kopplungselement an- oder abkoppeln. Die Ausgestaltung eines solchen Schaltelements hängt von der Art der verwendeten wärmeleitenden Verbindungen ab, die in der Vorrichtung zum Einsatz kommen und ein Kopplungselement mit einem Latentwärmespeicher verbinden und kann beispielsweise als Ventil ausgebildet sein. Eine solche wärmeleitende Verbindung kann beispielsweise einen wärmeleitenden Feststoff umfassen (z. B. ein Metall) oder auch als Leitung mit einem Wärmeleitmittel in gegebenenfalls flüssiger oder gasförmiger Form ausgebildet sein. Im Falle eines wärmeleitenden Feststoffs kann ein Schaltelement aus einem steuer- und/oder regelbaren Kontaktunterbrecher bestehen. Im Falle eines flüssigen oder gasförmigen Wärmeleitmittels in einem Leitungssystem kann das Schaltelement beispielsweise als steuer- und/oder regelbares Ventil und/oder Durchgangsventil ausgebildet sein.The Device according to the invention has one or more Switching elements on. These switching elements are characterized by that they are configured controllable and / or adjustable and depending on the switching element position a latent heat storage functional heat-conducting connect or disconnect to a coupling element. The design of a such switching element depends on the type of used thermally conductive compounds from that in the device come used and a coupling element with a latent heat storage connect and can be formed for example as a valve. A Such thermally conductive compound may, for example, a thermally conductive solid (eg a metal) or also as a conduit with a heat conduction in optionally be formed liquid or gaseous form. In the case of a thermally conductive solid, a switching element consist of a controllable and / or controllable contact breaker. In the case of a liquid or gaseous heat conduction in a line system, the switching element, for example, as controllable and / or controllable valve and / or through valve formed be.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wärmeleitende Verbindungen auf, die einen oder mehrere Latentwärmespeicher über ein oder mehrere Schaltelemente wärmeleitend mit einem oder mehreren Kopplungselementen verbinden. Damit sind Kopplungselemente, Latentwärmespeicher und dazwischen liegende Schaltelemente derart wärmeleitend miteinander verbunden, dass eine Wärmeübertragung zwischen elektrochemischem Energiespeicher und einem oder mehreren Latentwärmespeicher über ein oder mehrere Schaltelemente bei entsprechender Schaltelementstellung ermöglicht ist. Eine solche wärmeleitende Verbindung kann beispielsweise einen wärmeleitenden Feststoff umfassen (z. B. ein Metall) oder auch als Leitung gefüllt mit einem Wärmeleitmittel in gegebenenfalls flüssiger oder gasförmiger Form ausgebildet sein. Bevorzugt werden wärmeleitende Materialien verwendet mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von > 10 W/(m·K), besonders bevorzugt von > 20 W/(m·K). Eine Kopplung der Latentwärmespeicher mit dem elektrochemischen Energiespeicher bietet sich insbesondere mittels flüssiger Medien an, kann aber beispielsweise auch mit gasförmigen Medien umgesetzt werden (z. B. Luftkühlung mit Klappen und Ventilatoren). In Fällen, in denen flüssige oder gasförmige Wärmeleitmittel verwendet werden, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt weitere Funktionen auf, die einen gerichteten Transport des Wärmeleitmittels in der Vorrichtung erlauben. Insbesondere kann es sich dabei um eine Pumpe handeln, die derart funktional in der Vorrichtung angeordnet ist, dass ein Wärmeleitmittel gerichtet bewegt werden kann.The Device according to the invention has heat-conducting Connections on which one or more latent heat storage over one or more switching elements thermally conductive with a or connect several coupling elements. These are coupling elements, Latent heat storage and intermediate switching elements so heat-conducting connected together that a heat transfer between electrochemical energy storage and one or more Latent heat storage via one or more switching elements is made possible with appropriate switching element position. A Such thermally conductive compound may, for example, a thermally conductive solid (eg a metal) or also as a conduit filled with a heat transfer medium in optionally liquid or gaseous form be educated. Preference is given to thermally conductive materials used with a thermal conductivity λ of> 10 W / (m · K), particularly preferably> 20 W / (m · K). A coupling of latent heat storage in particular with the electrochemical energy store by means of liquid media, but can, for example, with gaseous media are reacted (eg air cooling with flaps and fans). In cases where liquid or gaseous heat transfer agents are used, The device according to the invention is preferred Other features that provide a directed transport of the heat transfer fluid allow in the device. In particular, this may be act a pump so functionally arranged in the device is that a heat conduction can be moved directionally.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Wärmekreislauf ausgebildet. Dabei schließt sich an einen oder mehrere Kopplungselemente ein Kreislauf aus einer wärmeleitenden Verbindung an, in den über Schaltelemente ein oder mehrere Latentwärmespeicher wärmeleitend ein- oder ausgekoppelt werden können. Durch Ein-/Auskoppeln der einzelnen Elemente über Schaltelemente im Wärmekreislauf können die Latentwärmespeicher bedarfsgerecht be- und entladen werden. Durch Weglassen oder Zufügen von weiteren Kopplungen (gegebenenfalls über Schaltelemente) können zusätzliche Teilfunktionen weggelassen oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinzugefügt werden. Eine solche zusätzliche Teilfunktion kann beispielsweise eine Pumpe zur Bewegung des Wärmeleitmittels sein oder ein Wärmetauscher z. B. in Form eines Kühlers. Insbeson dere kann die Vorrichtung zusätzlich einen oder mehrere Wärmetauscher aufweisen, die über ein oder mehrere eigenständige, unabhängig regelbare Schaltelemente mit der Vorrichtung verbunden sind, so dass eine Wärmeübertragung zwischen elektrochemischem Energiespeicher und einem oder mehreren Wärmetauschern regelbar ist.In