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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung von mindestens einer Batteriezelle.
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Um elektrische Verbraucher mit für einen Betrieb notwendiger elektrischer Energie zu versorgen, können Batterien oder Batteriezellen eingesetzt werden. Batterien können hierbei mehrere Batteriezellen umfassen, die beispielsweise seriell oder parallel geschaltet sind. Ein Hauptproblem bei der Nutzung von Batterien oder Batteriezellen ist, dass diese sich im Betrieb erwärmen. Bei einer zu starken Erwärmung kann sich eine Lebensdauer der Batterien oder Batteriezellen verringern.
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Daher wird in der Regel eine Kühlung der Batteriezellen oder Batterien während einer Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme der Batterien oder Batteriezellen durchgeführt. Auch in anderen technischen Bereichen, z. B. in der Haustechnik oder im Bereich von Kühl- und/oder Gefrierschränken, ist eine Kühlung von zu kühlenden Gegenständen oder räumlichen Bereichen notwendig.
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Für eine Kühlung existieren verschiedene Ansätze. Ein Ansatz ist die so genannte passive Kühlung, wobei bei einer passiven Kühlung keine zusätzliche Energie zur Kühlung aufgebracht werden muss. Ein Beispiel für passive Kühlung ist eine Kühlung durch einen Fahrtwind, der z. B. bei einem fahrenden Kraftfahrzeug vorliegt. Ein weiterer Ansatz ist eine so genannte aktive Kühlung, wobei bei der aktiven Kühlung zusätzliche Energie zur Kühlung aufgebracht werden muss. Ein Beispiel für eine aktive Kühlung ist eine Klimaanlage, die z. B. zur Kühlung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs und/oder von Batteriezellen eines Kraftfahrzeugs dient.
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Eine passive Kühlung ist hierbei nur unter gewissen Voraussetzungen möglich. Beispielsweise ist erforderlich, dass eine Temperatur des Fahrtwindes ausreichend niedrig ist, um eine für die Kühlung erforderliche Wärmeleistung aufnehmen zu können. Auch können durch eine passive Kühlung in der Regel keine großen Kühlleistungen erreicht werden. Ist eine ausschließlich passive Kühlung aufgrund der vorhergehend genannten Nachteile nicht möglich, so wird in der Regel auf eine aktive Kühlung zurückgegriffen. Ein Hauptnachteil der aktiven Kühlung ist, dass hierbei zusätzliche Energie zur Kühlung aufgewendet werden muss.
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Für eine passive Kühlung können u. a. so genannte Wärmerohre (”Heat Pipes”) mit oder ohne Phasenwechsel verwendet werden. Wärmerohre transportieren Wärmeenergie über eine geringe Temperaturdifferenz. Wärmerohre enthalten grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen. Dieses Volumen ist mit einem Arbeitsmedium, z. B. Wasser, gefüllt, wobei des Arbeitsmedium in der Regel zu einem kleinen Teil in flüssigem und zu einem größeren Teil in dampfförmigem Zustand vorliegt. Weiter weist ein Wärmerohr mindestens eine Wärmeaufnahmefläche und eine Wärmeabgabefläche auf, die zumeist an entgegengesetzten Enden des Wärmerohrs angeordnet sind. Bei Wärmeaufnahme mittels der Wärmeaufnahmefläche beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Hierdurch wird über einen Flüssigkeitsspiegel der Druck in einem Dampfraum des Wärmerohrs lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt aufgrund des Druckgefälles in Richtung der Wärmeabgabefläche, die als Kondensator dient. Im Bereich der Wärmeabgabefläche kondensiert der Dampf und gibt dabei die zuvor aufgenommene Wärme wieder ab. Das nun wiederum flüssige Arbeitsmedium kehrt z. B. durch Schwerkraft oder durch Kapillarkraft wieder zurück zur Wärmeaufnahmefläche. Der Kühlprozess mittels Wärmerohren funktioniert hierbei ohne äußeren Energieeintrag und nahezu unabhängig von der Einbaulage.
