DE102010019187A1

DE102010019187A1 - Batterie und Verfahren zum Temperaturmanagement

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Publication number: DE102010019187A1
Application number: DE201010019187
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Obrist Engineering GmbH
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: DE102010019187B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine wieder aufladbare Niedertemperatur-Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben in einem Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß ist die Niedertemperatur-Batterie mit einer Stromspeicher-Zelle (2) ausgestattet, die in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung (U) isolierten Gehäuse (8) untergebracht ist. Die Batterie weist ferner eine ersten Fluid-Kreislauf (5) auf zum Wärmetransfer zwischen der Stromspeicherzelle (2) und einem ersten Fluid, wobei dem ersten Fluid-Kreislauf ein erster Wärmetauscher (6) zugeordnet ist, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmbar ist, so dass über den ersten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicher-Zelle und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchführbar ist, und wobei der erste Wärmetauscher (6) innerhalb des isolierten Gehäuses (8) angeordnet ist. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Nutzkraftwagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wieder aufladbare Niedertemperatur-Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Temperaturmanagement bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer wieder aufladbaren Niedertemperatur-Batterie.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonderes energieeffizient betreibbare Niedertemperatur-Batterie mit langer Lebensdauer sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Niedertemperatur-Batterie bereitzustellen. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum energieeffizienten und langlebigen Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer Niedertemperatur-Batterie bereitzustellen.
Die Aufgaben werden zum einen durch Bereitstellung einer Niedertemperatur-Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei weist die Batterie eine Stromspeicher-Zelle auf, die in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse untergebracht ist. Ferner weist die Batterie einen ersten Fluid-Kreislauf zum Wärmetransfer zwischen der Stromspeicherzelle und einem ersten Fluid, wobei dem ersten Fluid-Kreislauf ein erster Wärmetauscher zugeordnet ist, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmbar ist, so dass über den ersten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicher-Zelle und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchführbar ist und wobei der erste Wärmetauscher ebenfalls innerhalb des isolierten Gehäuses angeordnet ist. In besonders bevorzugter Weise sind in dem Gehäuse mehrere Lithium-Ionen-Stromspeicher-Zellen vorgesehen, zwischen denen das erste Fluid hindurchströmen kann. Als erstes Fluid kommt insbesondere Wasser in Betracht, das mittels einer elektromotorisch angetriebenen Umwälzpumpe im ersten Fluid-Kreislauf umgewälzt wird. Als zweites Fluid ist bevorzugt ein Kältemittel in Form von R134a, R744 oder dergleichen vorgesehen. Erstes und zweites Fluid durchströmen den ersten Wärmetauscher, der bevorzugt als Verdampfer-Wärmetauscher ausgeführt ist und zur Verdampfung wenigstens eines der Fluide herangezogen wird. Zugleich sind alle wesentlichen Komponenten der Niedertemperatur-Batterie, die mit dem ersten Fluid in Kontakt befindlich sind, gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung geschützt im isolierten Gehäuse untergebracht.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie ein zweites Fluid auf, wobei das zweite Fluid in einem geschlossenen Kältekreislauf umgewälzt und/oder mittels einer Kälteanlage konditioniert und in dem ersten Wärmetauscher verdampft wird. Der geschlossene Kältekreislauf bzw. die Kälteanlage umfassen insbesondere einen Kältemittelkompressor zur mechanischen Verdichtung gasförmigen Kältemittels, einen Kondensator bzw. Gaskühler, eine Drossel sowie den Verdampfer in Form des ersten Wärmetauschers. Der geschlossene Kältekreislauf bzw. die Kälteanlage können strukturell genauso aufgebaut sein, wie eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach DE 10 2007 029 523 A1 , die hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebsverfahrens des Kältemittelkreislaufs vollumfänglich in Bezug genommen wird. Erfindungsgemäß sind die Komponenten Verdichter, Gaskühler und Drossel zusammen mit einem Luftgebläse in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Niedertemperatur-Batterie mehrere Stromspeicher-Zellen mit einer Gesamtmasse von mehr als 30 kg auf, wobei dem Gehäuse ein Wärmedämmelement mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K), insbesondere von weniger als 0,025 W/(m·K), zugeordnet ist. Insbesondere weist das komplette Gehäuse eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K) auf. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die Stromspeicher-Zellen der Batterie auch bei hohen Umgebungstemperaturen um 40°C ohne aktive Kühlung während einer Betriebsphase von ein bis 2 Tagen zwischen 10°C und 30°C zu halten. Die Masse der Stromspeicher-Zellen dient dabei als Kältereservoir, indem sie vor Beginn der Betriebsphase auf 15°C oder weniger, insbesondere auf ca. 10°C gekühlt und während der Betriebsphase mit einer äußeren Wärmeleistung von ca. 10 W bis 30 W erwärmt wird. Bezogen auf eine im Betrieb der Niedertemperatur-Batterie erzeugte Dissipationswärmeleistung soll die Erwärmung aus der Umgebung bei maximal 20 K Temperaturdifferenz durchschnittlich nicht mehr als 10%, in der Spitze nicht mehr als 20% betragen.
