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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Einheit zur Temperierung einer Batterieeinheit, eine Batterieeinheit, eine Vorrichtung zur Temperierung einer Batterieeinheit und ein Verfahren zur Temperierung mindestens einer Batterieeinheit.
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In Hybrid- und Elektrofahrzeugen wird eine notwendige Kühlung einer oder mehrerer Batteriezellen oftmals durch aktive Kühlung mit Luft durchgeführt, wobei die Luft zum Kühlen entweder aus dem Innenraum eines Fahrzeugs und/oder aus der Außenluft entnommen wird. Stammt die Luft zum Kühlen der Batterie aus dem Innenraum des Fahrzeugs, so wird in der Regel eine eigene Klimaanlage mit jeweils einem Gebläse und einem Verdampfer genutzt, um die Temperatur und den Volumenstrom des Luftstroms zum Kühlen der Batteriezellen gezielt und unabhängig voneinander einzustellen.
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Oftmals sind mehrere Batteriezellen zu einer Batterieeinheit zusammengefasst. Das vorhergehend geschilderte Verfahren zur Kühlung einer Batteriezelle mit Luft lässt sich hierbei auch auf zu einer Batterieeinheit zusammengefasste Batteriezellen übertragen.
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Eine Alternative zur Temperierung einer Batteriezelle oder einer Batterieeinheit mit Hilfe von Luft ist eine Temperierung mittels eines so genannten Thermoelements. Ein spezielles Thermoelement ist zum Beispiel das so genannte Peltier-Element. Thermoelemente weisen eine Nutz-Fläche und eine so genannte Waste-Fläche auf. Die Nutz-Fläche dient hierbei zum Kühlen oder Heizen eines mit der Nutz-Fläche in thermischer Verbindung stehenden Elements. Wird die Nutz-Fläche zur Kühlung verwendet, so gibt die Waste-Fläche Wärmeenergie ab. Wird die Nutz-Fläche zum Heizen verwendet, so nimmt die Waste-Fläche Wärmeenergie auf. Thermoelemente bestehen in der Regel aus elektrisch seriell und thermisch parallel angeordneten, verschieden dotierten Halbleiterelementen. Eine Stromrichtung eines durch das Thermoelement fließenden Stromes legt fest, ob die Nutz-Fläche Wärmeenergie aufnimmt oder abgibt. Durch eine gezielte Steuerung der Stromrichtung kann somit eine Kühl- oder Heizwirkung des Thermoelements eingestellt werden.
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Derart ausgestaltete Thermoelemente lassen sich auch zur Kühlung bzw. zur Erwärmung von Batterien verwenden.
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Die
US 7,061,208 B2 offenbart einen Temperaturregulierer zur Regelung einer Temperatur einer Speicherbatterie, wobei der Temperaturregulierer umfasst: einen thermoelektrischen Wandler mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei der thermoelektrische Wandler derart angeordnet ist, dass er wahlweise eine Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme über die erste und zweite Seite oder eine Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme über die zweite und erste Seite durchführen kann; eine Haltevorrichtung für eine Speicherbatterie, wobei die Haltevorrichtung die Speicherbatterie an einer Speicherbatterieposition hält; und einen einen thermischen Austausch beschleunigenden Raum für eine Fluidströmung, wobei der Raum ein den thermischen Austausch beschleunigendes Fluid enthält, welches thermisch mit der zweiten Seite des thermoelektrischen Wandlers gekoppelt ist, wobei das den thermischen Austausch beschleunigende Fluid entweder Kühlflüssigkeit oder Wasser enthält; wobei die erste Seite des thermoelektrischen Wandlers relativ zu der Halterung für die Speicherbatterie derart angeordnet ist, dass die Speicherbatterie thermisch mit der ersten Seite gekoppelt ist, wenn die Speicherbatterie von der Halterung für die Speicherbatterie gehalten wird. Die Druckschrift offenbart weiter, dass die Speicherbatterie in die Halterung für die Speicherbatterie einsetzbar ist.