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Die
EP 1 274 137 B1 offenbart ein Batteriepack. Das Batteriepack umfasst eine Mehrzahl von Zellen, die in Lagen aufeinander gestapelt sind. Weiter umfasst das Batteriepack ein Wärmerohr, dessen Wärmeabschnitt in eine Passkehle eingepasst ist, die in einer Wärmesammelplatte gebildet ist. Weiter umfasst das Batteriepack ein Packungsgehäuse zum Aufnehmen der Zellen, der Wärmesammelplatte und des Wärmerohrs und ein Wärmeabführelement, das an dem Packungsgehäuse angebracht ist, um eine Öffnung des Packungsgehäuses zu schließen. Das Wärmeabführelement weist hierbei an seiner inneren Oberflächenseite eine konkav geformte Aufnahmekehle auf, in die ein Wärmeabführabschnitt des Wärmerohrs eingepasst ist. Ferner weist das Batteriepack eine Wärmesammelplatte auf, die aus einem wellenartigen Metallblech besteht. Die Wärmesammelplatte ist zwischen Lagen der Zellen angeordnet, so dass sie alternativ mit einem Teil einer äußeren Randoberfläche von jeweils oberen und unteren Lagen der Zellen in Kontakt steht.
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Die
DE 74 39 582 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Kühlung oder Erwärmung einer aus Einzelzellen bestehenden Akkumulatorenbatterie, wobei Wärmeleitbleche zwischen den Einzelzellen angeordnet sind. Weiter offenbart die Druckschrift, dass die Wärmeleitbleche als Verdampfer ausgebildet sind, welche überein hermetisch dichtes Rohrsystem mit einem Kondensator gekoppelt sind.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine möglichst energieeffiziente Kühlung eines zu kühlenden Gegenstands, insbesondere einer Batteriezelle, oder eines zu kühlenden Bereichs ermöglichen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Kühlung, wobei die Vorrichtung mindestens ein Wärmerohr umfasst. Die Vorrichtung kann hierbei z. B. zur Kühlung von Batteriezellen einer Batterie dienen. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Kühlung von Batteriezellen einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs dienen. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, die Vorrichtung zur Kühlung z. B. in einem Kühlschrank oder zur Kühlung eines Raumes zu nutzen.
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Das Wärmerohr weist vorzugsweise eine Wärmeaufnahmefläche und eine Wärmeabgabefläche auf. Diese können an entgegengesetzten Enden des Wärmerohres angeordnet sein. Auch kann die Wärmeabgabefläche an einem Ende des Wärmerohres und eine Wärmeaufnahmefläche an mindestens einer Seitenfläche des Wärmerohres angeordnet sein. Auch weitere Anordnungen von Wärmeabgabe- und Wärmeaufnahmeflächen sind denkbar. Das Wärmerohr kann z. B. einen zylindrischen Querschnitt aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere Querschnittsformen möglich.
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Das Wärmerohr ist hierbei als Verdampfer oder Teil eines Verdampfers eines Kühlkreislaufes nutzbar. Der Kühlkreislauf kann z. B. ein Kühlkreislauf einer Klimaanlage, einer Wärme- oder Kältepumpe sein. Der Kühlkreislauf kann weiter mindestens einen Verflüssiger, mindestens einen Verdichter und mindestens eine Drossel zur Entspannung eines Arbeitsmediums des Kühlkreislaufes umfassen.
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Vorzugsweise dient der Kühlkreislauf und die vorgeschlagene Vorrichtung zur Kühlung eines zu kühlenden Gegenstandes oder Bereiches, also beispielsweise einer Batteriezelle, eines Innenraums eines Kühlschranks oder eines Raumes eines Gebäudes. Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Wärmerohr mit dem Kühlkreislauf verbindbar und von dem Kühlkreislauf trennbar. Es ergeben sich somit zwei Betriebszustände der Vorrichtung zur Kühlung. In einem passiven Betriebszustand ist das mindestens eine Wärmerohr von dem Kühlkreislauf getrennt. Getrennt bedeutet hierbei, dass ein Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes nicht durch das mindestens eine Wärmerohr durchströmen, also in das mindestens eine Wärmerohr einströmen und/oder aus dem Wärmerohr in den Kühlkreislauf ausströmen kann. Im passiven Zustand bildet das Wärmerohr ein geschlossenes System.
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In dem passiven Betriebszustand erfolgt eine Kühlung eines zu kühlenden Gegenstandes oder Bereiches, indem das mindestens eine Wärmerohr mittels der mindestens einen Wärmeaufnahmefläche Wärmeenergie aufnimmt und Wärmeenergie mittels der mindestens einen Wärmeabgabefläche abgibt. Hierzu ist die mindestens eine Wärmeaufnahmefläche thermisch mit dem zu kühlenden Gegenstand oder Bereich, also beispielsweise einer Batteriezelle, gekoppelt. Die mindestens eine Wärmeabgabefläche ist hierbei thermisch mit einem Kühlmedium und/oder einem Kühlelement verbunden, welches die von der Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohres abgegebene Wärmeenergie aufnimmt.