Die Aufgaben werden auch durch Bereitstellung eines Verfahrens nach Anspruch 4 gelöst, wobei eine Niedertemperatur-Batterie eine Stromspeicher-Zelle aufweist, die in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse angeordnet ist, wobei während einer Aufladephase der Batterie in einem ersten Verfahrensschritt ein zweites, äußeres Fluid auf eine erste Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur konditioniert wird, in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Fluid über einen Wärmetauscher geleitet wird, über den ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und einem ersten, inneren Fluid erzielt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt das erste, innere Fluid durch die Stromspeicher-Zelle geleitet wird. Mittels des zweiten, äußeren Fluids kann dem ersten, inneren Fluid über den ersten Wärmetauscher Wärme entzogen werden, wobei der Kreislauf des ersten, inneren Fluids vom Kreislauf des zweiten, äußeren Fluids stofflich getrennt ist. Des weiteren ist der erste Wärmetauscher bevorzugt gemeinsam mit der Stromspeicher-Zelle im isolierten Gehäuse angeordnet. In vorteilhafter Weise wird eine Klimatisierung der Stromspeicher-Zelle zeitgleich mit einem Aufladevorgang durchgeführt, so dass für beide Prozesse von außen zuzuführende Energie herangezogen werden kann. Des weiteren kann durch zeitgleiches Klimatisieren eine Erwärmung der Stromspeicher-Zelle begrenzt werden. Erfindungsgemäß erreicht die Niedertemperatur-Batterie so am Ende der Aufladephase bevorzugt ihre niedrigste Temperatur, die einer unteren Betriebstemperatur T₁ entspricht.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Fluid in einem geschlossenen Kältekreislauf einer Kälteanlage umgewälzt und konditioniert, wobei in einem Verfahrensschritt das erste Fluid und die Stromspeicher-Zelle auf eine untere Betriebstemperatur T₁ zwischen +5°C und +15°C, insbesondere auf eine untere Betriebstemperatur T₁ zwischen +8°C und +12°C temperiert werden. Die untere Betriebstemperatur T₁ stellt im wesentlichen die tiefste Betriebstemperatur der Batterie dar und soll erfindungsgemäß vor einem Beginn eines mehrstündigen Entladevorgangs der Batterie erreicht sein. Diese niedrigste Betriebstemperatur soll erfindungsgemäß besonders bevorzugt entweder durch Kühlen des zweiten Fluids (bei Umgebungstemperaturen von über 15°C) oder durch Beheizen des ersten Fluids (bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C) erreicht werden. Ein aktives Beheizen des ersten Fluids von außen kann erfindungsgemäß direkt über eine elektrische Widerstandsheizung oder indirekt über einen Wärmepumpenbetrieb der Kälteanlage und Erwärmung des zweiten Fluids vorgenommen werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase aus der Batterie das zweite Fluid und/oder das erste Fluid nicht oder geringfügig aktiv umgewälzt, so dass die Stromspeicher-Zelle während der Stromentnahme-Phase im wesentlichen durch interne Dissipation um bis zu 20 K aufgeheizt wird, wobei das isolierte Gehäuse eine Temperaturänderung durch Umgebungseinflüsse im wesentlichen verhindert. Dabei dient die Masse der Stromspeicher-Zellen innerhalb des isolierenden Gehäuses zusammen mit der langsam strömenden Masse des ersten Fluids als Kältereservoir mit einer mittleren Wärmekapazität von 1200 J/kg·K bis 1600 J/kg·K. Bevorzugt wird das zweite Fluid nicht umgewälzt, während das erste Fluid mit einem Massenstrom von weniger als 10 kg/h gepumpt wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase das erste Fluid mittels einer Umwälzpumpe bewegt und/oder mittels einer Verlustwärmeheizung erwärmt, wobei insbesondere die Umwälzpumpe als Verlustwärmeheizung dient und/oder das zweite Fluid mittels der Kälteanlage beheizt wird. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen von –10°C bis –40°C werden während der Stromentnahme-Phase zunächst die innere Dissipationswärme und optional eine Verlustwärmeheizung in Form einer elektrischen Widerstandsheizung zur Erwärmung des ersten Fluids verwendet. Als elektrische Widerstandsheizung kann die Umwälzpumpe des ersten Fluids genutzt werden, indem diese in einem Betriebszustand mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird. Weiter optional wird der Kältekreislauf des zweiten Fluids während einer Stromentnahme-Phase als Wärmepumpe zur Beheizung des zweiten Fluids betrieben.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden während einer mehrstündigen Aufladephase das erste Fluid und das zweite Fluid umgewälzt und derart konditioniert, dass das erste Fluid und die Stromspeicher-Zelle auf eine untere Betriebstemperatur T₁ zwischen +5°C und +15°C temperiert werden, und dass während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase die Stromspeicher-Zelle – zu wenigstens 80% durch interne Dissipation – auf eine obere Betriebstemperatur T₂ zwischen +20°C und +45°C, insbesondere zwischen +25°C und +35°C aufgeheizt wird. Während der Aufladephase werden bevorzugt mittels einer Kälteanlage das zweite Fluid und das erste Fluid derart konditioniert, dass in den Stromspeicher-Zellen Kälte gespeichert werden kann. Während einer Stromentnahme-Phase wird dann ohne Kühlung von außen Wärme in die Batterie eingetragen, wobei der Wärmeeintrag aus der Umgebung durch eine Wärmedämmung des Gehäuses bei einer durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit λ des Gehäuses von weniger als 0,05 W/(m·K) begrenzt wird.