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Die
US 2006/0060236 A1 offenbart ein System zur Regelung einer Temperatur eines sekundären Batteriemoduls, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, wobei das Gehäuse ausgebildet ist, um eine Vielzahl von Batterien aufzunehmen; ein Wärmeübertragungsglied, welches in Kontakt mit der Vielzahl von Batterien ist, wobei das Wärmeübertragungsglied einen Teil umfasst, der zu einem Kanal für ein Wärmeübertragungsmedium hingeöffnet ist, wobei der Kanal innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; und ein Temperaturregler, wobei der Temperaturregler im Wärmeübertragungsglied montiert ist, wobei der Temperaturregler die Temperatur der Batterien regelt. Weiterhin offenbart die Druckschrift, dass thermoelektrische Elemente mit dem Wärmeübertragungsglied in thermischer Verbindung stehen. In der Druckschrift wird kein direkter thermischer Kontakt zwischen den thermoelektrischen Elementen und dem Batteriemodul offenbart.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2009 005 853 A1 sowie der
JP 2008-47371 A sind jeweils gattungsgemäße thermoelektrische Einheiten zum Kühlen und Heizen einer Batterieeinheit bekannt, wobei die thermoelektrische Einheit mindestens zwei Nutzflächen aufweist, zwischen denen die Batterieeinheit angeordnet ist.
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Es stellt sich das technische Problem, eine thermoelektrische Einheit zum Temperieren einer Batterieeinheit zu schaffen, die eine gleichmäßige und verlustarme Temperierung einer Batteriezelle ermöglicht, wobei einzelne Batteriezellen oder die die Batteriezellen umfassende Batterieeinheit unabhängig von der thermoelektrischen Einheit austauschbar sein können. Weiter stellt sich das technische Problem, eine Batterieeinheit zu schaffen, welche eine gleichmäßige Temperierung einzelner Batteriezellen durch die thermoelektrische Einheit ermöglicht. Des weiteren soll eine entsprechend geeignete Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Temperierung einer Batterieeinheit zur Verfügung gestellt werden. Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6, 10 und 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine thermoelektrische Einheit zur Temperierung mindestens einer Batterieinheit, wobei die thermoelektrische Einheit ein erstes Thermoelement mit einer ersten Nutz- und einer ersten Waste-Fläche umfasst, wobei die thermoelektrische Einheit mindestens eine zweite Nutz-Fläche aufweist, wobei die erste Nutz-Fläche beabstandet von der zweiten Nutz-Fläche angeordnet ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Nutz-Fläche mindestens eine Batteriezelle der Batterieeinheit anordenbar ist. Durch die beiden Nutz-Flächen, zwischen denen die Batteriezelle angeordnet werden kann, ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine gleichmäßigere Temperierung, also ein Kühlen oder Heizen, der Batteriezelle im Vergleich zu einer thermischen Kontaktierung mit nur einer Nutz-Fläche ermöglicht wird. Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein direkter, thermischer Kontakt zwischen der Batteriezelle und beiden Nutz-Flächen vorhanden ist. Hierdurch werden Verluste bei der Wärmeenergieübertragung vermieden, insbesondere weil kein Wärmeübertragungsglied zwischen den Nutz-Flächen und der Batteriezelle angeordnet werden muss. Durch die Anordnung zwischen den beiden Nutz-Flächen ergibt sich weiterhin eine mechanische Halterung, z.B. eine Arretierung oder Fixierung, der Batteriezelle zwischen den beiden Nutz-Flächen. Die beiden Nutzflächen bilden hierbei eine Halterung für die mindestens eine Batteriezelle aus. Vorzugsweise sind die beiden Nutz-Flächen lateral voneinander beabstandet, so dass eine Batteriezelle von oben zwischen die beiden Nutz-Flächen einsetzbar ist. In einem eingesetzten Zustand kommen Seitenflächen der Batteriezelle in thermischen Kontakt mit den beiden Nutz-Flächen. Durch eine solche Anordnung wird die Batteriezelle gleichzeitig gegen seitliches Verschieben bzw. Verrutschen gesichert.