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In einem aktiven Zustand ist das mindestens eine Wärmerohr mit dem Kühlkreislauf verbunden. Verbunden bedeutet hierbei, dass ein Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes in das mindestens eine Wärmerohr einströmen und aus dem mindestens einen Wärmerohr in den Kühlkreislauf ausströmen kann. Auch kann ein Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes gleich dem Arbeitsmedium des mindestens einen Wärmerohres sein. Ist das Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes nicht gleich dem Arbeitsmedium des mindestens einen Wärmerohres, so weist das Wärmerohr vorzugsweise mindestens einen Kanal für das Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes auf. Erfindungsgemäß ist dieser Kanal von dem Kühlkreislauf trennbar oder mit dem Kühlkreislauf verbindbar. Weiter ist der Kanal derart in dem mindestens einen Wärmerohr angeordnet, dass kein Austausch zwischen dem Arbeitsmedium des mindestens einen Wärmerohres und einem sich in dem mindestens einen Kanal befindlichen Arbeitsmediums des Kühlkreislaufes stattfindet.
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Im aktiven Betriebszustand strömt das Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes vom Kühlkreislauf über mindestens einen Einlass in das mindestens eine Wärmerohr und über mindestens einen Auslass von dem mindestens einen Wärmerohr in den Kühlkreislauf. Im aktiven Betriebszustand dient das mindestens eine Wärmerohr als Verdampfer. Hierin kann das in das mindestens eine Wärmerohr eingeströmte Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes verdampfen. Die hierzu notwendige Verdampfungsenergie wird der Umgebung entzogen. Somit kühlt das mindestens eine Wärmerohr im aktiven Zustand den zu kühlenden Gegenstand oder Bereich.
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Das mindestens eine Wärmerohr kann hierbei in Abhängigkeit einer Temperatur des mindestens einen Kühlmediums oder Kühlelements und/oder abhängig von einer erforderlichen Kühlleistung der Vorrichtung zur Kühlung und/oder einer zu erwartenden Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes mit dem Kühlkreislauf verbunden oder von dem Kühlkreislauf getrennt werden. Ist z. B. die erforderliche Kühlleistung größer als ein vorbestimmter Schwellwert, so wird der aktive Betriebszustand eingestellt, d. h. das mindestens eine Wärmerohr wird mit dem Kühlkreislauf verbunden. Weist z. B. das Kühlmedium oder das Kühlelement, welches die von der Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohrs abgegebene Wärmeenergie aufnimmt, eine Temperatur auf, die größer als eine vorbestimmte Temperatur ist, so wird ebenfalls ein aktiver Betriebszustand eingestellt. Das Kühlmedium kann beispielsweise Luft sein, die die Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohres anströmt. Ein die Wärmeabgabefläche anströmender Luftstrom kann beispielsweise durch einen Fahrtwind bei einem fahrenden Kraftfahrzeug erzeugt werden.
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Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Kühlung wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, zwischen einer aktiven und passiven Kühlung auszuwählen. Da bei einer passiven Kühlung keine zusätzliche Energie zur Kühlung aufgewendet werden muss, ergibt sich hierdurch in vorteilhafter Weise eine energieeffizientere Kühlung als bei einer rein aktiven Kühlvorrichtung. Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise durch die Verwendung des mindestens einen Wärmerohres als Teil eines Verdampfers eine vorteilhafte bauliche Integration von Bauelementen einer aktiven und einer passiven Kühlung.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Wärmerohr über ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil mit dem Kühlkreislauf verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Druck eines Arbeitsmediums des mindestens einen Wärmerohrs einstellbar. Vorzugsweise ist der Druck des Arbeitsmediums des Wärmerohrs in Abhängigkeit einer Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes oder Bereichs und/oder einer Temperatur des Kühlmediums oder des Kühlelements einstellbar. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass sich ein Aggregatzustand des Arbeitsmediums des mindestens einen Wärmerohres in der Nähe eines Verdampfungspunktes des Arbeitsmediums des mindestens einen Wärmerohres befindet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Druck des Arbeitsmediums mittels eines Kompressors einstellbar. Der Kompressor kann hierbei beispielsweise ein Druckeinstellkolben sein, der in dem Wärmerohr angeordnet oder fluidtechnisch mit dem Wärmerohr verbunden ist. Hierbei stellt der Druckeinstellkolben ausschließlich den Druck des Arbeitsmediums des Wärmerohres ein.