a preferred embodiment is the inventive Device designed as a heat cycle. It concludes to one or more coupling elements a circuit of a thermally conductive connection, in the on switching elements one or more latent heat storage heat-conducting can be coupled or disconnected. By coupling / uncoupling the individual elements via switching elements in the heating circuit can the latent heat storage needs be loaded and unloaded. By omitting or adding further couplings (possibly via switching elements) additional subfunctions may be omitted or omitted added to the device according to the invention become. Such an additional subfunction can be, for example be a pump for moving the heat conduction or a heat exchanger z. B. in the form of a cooler. In particular, the device can additionally one or have a plurality of heat exchangers, which via a or several independent, independently controllable Switching elements are connected to the device, so that a Heat transfer between electrochemical energy storage and one or more heat exchangers is controllable.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine klimatisierte elektrische Energieversorgungseinheit, die einen elektrochemischen Energiespeicher und eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Bevorzugt können der elektrochemische Energiespeicher und die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.The Invention also relates to an air-conditioned electrical power unit, the an electrochemical energy storage and an inventive Device comprises. Preferably, the electrochemical Energy storage and the device according to the invention be arranged in a common housing.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug” alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Kraftfahrzeug” HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahrzeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die einen elektrochemischen Energiespeicher für die elektrische Energieversorgung einsetzen.The The invention also relates to a motor vehicle which has a Device according to the invention comprises. There are under the term "motor vehicle" all driven Understand vehicles that have an electrochemical energy storage regardless of which drive these vehicles exhibit. In particular, the term "motor vehicle" includes HEV (hybrid electric vehicles), PHEV (plug-in hybrid vehicles), EV (Electric vehicles), fuel cell vehicles, and all vehicles, the an electrochemical energy storage for the electrical Use energy supply.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Schaltungsanordnung zur Klimatisierung elektrochemischer Energiespeicher, wobei ein elektrochemischer Energiespeicher über Schaltelemente zuschaltbar mit einem oder mehreren Latentwärmespeichern vom Typ Heißspeicher und/oder einem oder mehreren Latentwärmespeichern vom Typ Regelspeicher und/oder einem oder mehreren Latentwärmespeichern vom Typ Kaltspeicher und/oder einem oder mehreren Wärmetauschern verbunden ist.The invention also relates to a circuit arrangement for conditioning electrochemical energy storage, wherein an electrochemical energy store can be connected via switching elements with one or more latent heat accumulators of the type hot accumulator and / or one or more latent heat accumulators of the type control reservoir and / or one or more latent heat accumulators of the cold accumulator type and / or or egg one or more heat exchangers is connected.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Klimatisierung eines elektrochemischen Energiespeichers, wobei die Temperaturschwankungen eines elektrochemischen Energiespeichers mindestens teilweise durch gezielte Übertragung von Wärme- oder Kälteenergie zwischen elektrochemischem Energiespeicher und einem oder mehreren Latentenergiespeichern über ein oder mehrere steuer- und/oder regelbare Schaltelemente erfolgt.The The present invention also relates to a method for air conditioning an electrochemical energy store, wherein the temperature fluctuations an electrochemical energy storage at least partially targeted transfer of heat or cold energy between electrochemical energy storage and one or more Latent energy storage via one or more tax and / or adjustable switching elements takes place.
Die erfindungsgemäßen Lösungen bieten viele Vorteile, beispielsweise wird ein Sicherheitsgewinn erzielt, z. B. durch Vermeidung von Explosionen, es wird eine Absicherung gegenüber Unterkühlung des elektrochemischen Energiespeichers erreicht, es wird eine Erhöhung der funktionalen Verfügbarkeit des elektrochemischen Energiespeichers bei Tieftemperaturen erreicht, ebenso wird eine Erhöhung der Temperaturkonstanz erreicht, sowie eine Reduktion der thermischen Alterungseffekte des elektrochemischen Energiespeichers und eine Kosteneinsparung, eine Wirkungsgradverbesserung des elektrochemischen Energiespeichers, eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, ein geringerer Energieaufwand für Klimatisierung, eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, eine verkleinerte Auslegung des elektrochemischen Energiespeichers wird möglich und/oder eine Reduktion der Systemkosten.The Solutions according to the invention offer many Advantages, for example, a security gain is achieved, for. B. by avoiding explosions, it is a hedge against Subcooling of the electrochemical energy storage reaches, There will be an increase in functional availability reaches the electrochemical energy store at cryogenic temperatures, Likewise, an increase in the temperature constancy is achieved and a reduction of the thermal aging effects of the electrochemical Energy storage and cost savings, efficiency improvement the electrochemical energy storage, a reduction of fuel consumption, a lower energy consumption for air conditioning, a Reduction of fuel consumption, a smaller design the electrochemical energy storage is possible and / or a reduction of system costs.
Figurencharacters
Beschreibung ausgewählter Ausführungsformen der ErfindungDescription of selected Embodiments of the invention
In
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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