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Dabei weist ein Querschnitt der thermoelektrischen Einheit ein kammförmiges Profil mit mehreren ersten und zweiten Zinken der thermoelektrischen Einheit auf, wobei jeweils die erste Nutz-Fläche am ersten Zinken der thermoelektrischen Einheit und die zweite Nutz-Fläche am zweiten Zinken der thermoelektrischen Einheit angeordnet ist. Es ist z.B. möglich, dass Nutz-Flächen eines oder mehrerer Thermoelemente Seitenflächen des ersten und des zweiten Zinkens der thermoelektrischen Einheit ausbilden. Das kammförmige Profil weist weiter einen Bodenabschnitt der thermoelektrischen Einheit auf. Die Zinken der thermoelektrischen Einheit ragen hierbei senkrecht aus einer Oberfläche des Bodenabschnitts der thermoelektrischen Einheit heraus. Eine Batteriezelle ist hierbei zwischen den Zinken der thermoelektrischen Einheit anordenbar. Wird die Batteriezelle z. B. zwischen die Zinken der thermoelektrischen Einheit eingesetzt, so treten z.B. die Seitenflächen oder Teile der Seitenflächen der Batteriezelle mit zumindest Teilen der Oberfläche der Zinken der thermoelektrischen Einheit in thermische Verbindung. In einem eingesetzten Zustand kontaktiert z. B. eine Stirnfläche der Batteriezelle eine Bodenfläche des Bodenabschnitts der thermoelektrischen Einheit, wobei die Bodenfläche die Fläche des Bodenabschnitts der thermoelektrischen Einheit bezeichnet, die zwischen den Zinken der thermoelektrischen Einheit angeordnet ist.
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Es ist möglich, dass die thermoelektrische Einheit derart in z. B. einem Elektro- oder Hybridfahrzeug angeordnet ist, dass eine Batterieeinheit oder eine Batteriezelle von oben zwischen die Zinken der thermoelektrischen Einheit eingesetzt werden kann. In analoger Weise kann die Batterieeinheit oder die Batteriezelle nach oben aus der thermoelektrischen Einheit entnommen werden. Hierbei verhindern die Zinken der thermoelektrischen Einheit ein seitliches Verschieben oder Verrutschen der Batteriezelle oder der Batterieeinheit. Gleichzeitig verhindert die Bodenfläche der thermoelektrischen Einheit, dass die Batteriezelle oder Batterieeinheit nach unten aus der thermoelektrischen Einheit herausrutschen kann. Die thermoelektrische Einheit bildet hierbei eine Halterung für die Batteriezelle oder Batterieeinheit aus.
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Durch eine Länge der Zinken der thermoelektrischen Einheit wird ein Anteil einer Oberfläche der Batteriezelle oder Batterieeinheit festgelegt, der von Oberflächen der thermoelektrischen Einheit, insbesondere Seitenflächen der Zinken der thermoelektrischen Einheit, thermisch kontaktiert wird. Hierbei ist vorstellbar, dass z. B. eine komplette Batteriezelle zwischen den Zinken der thermoelektrischen Einheit aufnehmbar ist. Alternativ ist vorstellbar, dass eine Batteriezelle nur teilweise zwischen Zinken der thermoelektrischen Einheit aufnehmbar ist.
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Weiter ist möglich, dass auch ein Querschnitt der Batterieeinheit ein kammförmiges Profil aufweist, wobei die Batterieeinheit mindestens einen ersten und einen zweiten Zinken der Batterieeinheit aufweist. Hierbei kann z. B. der erste und/oder der zweite Zinken der Batterieeinheit als Batteriezelle ausgebildet sein oder kann der erste und/oder der zweite Zinken der Batterieeinheit eine Batteriezelle umfassen. Analog zur thermoelektrischen Einheit weist die Batterieeinheit einen Basisabschnitt der Batterieeinheit auf, wobei die Zinken der Batterieeinheit senkrecht aus einer Oberfläche des Basisabschnitts herausragen. Hierbei sind die Zinken der thermoelektrischen Einheit derart voneinander beabstandet auf dem Bodenabschnitt der thermoelektrischen Einheit angeordnet, dass ein Zinken der Batterieeinheit zwischen den Zinken der thermoelektrischen Einheit anordenbar ist. Weiter sind Zinken der Batterieeinheit derart voneinander beabstandet auf dem Basisabschnitt angeordnet, dass zwischen den Zinken der Batterieeinheit ein Zinken der thermoelektrischen Einheit anordenbar ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein verzahntes Ineinandergreifen der Batterieeinheit und der thermoelektrischen Einheit möglich ist. Das verzahnte Ineinandergreifen gewährleistet hierbei ein mechanisches Halten der Batterieeinheit.