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Ist das Arbeitsmedium des mindestens einen Wärmerohres gleich dem Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes, so kann ein Druck des Arbeitsmediums auch mittels des im Kühlkreislauf angeordneten Verdichters eingestellt werden. Ist das mindestens eine Wärmerohr z. B. über ein Einlassventil mit dem Kühlkreislauf fluidtechnisch verbunden, so wird das Einlassventil geöffnet und mittels des Verdichters ein Druck des Arbeitsmediums im Kühlkreislauf und im mindestens einen Wärmerohr eingestellt. Ist ein gewünschter Druck eingestellt, so kann das Einlassventil wieder geschlossen werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Vorrichtung zur Kühlung keinen weiteren Kompressor als den Verdichter des Kühlkreislaufes umfassen muss.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Wärmerohre als Verdampfer oder Teil des Verdampfers des Kühlkreislaufes nutzbar, wobei die mindestens zwei Wärmerohre gemeinsam mit dem Kühlkreislauf verbindbar und von dem Kühlkreislauf trennbar sind. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einheitliche Verbindung oder Trennung von mehreren Wärmerohren von dem Kühlkreislauf. Alternativ sind die mindestens zwei Wärmerohre individuell mit dem Kühlkreislauf verbindbar und von dem Kühlkreislauf trennbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein aktiver oder passiver Betriebszustand individuell für jedes Wärmerohr einstellbar ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn verschiedene zu kühlende Gegenstände oder Bereiche unterschiedliche Kühlleistungen erfordern. So ist vorstellbar, dass ein erster zu kühlender Gegenstand oder Bereich eine hohe Kühlleistung benötigt und daher aktiv gekühlt wird, während ein zweiter zu kühlender Gegenstand oder Bereich eine geringere Kühlleistung benötigt und damit passiv gekühlt werden kann. Sind die Wärmerohre individuell mit dem Kühlkreislauf verbindbar und von dem Kühlkreislauf trennbar, so kann jedes Wärmerohr über ein Einlass- und Auslassventil mit dem Kühlkreislauf fluidtechnisch verbunden sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mittels mindestens eines Teiles einer Wärmeaufnahmefläche des mindestens einen Wärmerohrs Wärmeenergie mindestens einer Batteriezelle aufnehmbar und mittels mindestens eines Teiles einer Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohres an ein Kühlmedium und/oder Kühlelement übertragbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie oder Batteriezelle verwendet werden kann. Hierbei ist vorstellbar, dass mindestens ein Teil der Wärmeaufnahmefläche des mindestens einen Wärmerohres direkt an einer Batteriezelle, z. B. an einer Außenfläche der Batteriezelle, angeordnet ist. Auch ist vorstellbar, dass die Wärmeaufnahmefläche z. B. über ein thermisches Kopplungselement thermisch mit der Batteriezelle gekoppelt ist. Die Vorrichtung zur Kühlung kann hierbei insbesondere zur aktiven oder passiven Kühlung einer Batteriezelle oder einer Batterie in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Traktionsbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zu verwenden. Das mit dem mindestens einen Teil der Wärmeabgabefläche in thermischer Verbindung stehende Kühlmedium und/oder Kühlelement kann beispielsweise die Außenluft eines Kraftfahrzeuges sein. Hierdurch ist eine Kühlung der Batteriezellen und eine Wärmeabgabe an die Außenluft möglich. Eine hierfür erforderliche Voraussetzung ist, dass die Außenluft kälter ist als die zu kühlende Batteriezelle. Wird z. B. ein Kühlluftstrom zur Kühlung der Wärmeabgabefläche aus einem Fahrtwind eines fahrenden Kraftfahrzeugs generiert, so steigt die mögliche Wärmeabgabe mittels der Wärmeabgabefläche mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Ist eine Temperatur der Außenluft gleich oder größer als eine Temperatur der Batteriezelle, so