Die Aufgaben werden auch durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 9 gelöst, bei dem eine Niedertemperatur-Batterie vorgesehen ist, die zum einen eine Stromspeicher-Zelle aufweist, welche in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse untergebracht ist, und die zum anderen einen ersten Fluid-Kreislauf zum Wärmetransfer zwischen der Stromspeicherzelle und einem ersten Fluid aufweist, wobei dem ersten Fluid-Kreislauf ein erster Wärmetauscher zugeordnet ist, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmbar ist, so dass über den ersten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicher-Zelle und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchführbar ist. Das Verfahren ist besonders dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie bei einem mehrstündigen Stillstand des Kraftfahrzeuges in einer Aufladephase mit elektrischem Strom geladen wird, während zur selben Zeit das erste Fluid umgewälzt und mittels Wärmetransfer von außen temperiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine länger andauernde, insbesondere mehrstündige Stillstandsphase des Kraftfahrzeuges unter Verwendung einer von außen zugeführten Energiemenge dazu genutzt, zum einen die Niedertemperatur-Batterie mit elektrischem Strom aufzuladen und zum anderen die Niedertemperatur-Batterie auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu bringen. Dabei ist durch die Entkopplung der beiden Fluid-Kreisläufe eine energieeffiziente Kapselung der Batterie im Gehäuse ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während der Aufladephase der Batterie in einem ersten Verfahrensschritt ein zweites, äußeres Fluid auf eine erste Temperatur T₁ zwischen +5°C und +15°C konditioniert, in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Fluid über einen Wärmetauscher geleitet, über den ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und einem ersten, inneren Fluid erzielt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt das erste, innere Fluid durch die Stromspeicher-Zelle derart geleitet wird, dass die Stromspeicher-Zelle in etwa auf die erste Temperatur T₁ (±2°C) gebracht wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet eine Aufladephase der Batterie zu einer Uhrzeit zwischen 22:00 Uhr und 8:00 Uhr statt. In dieser Zeitspanne ist die Umgebungstemperatur an nahezu jedem Ort der Erde üblicherweise niedriger als zu einer anderen (Orts-)Zeit desselben Orts. Daher kann eine Abkühlung der Batterie mit besonders geringem Energieaufwand in dieser Zeitspanne realisiert werden. Eine ebenfalls in diese Zeitspanne fallende längere Stillstandszeit des Kraftfahrzeuges wird erfindungsgemäß für eine Durchführung der Aufladephase vorgesehen, so dass elektrischer Strom aus einem stationären Stromnetz sowohl für den Ladevorgang als auch für die Klimatisierung (Kühlung) verwendet werden kann.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Batterie eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Stromspeicher-Zellen mit einer Gesamtmasse von mehr als 30 kg, insbesondere von mehr als 100 kg auf, wobei die Batterie ein Gehäuse mit einer Gesamt-Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K) umfasst. Die vorgeschlagene Konfiguration ermöglicht eine praxistaugliche Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere ergeben sich bei nicht-extremen Umgebungsbedingungen hinlänglich kurze Aufladephasen und hinlänglich lange Stromentnahme-Phasen bei möglichst optimalem Energieeinsatz.
Weitere Ausführungsbeispiele und Modifikationen ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen.
Dabei zeigen
1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb,
2 in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Niedrigtemperatur-Batterie mit einer angeschlossenen Klima-Box,
3 in einem zeitlichen Ablaufdiagramm über 24 Stunden charakteristische Betriebsparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem „Warmbetrieb-Modus”,
4 in einem zeitlichen Ablaufdiagramm über 24 Stunden charakteristische Betriebsparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem „Kaltbetrieb-Modus”,
5 in einem Prinzip-Schaubild die Verschaltung eines erfindungsgemäßen mehrteiligen Wärmemanagementsystems von Klimakreisläufen eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges in einem ersten Betriebszustand („Kühlbetrieb”) sowie
6 das mehrteilige System von Klimakreisläufen gemäß 5 in einem zweiten Betriebszustand („Heizbetrieb”).
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrfach wieder aufladbare Batterie 1 bzw. einen Akkumulator zur Speicherung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug K sowie ein Kraftfahrzeug K mit einem elektromotorischen Antrieb, wobei letzterem wiederum eine Batterie 1 zur Speicherung von elektrischer Energie zugeordnet ist.
In hinlänglich bekannter Weise umfasst ein Kraftfahrzeug K mit einem elektromotorischen Antriebssystem bzw. mit einem hybridischen Antriebssystem gemäß 1 wenigstens einen auf eine Antriebswelle W des Kraftfahrzeugs wirkenden, als Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs wirkender elektro-mechanischen Energiewandler M/G (Motor-/Generator-Einheit). Der elektro-mechanische Energiewandler M/G bezieht elektrische Energie erfindungsgemäß aus wenigstens einer mehrfach wieder aufladbaren Batterie 1, die in dem Kraftfahrzeug K mitgeführt wird. Der elektromechanischer Energiewandler M/G dient bevorzugt auch zur Bremsenergierückgewinnung und Einspeisung von solchermaßen erzeugtem Strom in die Batterie 1.