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Vorzugsweise liegen hierbei Seitenflächen der Zinken der thermoelektrischen Einheit direkt an Seitenflächen der Zinken der Batterieeinheit an. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise einen direkten thermischen Kontakt zwischen Zinken der thermoelektrischen Einheit und Zinken der Batterieeinheit.
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Beispielsweise kann die zweite Nutz-Fläche von dem ersten Thermoelement oder einem zweiten Thermoelement ausgebildet werden. Da Thermoelemente verschiedene Geometrien aufweisen können, ist es möglich, dass die erste und zweite Nutz-Fläche von einem Thermoelement ausgebildet werden. Hierbei ergibt sich vorteilhaft, dass zur Temperierung z.B. einer Batteriezelle nur eine Stromrichtung eines Stroms durch das Thermoelement eingestellt werden muss. Wird die zweite Nutz-Fläche von einem zweiten Thermoelement ausgebildet, so ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass unterschiedliche Kühl- oder Heizwirkungen auf z.B. unterschiedliche Seiten der Batteriezelle eingestellt werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die thermoelektrische Einheit mindestens einen ersten Waste-Kanalabschnitt und/oder einen zweiten Waste-Kanalabschnitt, wobei der mindestens erste Waste-Kanalabschnitt mit mindestens der ersten Waste-Fläche in thermischer Verbindung steht und/oder der zweite Waste-Kanalabschnitt mit mindestens einer zweiten Waste-Fläche in Verbindung steht, wobei ein Sekundärfluid in dem mindestens ersten Waste-Kanalabschnitt und/oder dem zweiten Waste-Kanalabschnitt führbar ist.
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Die zweite Waste-Fläche ist hierbei der zweiten Nutz-Fläche zugeordnet. Beispielsweise kann die zweite Nutz-Fläche und die zweite Waste-Fläche von einem zweiten Thermoelement ausgebildet werden. Durch eine thermische Verbindung der Waste-Fläche des ersten und/oder zweiten Thermoelements mit einem Kanalabschnitt, in dem ein Sekundärfluid geführt wird, wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte, beispielsweise verstärkte, Kühl- oder Heizwirkung durch die Thermoelemente erreicht. Dient z. B. die Nutz-Fläche zum Kühlen, so gibt die Waste-Fläche Wärmeenergie über die thermische Verbindung an das Sekundärfluid ab. Hierbei wird durch die Nutz-Fläche eine stärkere Kühlwirkung erreicht, je geringer eine Temperatur des Sekundärfluids ist. Das Sekundärfluid ist beispielsweise Luft oder Kühlwasser.
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Weiter ist möglich, dass der erste Kanalabschnitt zu einem ersten Kanal und/oder der zweite Kanalabschnitt zu einem zweiten Kanal gehört. Auch ist möglich, dass der erste Kanalabschnitt und der zweite Kanalabschnitt Abschnitte eines Kanals sind.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiter eine Pumpe für das Sekundärfluid und einen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher Wärmeenergie des Sekundärfluids z. B. an eine Umgebung abgibt. Die Pumpe, der Wärmetauscher und die in thermischer Verbindung mit dem Kanal stehende thermoelektrische Einheit bilden hierbei einen geschlossenen Kreislauf, wobei der Kanal zur Führung des Sekundärfluids dient.
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Vorzugsweise sind die Kanalabschnitte als Abschnitte eines Flachrohrs ausgebildet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass Thermoelemente in einfacher Weise an Außenflächen des Flachrohrs anordenbar sind. Hierbei werden die Thermoelemente derart an den Außenflächen angeordnet, dass Waste-Flächen der Thermoelemente in thermischer Verbindung mit einem in dem Flachrohr führbaren Sekundärfluid stehen und Nutz-Flächen des Thermoelements auf der dem Flachrohr abgewandten Seite des Thermoelements angeordnet sind.