ist eine Wärmeabgabe mittels der Wärmeabgabefläche an die Außenluft nicht möglich. Daher muss in diesem Fall auf eine aktive Kühlung umgeschaltet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug angeordnet, wobei mindestens ein Teil der Wärmeabgabefläche außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein durch den Fahrtwind generierter Luftstrom als Kühlmedium genutzt werden, an welches die Wärmeabgabefläche Wärmeenergie überträgt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Teil der Wärmeabgabefläche thermisch gegenüber dem Kühlmedium und/oder dem Kühlelement isolierbar. Während die Wärmeabgabefläche im passiven Betriebszustand Wärmeenergie an das Kühlmedium und/oder das Kühlelement überträgt, ist eine derartige Übertragung von Wärmeenergie im aktiven Zustand unerwünscht. Ist z. B. die Wärmeabgabefläche außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet, so würde im aktiven Zustand die Außenluft gekühlt werden. Hierdurch würde sich eine Kühlleistung im aktiven Zustand z. B. im Bezug auf eine Batteriezelle verringern. Durch eine thermische Isolation der Wärmeabgabefläche gegenüber dem Kühlmedium und/oder dem Kühlelement wird somit in vorteilhafter Weise erreicht, dass in einem aktiven Zustand keine unnötige Kühlleistung aufgewendet werden muss. Vorzugsweise ist die Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohres in dem passiven Betriebszustand thermisch mit dem Kühlmedium und/oder Kühlelement gekoppelt und in einem aktiven Betriebszustand von diesem isoliert.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Energieeffizienz im aktiven Betriebszustand.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Kühlung mittels mindestens eines Wärmerohres, wobei mindestens eine Steuer- oder Regeleinheit in Abhängigkeit mindestens einer Temperatur und/oder mindestens einer geforderten Kühlleistung und/oder einer zu erwartenden Temperatur eine Verbindung und Trennung des mindestens einen Wärmerohrs von einem Kühlkreislauf einstellt.
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Es ist z. B. möglich, dass die mindestens eine Steuer- oder Regeleinheit ein Einlass- und/oder Auslassventil des mindestens einen Wärmerohres in Abhängigkeit einer Temperatur eines zu kühlenden Gegenstandes oder Bereiches, beispielsweise einer Batteriezelle, und/oder in Abhängigkeit einer Temperatur eines Kühlmediums und/oder Kühlelements, beispielsweise einer Außenluft eines Fahrzeugs, öffnet oder schließt. Die mindestens eine Steuer- oder Regeleinheit stellt somit den passiven und aktiven Betriebszustand der Vorrichtung zur Kühlung ein. Selbstverständlich ist auch vorstellbar, dass die mindestens eine Steuer- oder Regeleinheit den aktiven oder passiven Zustand in Abhängigkeit weiterer fahrzeugspezifischer Zustandsgrößen, wie z. B. der elektrischen Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe der Batteriezelle, einstellt.
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Die Steuer- oder Regeleinheit kann hierbei auch eine Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes, beispielsweise der Batteriezelle, regeln. Hierbei kann z. B. eine Solltemperatur fest vorgegeben sein. Ist der zu kühlenden Gegenstand eine Batteriezelle, so kann die Temperatur auch in Abhängigkeit z. B. einer Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe der Batteriezelle bestimmt werden. Ein Istwert ist die aktuelle Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes, die z. B. mittels eines Sensors zur Erfassung der Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes erfasst werden kann. Abhängig von einer Regeldifferenz zwischen Sollwert und Istwert stellt die Steuer- oder Regeleinheit den aktiven oder passiven Betriebszustand ein. Insbesondere kann die Steuer- oder Regeleinheit in Abhängigkeit der Regeldifferenz das Ein- und/oder Auslassventil öffnen oder schließen.