Zur Struktur und zum Aufbau einer solchen (als Stromquelle dienenden) Batterie 1 für mobile Anwendungsbereiche sowie zur elektrischen Verschaltung wird die WO 2007/092955 A2 in Bezug genommen. Über ein Differential D wirkt der elektro-mechanischen Energiewandler M/G auf wenigstens eine Antriebswelle, wobei eine Steuerungseinheit S sowie eine Elektronikeinheit E den Betriebszustand des Energiewandlers M/G einstellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist das Kraftfahrzeug K noch einen 5-Takt-Verbrennungsmotor V auf, der aus einem Kraftstofftank T flüssigen oder gasförmigen Brennstoff erhält und der über einen Generator G Strom erzeugt und in die Batterie 1 einspeist. Dazu sind Strom- und Steuerkabel N vorgesehen.
Dabei weist die Batterie 1 (bzw. das Gesamtaggregat der Stromquelle) gemäß 2 eine Vielzahl von einzelnen, ggf. austauschbaren Stromspeicher-Zellen 2 auf, die gemeinsam in einem steifen Regal bzw. in einer Halterung 3 befestigt und elektrisch verdrahtet sind (vgl. hierzu auch die WO 2007/092955 A2 ). Solche Stromspeicher-Zellen 2 können dabei als Lithium-Ionen-Zellen, als NiMH-Zellen, als NiCd-Zellen oder dergleichen ausgestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Batterie 1 als Niedertemperatur-Aggregat (Niedertemperatur-Batterie) ausgeführt und insbesondere mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen 3 bestückt, die im wesentlichen spiegelsymmetrisch um eine zentral angeordnete Leitungseinheit 4 für ein (Wärmetransport-)Fluid angeordnet sind. Die mehreren Stromspeicher-Zellen 2 weisen insbesondere eine Gesamtmasse von mehr als 30 kg auf, bei mobilen Anwendungen mit größerer Leistung (größere PKW oder Nutzfahrzeuge) auch mehr als 100 kg oder sogar 200 kg. Die Masse der Stromspeicherzellen wird dabei erfindungsgemäß als Wärme- bzw. Kältereservoir genutzt.
Dazu ist erfindungsgemäß ein erstes Wärmemanagementsystem vorgesehen mit einem ersten Fluid-Kreislauf 5 zum Wärmetransfer zwischen den Stromspeicher-Zellen 2 und dem ersten Fluid. Dem ersten Fluid-Kreislauf ist erfindungsgemäß ein erster Wärmetauscher 6 zugeordnet, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmbar ist, so dass über den ersten Wärmetauscher 6 ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicher-Zellen 2 und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchführbar ist.
Insbesondere ist als erstes Fluid ein Alkohol, ein Kältemittel in Form von R134a, R137a, R404a, destilliertes oder hochreines Wasser oder eine wässrige (Salz-)Lösung vorgesehen, wobei das erste Fluid für guten Wärmeaustausch in und/oder um die Stromspeicher-Zellen 2 geleitet und mittels einer elektrisch angetriebenen Pumpe 7 umgewälzt wird. Als zweites Fluid ist erfindungsgemäß ein Kältemittel in Form von R134a, R137a, R404a oder bevorzugt R744 gewählt, das in einem geschlossenen zweiten Kreislauf 9 umgewälzt wird. Alternativ kann als zweites Fluid auch Wasser vorgesehen sein (vgl. das Ausführungsbeispiel gemäß den 5 und 6). Weiter alternativ kann als zweites Fluid Umgebungsluft vorgesehen sein, die in einem offenen Kreislauf durch den ersten Wärmetauscher gefördert wird.