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Weiter kann ein Kanalabschnitt, insbesondere ein Abschnitt eines Flachrohrs, in mehrere Teilkanäle aufgeteilt sein. So ist z. B. vorstellbar, dass ein Flachrohr in drei voneinander getrennte Teilkanäle des Flachrohrs aufgeteilt ist, wobei in jedem Teilkanal ein Sekundärfluid strömen kann. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass unterschiedliche Teilkanäle des Flachrohrs mit z. B. Sekundärfluiden unterschiedlicher Temperaturen durchströmt werden können. Hierdurch lässt sich die Kühl- oder Heizwirkung der an den entsprechenden Abschnitten angeordneten Thermoelementen gezielt einstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind eine Oberfläche oder Teile der Oberfläche des ersten Zinkens der thermoelektrischen Einheit als erste Nutzfläche und eine Oberfläche oder Teile der Oberfläche des zweiten Zinkens der thermoelektrischen Einheit als zweite Nutzfläche ausgebildet sind. Die Oberfläche eines Zinkens der thermoelektrischen Einheit besteht dabei z. B. aus vier Seitenflächen und einer Stirnfläche. Hierbei ist vorstellbar, dass ein Thermoelement derart ausgebildet ist, dass alle vier Seitenflächen und die Stirnfläche des Zinkens der thermoelektrischen Einheit als Nutz-Flächen dieses Thermoelements ausgebildet sind. Auch ist vorstellbar, dass die vier Seitenflächen und die Stirnfläche als Nutz-Flächen mehrerer Thermoelemente ausgebildet sind. Alternativ ist vorstellbar, dass nur Teile der Oberfläche des Zinkens der thermoelektrischen Einheit als Nutz-Flächen eines oder mehrerer Thermoelemente ausgebildet sind. So ist z. B. möglich, dass die Stirnfläche des Zinkens der thermoelektrischen Einheit nicht als Nutz-Fläche ausgebildet ist und/oder nur Teile der Seitenflächen des Zinkens der thermoelektrischen Einheit als Nutz-Fläche des Thermoelements ausgebildet sind. Vorzugsweise sind nur diejenigen Seitenflächen bzw. Teile der Seitenflächen des Zinkens der thermoelektrischen Einheit als Nutz-Fläche eines oder mehrerer Thermoelemente ausgebildet, die in einem eingesetzten Zustand einer Batterieeinheit in einem thermischen Kontakt zu einer Oberfläche oder Teilen der Oberfläche der Batterieeinheit, insbesondere zu Teilen der Oberfläche eines Zinkens der Batterieeinheit, stehen.
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Weiter ist auch vorstellbar, dass die Bodenfläche des Bodenabschnitts der thermoelektrischen Einheit, die im eingesetzten Zustand der Batterieeinheit z.B. in einem thermischen Kontakt mit einer Stirnfläche des Zinkens der Batterieeinheit steht, als Nutz-Fläche eines Thermoelements ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich im eingesetzten Zustand der Batterieeinheit in vorteilhafter Weise eine Temperierung der Batterieeinheit von mindestens drei Seiten.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens erste Waste-Kanalabschnitt in mindestens dem ersten Zinken der thermoelektrischen Einheit und/oder der zweite Waste-Kanalabschnitt in mindestens dem zweiten Zinken der thermoelektrischen Einheit angeordnet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine gute bauliche Integration eines Waste-Kanals zur Führung eines Sekundärfluids in eine thermoelektrische Einheit, deren Querschnitt ein kammförmiges Profil aufweist. In dieser Ausführungsform sind Thermoelemente an Außenflächen des Waste-Kanals angeordnet. Hierbei können die Thermoelemente und der Waste-Kanalabschnitt einen Zinken der thermoelektrischen Einheit ausbilden.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Batterieeinheit, wobei mindestens eine erste Batteriezelle der Batterieeinheit zwischen einer ersten und einer zweiten Nutz-Fläche einer thermoelektrischen Einheit gemäß den vorhergehenden Ausführungen anordenbar ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Batterieeinheit oder die Batteriezelle in die thermoelektrische Einheit einsetzbar ist. Auch ist die Batterieeinheit oder die Batteriezelle aus der thermoelektrischen Einheit entnehmbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Batterieeinheit oder die Batteriezelle austauschbar sind. Dies kann z. B. notwendig sein, um eine größere Reichweite eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu ermöglichen.