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Weiter kann die Steuer- oder Regeleinheit eine Verbindung und Trennung des mindestens einen Wärmerohrs von einem Kühlkreislauf in Abhängigkeit einer zu erwartenden Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes einstellen. Die zu erwartende Temperatur kann hierbei in Abhängigkeit von thermischen Eigenschaften der Vorrichtung zur Kühlung, insbesondere von Totzeiten und/oder Zeitkonstanten im Prozess der Kühlung des zu kühlenden Gegenstands durch das mindestens eine Wärmerohr, und/oder der Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes und/oder weiteren Vorgängen, die eine aktuelle oder eine zukünftige Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes beeinflussen, bestimmt werden. Ist der zu kühlende Gegenstand z. B. eine Batteriezelle, so kann die zu erwartende Temperatur beispielsweise in Abhängigkeit von thermischen Eigenschaften der Vorrichtung zur Kühlung der Batteriezelle und/oder der Temperatur der Batteriezelle und/oder der Leistungsaufnahme oder -abgabe der Batteriezelle bestimmt werden. Alternativ oder kumulativ kann die zu erwartende Temperatur der Batteriezelle in Abhängigkeit einer zu erwartenden Leistungsaufnahme oder -abgabe bestimmt werden. Hierzu können beispielsweise Daten eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Liefert das Navigationssystem z. B. die Information einer bevorstehenden Bergabfahrt, bei der die Batteriezelle geladen wird, so kann beispielsweise ein ladebedingter Anstieg der Temperatur der Batteriezelle vorhergesagt werden.
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Die zu erwartende Temperatur kann hierbei geschätzt oder berechnet werden. Die Schätzung kann hierbei auf Modellen zur Schätzung beruhen. Die Berechnung kann hierbei auf Modellen zur Berechnung, beispielsweise linearen oder nichtlinearen Modellen, beruhen.
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Durch das Verfahren ergibt sich somit in vorteilhafter Weise eine energieeffizientere Kühlung z. B. einer Batteriezelle eines Kraftfahrzeugs.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die mindestens eine Steuer- oder Regeleinheit einen Druck eines Arbeitsmediums des mindestens einen Wärmerohres ein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Aggregatzustand des Arbeitsmediums des mindestens einen Wärmerohres in der Nähe des Verdampfungspunktes des Arbeitsmediums des mindestens einen Wärmerohres liegt, wodurch eine maximale Kühlleistung des mindestens einen Wärmerohres einstellbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt eine Steuer- oder Regeleinheit eine thermische Isolierung zumindest eines Teiles einer Wärmeabgabefläche gegenüber einem Kühlmedium und/oder Kühlelement ein. Hierzu umfasst die Vorrichtung in vorteilhafter Weise eine Isoliereinheit für die Wärmeabgabefläche. Z. B. ist vorstellbar, dass die Isoliereinheit eine thermisch isolierende Kappe ist, mittels derer die Wärmeabgabefläche abdeckbar ist. Hierbei ist eine Stellung der Kappe mittels der mindestens einen Steuer- oder Regeleinheit einstellbar. In einem passiven Betriebszustand deckt z. B. die Kappe die Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohres nicht ab. In einem aktiven Betriebszustand deckt die Kappe die Wärmeabgabefläche des mindestens einen Wärmerohres ab. Eine aktive Verstelleinrichtung kann beispielsweise einen geöffneten oder geschlossenen Zustand der Isoliereinheit, insbesondere der Kappe, einstellen. Auch ist vorstellbar, dass ein geöffneter oder geschlossener Zustand der Isoliereinheit mittels einer passiven Verstelleinrichtung, beispielsweise eines Bimetalls oder einer Formgedächtnislegierung, eingestellt werden kann. Ein Bimetall öffnet und verschließt die Kappe z. B. in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlelements und/oder Kühlmediums, z. B. der Außenluft des Fahrzeugs. Die passive Verstelleinrichtung kann hierfür an der Kappe angeordnet sein.
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Durch eine Isolierung ergibt sich in vorteilhafter Weise eine energieeffizientere Kühlung im aktiven Betriebszustand.