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So kann in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eine thermoelektrische Einheit fest angeordnet sein. In diese thermoelektrische Einheit sind eine Batterieeinheit oder eine Batteriezelle einsetzbar und entnehmbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass z.B. entladene oder defekte Batteriezellen oder Batterieeinheiten einfach aus dem Elektro- oder Hybridfahrzeug entnommen und durch intakte oder geladene Batteriezellen oder Batterieeinheiten ersetzt werden können. Da die Halterung der Batteriezelle oder Batterieeinheit durch die thermoelektrische Einheit ausgebildet wird, vereinfacht sich der Austausch der Batteriezellen oder der Batterieeinheit, wobei in einem eingesetzten Zustand der Batteriezelle oder Batterieeinheit eine verbesserte, z.B. gleichmäßigere, Temperierung der Batteriezelle oder der Batterieeinheit gewährleistet werden kann.
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Weiter kann die Batterieeinheit und/oder die thermoelektrische Einheit eine Vorrichtung zur Verriegelung aufweisen, wobei die Vorrichtung zur Verriegelung eine in die thermoelektrische Einheit eingesetzte Batterieeinheit oder Batteriezelle mechanisch fixiert. So ist die Batterieeinheit oder Batteriezelle im eingesetzten und verriegelten Zustand nicht aus der thermoelektrischen Einheit entnehmbar. Um die Batterieeinheit oder Batteriezelle zu entnehmen muss erst die Vorrichtung zur Verriegelung gelöst werden. Die Vorrichtung zur Verriegelung kann hierbei beispielsweise als Riegel oder als eine lösbare Rastverbindung ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Batterieeinheit mindestens eine weitere Batteriezelle, wobei die weitere Batteriezelle zwischen weiteren Nutz-Flächen der thermoelektrischen Einheit anordenbar ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass mehrere Batteriezellen einer Batterieeinheit durch die thermoelektrische Einheit temperiert werden können, wobei die thermoelektrische Einheit gleichzeitig eine Halterung für die mehreren Batteriezellen einer Batterieeinheit ausbildet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist ein Querschnitt der Batterieeinheit ein kammförmiges Profil auf, wobei die Batterieeinheit mindestens einen ersten Zinken der Batterieeinheit aufweist. Wie vorhergehend erläutert, ermöglicht die Ausbildung eines kammförmigen Querschnitts ein verzahntes Ineinandergreifen der Batterieeinheit und der thermoelektrischen Einheit, insbesondere wenn die thermoelektrische Einheit z.B. ebenfalls einen Querschnitt mit einem kammförmigen Profil aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Batteriezellen der Batterieeinheit fest oder lösbar miteinander verbunden. Sind die Batteriezellen fest miteinander verbunden, so ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass alle Batteriezellen der Batterieeinheit gleichzeitig aus der thermoelektrischen Einheit entnommen oder in die thermoelektrische Einheit eingesetzt werden können. Sind z. B. alle Batteriezellen der Batterieeinheit entladen oder defekt, so erspart eine feste Verbindung der Batteriezellen Zeit beim Austausch der Batteriezellen.
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Sind die Batteriezellen lösbar miteinander verbunden, so können einzelne Batteriezellen unabhängig von den weiteren Batteriezellen ausgetauscht werden. Dies ist z. B. vorteilhaft, falls nur eine oder wenige Batteriezellen einer Batterieeinheit defekt oder entladen sind und folglich ausgetauscht werden müssen. In einer speziellen Ausführungsform sind die Batteriezellen lösbar miteinander verbunden, wobei in einem ungelösten Zustand die Batterieeinheit als Ganzes, also alle Batteriezellen gemeinsam, z. B. aus einer thermoelektrischen Einheit entnommen werden können. Jedoch ist es auch möglich, dass die lösbare Verbindung einer Batteriezelle zu den weiteren Batteriezellen gelöst wird, wodurch diese Batteriezelle dann individuell z. B. aus der thermoelektrischen Einheit entnommen werden kann.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Temperierung einer Batterieeinheit, wobei die Vorrichtung mindestens eine thermoelektrische Einheit gemäß den vorhergehenden Ausführungen und eine Batterieeinheit gemäß den vorhergehenden Ausführungen umfasst, wobei mindestens eine Batteriezelle der Batterieeinheit zwischen mindestens zwei Nutz-Flächen der thermoelektrischen Einheit angeordnet ist.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperierung mindestens einer Batterieeinheit mittels einer thermoelektrischen Einheit, wobei mindestens eine Batteriezelle der Batterieinheit zwischen einer ersten und einer zweiten Nutz-Fläche der thermoelektrischen Einheit angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit eine Temperatur der ersten und/oder zweiten Nutz-Fläche einstellt. Hierbei ist vorstellbar, dass eine Temperatur der Batterieeinheit oder Temperaturen einzelner Batteriezellen der Batterieeinheit durch Temperatursensoren erfasst werden. Die erfassten Temperaturen werden dann z. B. datentechnisch an die Steuereinheit übertragen. Die Steuereinheit vergleicht einen vorbestimmten Wert der Temperaturen mit den erfassten und übermittelten Temperaturen und erzeugt aus der Differenz ein Stellsignal für die die Nutz-Flächen ausbildenden Thermoelemente. Hierbei ist vorstellbar, dass die Steuereinheit z. B. die Stromrichtung von Strömen, die durch die einzelnen Thermoelemente fließen, einstellt. Weiter ist vorstellbar, dass die Steuereinheit auch Stromstärken dieser Ströme einstellt.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Steuereinheit eine Temperatur eines Sekundärfluids ein, wobei das Sekundärfluid in mindestens einem ersten und/oder zweiten Waste-Kanalabschnitt strömt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein weiterer Freiheitsgrad bei der Temperierung der Batterieeinheit.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Temperierung einer Batterieeinheit,
- 2 einen schematischen Querschnitt eines Zinkens einer thermoelektrischen Einheit und
- 3 einen Kreislauf eines Sekundärfluids.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung 1 zur Temperierung einer Batterieeinheit 2. Die Vorrichtung 1 umfasst eine thermoelektrische Einheit 3 und die Batterieeinheit 2. Die thermoelektrische Einheit 3 weist im Querschnitt ein kammförmiges Profil auf. Aus einer Oberfläche 4 eines Bodenabschnitts 5 der thermoelektrischen Einheit 3 ragen senkrecht zur Oberfläche 4 des Bodenabschnitts 5 Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 heraus. Die Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 weisen im Querschnitt jeweils zwei Seitenflächen 7 und eine Stirnfläche 8 auf. Abschnitte der Oberfläche 4 des Bodenabschnitts 5, die zwischen den Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 angeordnet sind, werden hierbei als Bodenflächen 9 der thermoelektrischen Einheit 3 bezeichnet. Die Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 sind fest über den Bodenabschnitt 5 miteinander verbunden. Weiter sind die Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 voneinander beabstandet auf dem Bodenabschnitt 5 der thermoelektrischen Einheit 3 angeordnet.
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Die Batterieeinheit 2 weist einen Basisabschnitt 10 und eine Oberfläche 11 des Basisabschnitts 10 der Batterieeinheit 2 auf. Weiter weist die Batterieeinheit 2 Zinken 12 der Batterieeinheit 2 auf. Analog zu den Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 weisen die Zinken 12 der Batterieeinheit 2 im Querschnitt zwei Seitenflächen 13 und eine Stirnfläche 14 der Zinken 12 der Batterieeinheit 2 auf. Die Zinken 12 der Batterieeinheit 2 ragen senkrecht aus der Oberfläche 11 des Basisabschnitts 10 heraus. Abschnitte der Oberfläche 11 des Basisabschnitts 10, die zwischen den Zinken 12 der Batterieeinheit 2 angeordnet sind, werden hierbei als Basisflächen 15 der Batterieeinheit 2 bezeichnet.