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Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kühlung,
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2 eine schematische Anordnung von Batteriezellen und Wärmerohren und
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3 eine weitere schematische Anordnung von Batteriezellen und Wärmerohren.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen technischen Eigenschaften.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Kühlung mindestens einer Batteriezelle 2. Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei einen Kühlkreislauf. Der Kühlkreislauf umfasst einen Kondensator 3 und einen Verdampfer 4. Weiter umfasst der Kühlkreislauf einen Kompressor 5 und eine Drossel 6. Ein Arbeitsmedium 7 des Kühlkreislaufes ist als Doppellinie dargestellt. Hierbei ist das Arbeitsmedium 7 des Kühlkreislaufes auch das Arbeitsmedium eines Wärmerohres 8. Das nachfolgend als Wärmerohr 8 bezeichnete wärmeaufnehmende Rohr arbeitet dabei je nach Betriebszustand als Wärmerohr oder als Verdampferrohr, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Wärmerohr 8 ist über ein Einlassventil 9 und ein Auslassventil 10 mit dem Kühlkreislauf fluidtechnisch verbunden. Hierbei ist das Wärmerohr 8 fluidtechnisch parallel zum Verdampfer 4 angeordnet. Zur Aufnahme von Wärmeenergie der Batteriezelle 2 weist das Wärmerohr 8 eine Wärmeaufnahmefläche 81 auf. Die Wärmeaufnahmefläche 81 ist hierbei an einer Seitenfläche des Wärmerohres 8 angeordnet und thermisch mit der Batteriezelle 2 gekoppelt. In 1 ist dargestellt, dass das Arbeitsmedium des Wärmerohres 8 an einem oberen Ende des Wärmerohres 8 aus dem Wärmerohr 8 ausströmen kann, während es zwischen dem unteren und dem oberen Ende des Wärmerohres 8 in das Wärmerohr 8 einströmen kann. Hierbei bezieht sich das untere und obere Ende auf eine Lage bezüglich der nichtdargestellten Erdoberfläche. Eine Steuer- oder Regeleinheit 12 regelt das Öffnen und Schließen des Einlassventils 9 und des Auslassventils 10.
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In einem aktiven Betriebszustand öffnet die Steuer- oder Regeleinheit 12 das Einlassventil 9 und das Auslassventil 10. Hierdurch kann das Arbeitsmedium 7 des Kühlkreislaufes parallel zum Verdampfer 4 ebenfalls durch das Wärmerohr 8 strömen. Das Wärmerohr 8 dient im aktiven Betriebszustand ebenfalls als Verdampfer 4 und arbeitet als Verdampferrohr. Eine Kühlung der Batteriezelle 2 erfolgt in diesem Fall mittels der vom Wärmerohr 8 aufgenommenen Verdampfungsenergie.
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In einem passiven Betriebszustand schließt die Steuer- oder Regeleinheit 12 das Einlassventil 9 und das Auslassventil 10. Das Wärmerohr 8 ist somit vom Kühlkreislauf getrennt und arbeitet als passives Wärmerohr. Hierbei findet eine Kühlung der Batteriezelle 2 mittels des Wärmerohrs 8 in einer passiven Art und Weise, d. h. ohne zusätzlichen Energieaufwand, statt. Zur Abgabe der aufgenommenen Wärmeenergie weist dazu das Wärmerohr 8 eine Wärmeabgabefläche 82 auf. In 1 ist weiter eine Fahrzeughülle 11 dargestellt. Die Wärmeabgabefläche 82 ist in einem Außenbereich des nichtdargestellten Fahrzeuges angeordnet und steht thermisch mit einer Außenluft des Kraftfahrzeugs in Verbindung. Die Wärmeabgabefläche 82 ist an einem unteren Ende des Wärmerohres 8 angeordnet. In 1 ist weiterhin dargestellt, dass die Steuer- oder Regeleinheit 12 mit einem Sensor 13 zur Erfassung einer Außentemperatur und mit einem Sensor 13a zur Erfassung der Temperatur der Batteriezelle 2 datentechnisch verbunden ist. Die Steuer- oder Regeleinheit 12 kann hierbei einen aktiven oder passiven Betriebszustand mittels des Einlassventils 9 und des Auslassventils 10 in Abhängigkeit einer vom Sensor 13 und einer vom Sensor 13a erfassten Temperatur einstellen.
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2 zeigt eine erste schematische Anordnung von Batteriezellen 2 und Wärmerohren 8 in einer Vorrichtung 1 zur Kühlung. Hierbei sind Wärmerohre 8 zwischen und neben Batteriezellen 2 angeordnet. Die Wärmerohre 8 sind unterhalb der Batteriezellen 2 in einer Platte 14 zusammengeführt. Die Platte 14 ist über ein Einlassventil 9 und ein Auslassventil 10 mit z. B. dem in 1 dargestellten Kühlkreislauf fluidtechnisch verbunden. Die Wärmerohre 8 weisen jeweils Wärmeaufnahmeflächen 81 auf. Mittels der Wärmeaufnahmeflächen 81 kann Wärmeleistung von den Batteriezellen 2 an die Wärmerohre 8 übertragen werden, wodurch die Batteriezellen 2 gekühlt werden. Die Wärmerohre 8 weisen weiterhin Wärmeabgabeflächen 82 auf, die außerhalb einer Fahrzeughülle 11 angeordnet sind. Die Wärmerohre 8 ragen hierbei aus dem Fahrzeug heraus. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass aus dem Fahrtwind ein Kühlluftstrom erzeugt wird, der die Wärmeabgabeflächen 82 anströmt. Somit ist eine Wärmeübertragung von den Wärmerohren 8 auf den Kühlluftstrom möglich. Weiter zeigt 2 eine thermisch isolierende Kappe 15. Eine Stellung der Kappe 15 kann von einer Verstelleinheit 16, beispielsweise einem Elektromotor, eingestellt werden. Mittels der Kappe 15 sind die aus dem Fahrzeug herausragenden Enden der Wärmerohre 8 abdeckbar und thermisch gegenüber der Außenluft des Fahrzeugs isolierbar. Hierfür kann die Kappe 15 aus thermisch isolierendem Material bestehen. In 2 ist die Kappe 15 in einem halbgeöffneten Zustand dargestellt. Hierbei sind die Wärmeabgabeflächen 82 an den aus dem Fahrzeug herausragenden Enden der Wärmerohre 8 nicht gegenüber der Außenluft thermisch isoliert. Dies ist insbesondere im passiven Betriebszustand, in dem das Einlassventil 9 und das Auslassventil 10 geschlossen sind, erforderlich, um eine Wärmeübertragung von Wärme aus den Wärmerohren 8 an die Außenluft zu ermöglichen. Weiter zeigt 2 einen Druckeinstellkolben 17. Der Druckeinstellkolben 17 ist hierbei mittels einer weiteren Verstelleinheit 18 verstellbar. Mittels des Druckeinstellkolbens 17 kann das Arbeitsmedium 7 der Wärmerohre 8 komprimiert oder entspannt werden.
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3 zeigt eine zweite schematische Anordnung von Batteriezellen 2 und Wärmerohren 8. Hierbei ist z. B. der in 1 dargestellte Kühlkreislauf über ein Einlassventil 9 mit einer unteren Platte 14a fluidtechnisch verbunden. Die untere Platte 14a verbindet hierbei alle Wärmerohre 8 und ist unterhalb der Wärmerohre 8 angeordnet. Eine obere Platte 14b ist oberhalb der Batteriezellen 2 angeordnet und verbindet ebenfalls fluidtechnisch alle Wärmerohre 8. Die obere Platte 14b ist über ein Auslassventil 10 mit dem Kühlkreislauf, der z. B. in 1 dargestellt ist, fluidtechnisch verbunden. Analog zu 2 ragen Enden der Wärmerohre 8 aus dem Fahrzeug heraus, wobei an diesen Enden Wärmeabgabeflächen 82 der Wärmerohre 8 angeordnet sind. In 3 ist dargestellt, dass eine Kappe 15 geschlossen ist und somit die aus dem Fahrzeug herausragenden Enden der Wärmerohre 8 thermisch gegenüber der Außenluft des Fahrzeugs isoliert sind. In 3 ist weiter dargestellt, dass die Kappe 15 im geschlossenen Zustand nicht bündig mit einer Fahrzeughülle 11 anliegt. Selbstverständlich kann die Kappe im geschlossenen Zustand auch bündig an der Fahrzeughülle 11 anliegen. 3 zeigt hierbei die Vorrichtung 1 zur Kühlung im aktiven Betriebszustand, in den die Wärmeabgabeflächen 82 der Wärmerohre 8 vorzugsweise gegenüber dem Kühlmedium, hier der Außenluft des Fahrzeugs, isoliert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Kühlung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Kondensator
- 4
- Verdampfer
- 5
- Kompressor
- 6
- Drossel
- 7
- Arbeitsmedium des Kühlkreislaufes
- 8
- Wärmerohr
- 81
- Wärmeaufnahmefläche
- 82
- Wärmeabgabefläche
- 9
- Einlassventil
- 10
- Auslassventil
- 11
- Fahrzeughülle
- 12
- Steuer- oder Regeleinheit
- 13
- Sensor zur Erfassung der Außentemperatur
- 13a
- Sensor zur Erfassung der Temperatur der Batteriezelle
- 14
- Platte
- 14a
- Platte
- 14b
- Platte
- 15
- Kappe
- 16
- Verstelleinheit
- 17
- Druckeinstellkolben
- 18
- weitere Verstelleinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1274137 B1 [0007]
- DE 7439582 U1 [0008]