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In 1 ist dargestellt, dass die Batterieeinheit 2 von oben in die thermoelektrische Einheit 3 eingesetzt ist. Hierbei sind die Zinken 12 der Batterieeinheit 2 zwischen den Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 angeordnet. Hierbei liegen Seitenflächen 7 der Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 an Seitenflächen 13 der Zinken 12 der Batterieeinheit 2 an. Weiter liegen Stirnflächen 8 der Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 an den Basisflächen 15 der Batterieeinheit 2 an. Weiter liegen Stirnflächen 14 der Zinken 12 der Batterieeinheit 2 an den Bodenflächen 9 der thermoelektrischen Einheit 3 an. Das direkte Anliegen der Seitenflächen 7, 13, der Stirnflächen 8 an den Basisflächen 15 und der Stirnflächen 14 an Bodenflächen 9 ermöglicht eine direkte thermische Verbindung der Batterieeinheit 2 und der thermoelektrischen Einheit 3. Hierbei sei angemerkt, dass aus rein darstellungstechnischen Gründen in 1 Batterieeinheit 2 und thermoelektrische Einheit 3 leicht beabstandet dargestellt sind.
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Die Seitenflächen 7 der thermoelektrischen Einheit sind hierbei Nutz-Flächen 23 eines oder mehrerer Thermoelemente 16, die detailliert in 2 dargestellt sind. Eine Seitenfläche 7a eines ersten Zinkens 6a bildet hierbei eine erste Nutzfläche 23a aus. Eine Seitenfläche 7b eines zweiten Zinkens 6b, der benachbart zu dem ersten Zinken 6a auf dem Bodenabschnitt 5 angeordnet ist, bildet eine zweite Nutzfläche 23b aus. Hierbei ist die Seitenfläche 7b auf der der Seitenfläche 7a des ersten Zinkens 6a zugewandten Seite des zweiten Zinkens 6b angeordnet. Zwischen der ersten und zweiten Nutz-Fläche 23a, 23b ist ein erster Zinken 12a der Batterieeinheit 2 eingesetzt.
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Die Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 umfassen thermoelektrische Elemente 16, die in 2 detailliert dargestellt sind. Hierbei sind die Seitenflächen 7 der Zinken 6 der thermoelektrischen Einheit 3 als Nutz-Flächen 23 der Thermoelemente 16 ausgebildet. Die Zinken 12 der Batterieeinheit 2 sind Batteriezellen der Batterieeinheit 2. Durch den thermischen Kontakt der Seitenflächen 7 mit Seitenflächen 13 der Batteriezellen können die Batteriezellen mittels der Thermoelemente 16 gekühlt oder geheizt werden.
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In 2 ist ein schematischer Querschnitt eines Zinkens 6 einer thermoelektrischen Einheit 3 dargestellt. Der Zinken 6 umfasst ein in der Mitte des Zinkens 6 angeordnetes Flachrohr 17. Das Flachrohr 17 ist in mehrere Teilkanäle des Flachrohrs 17 durch Trennwände 18 aufgeteilt. An Außenflächen des Flachrohrs 17 sind Thermoelemente 16a, 16b angeordnet. Die Thermoelemente 16a, 16b weisen jeweils eine Waste-Seite 19 und eine Nutz-Seite 20 auf. Hierbei liegt eine Waste-Fläche 21 der Waste-Seite 19 direkt an den Außenflächen des Flachrohrs 17 an. Hierdurch wird eine direkte thermische Verbindung zwischen der Waste-Seite 19 und einem in dem Flachrohr 17 strömenden Sekundärfluid 22 ermöglicht. Die Nutz-Fläche 23, 23a der Nutz-Seiten 20 bilden Seitenflächen 7 des Zinkens 6 der thermoelektrischen Einheit 3 aus. Hierbei liegen die Nutz-Flächen 23, 23a direkt an Seitenfläche 13 der Zinken 12 der Batterieeinheit 2 an.
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3 zeigt eine Übersicht eines Kreislaufs eines Sekundärfluids 22. Hierbei strömt das Sekundärfluid 22 aus einer thermoelektrische Einheit 3 einer Vorrichtung 1 zur Temperierung einer Batterieeinheit 2, beispielsweise durch ein Flachrohr 17 eines Zinkens 6 der thermoelektrischen Einheit 3, zu einer Pumpe 24. Durch die Pumpe 24, die das Sekundärfluid 22 fördert, strömt das Sekundärfluid 22 durch einen Wärmetauscher 25. Im Wärmetauscher 25 erfolgt ein Wärmeaustausch des Sekundärfluids 22 , beispielsweise mit einem Außenbereich eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Von dem Wärmeaustauscher 25 strömt das Sekundärfluid 22 wieder zur thermoelektrischen Einheit 3.