Wie aus 2 entnehmbar ist, umfasst die erfindungsgemäße Niedertemperatur-Batterie ein bevorzugt aus mehreren Komponenten aufgebautes Gehäuse 8. Dabei ist dem Gehäuse 8 ein Wärmedämmelement (nicht gesondert dargestellt) mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K), insbesondere von weniger als 0,025 W/(m·K), zugeordnet. Insbesondere weist das komplette Gehäuse 8 eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,1 W/(m·K), bevorzugt von weniger als 0,05 W/(m·K) auf. Dies wird durch die Verwendung von Beplankungselementen mit besonders niedrigen Wärmedurchgangszahlen, z. B. aus Polystyrol- oder Polyurethan-Kunststoffen, Mineralschäumen, Kork etc. und/oder durch eine doppelwandige Gestaltung eines oder mehrerer Beplankungselemente erreicht. Bei einer doppelwandigen Gestaltung von Beplankungselementen kann der geschaffene Hohlraum entweder evakuiert oder mit einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit λ gefüllt werden.
Eine bevorzugt besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit λ von ungefähr 0,025 W/(m·K) des Gehäuses 8 soll sicherstellen, dass ein Wärmeaustausch zwischen den Stromspeicher-Zellen 2 und der Umgebung U minimiert ist. Dies wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die Stromspeicher-Zellen 2 der Batterie 1 auch bei hohen Umgebungstemperaturen um 40°C bis 55°C ohne aktive Kühlung während einer Betriebsphase von ein bis 2 Tagen zwischen 10°C und 30°C zu halten.
Erfindungsgemäß sind nun der erste Wärmetauscher 6 sowie der gesamte erste Fluid-Kreislauf 5 im wesentlichen innerhalb des wie beschrieben isolierten Gehäuses 8 angeordnet. Zugleich sind alle wesentlichen Komponenten der Niedertemperatur-Batterie 1, die mit dem ersten Fluid (auch als „inneres Fluid” zu bezeichnen) in Kontakt befindlich sind, gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung U geschützt im isolierten Gehäuse 8 untergebracht.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie 1 ein zweites Fluid in Form des Kältemittels R744 auf, das auch als „äußeres Fluid” zu bezeichnen ist, da es im wesentlichen außerhalb des isolierten Gehäuses 8 in einem geschlossenen zweiten Kältekreislauf 9 umgewälzt sowie konditioniert wird. Dabei wird das Kältemittel einem Phasenwechsel „flüssig-gasförmig” unterworfen und besonders bevorzugt in dem ersten Wärmetauscher 6 verdampft, d. h. in den gasförmigen Zustand übergeführt. Äußeres und inneres Fluid sind somit erfindungsgemäß stofflich voneinander getrennt und weisen lediglich einen Wärmeaustauschpunkt im Bereich des ersten Wärmetauschers 6 auf.
Der geschlossene Kältekreislauf 9 (zweiter Fluid-Kreislauf) umfasst insbesondere einen Kältemittelkompressor 10 zur mechanischen Verdichtung gasförmigen Kältemittels, einen Kondensator bzw. Gaskühler 11, eine Drossel 12 sowie den Verdampfer in Form des ersten Wärmetauschers 6. Optional ist ein Flüssigkeitsabscheider und -sammler 13 ergänzt. Der geschlossene Kältekreislauf 9 bzw. die Kälteanlage sind bevorzugt strukturell genauso aufgebaut, wie eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach der DE 10 2007 029 523 A1 , die hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebsverfahrens des Kältemittelkreislaufs 9 vollumfänglich in Bezug genommen wird. Erfindungsgemäß sind die Komponenten Verdichter 10, Gaskühler 11 (zweiter Wärmetauscher) und Drossel 13 zusammen mit einem Luftgebläse 14 in einem gemeinsamen, von Umgebungsluft L durchströmbaren Gehäuse 15 (Klima-Box) untergebracht.
Erfindungsgemäß wird die beschriebene Niedertemperatur-Batterie 1 in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, das bevorzugt nachts längere Stillstandsphasen aufweist, in denen zum einen eine Aufladung der Stromspeicher-Zellen 2 mit von außen zugeführter elektrischer Energie 16 und zum anderen eine Klimatisierung der Batterie 1 (insbesondere eine Temperierung der Stromspeicher-Zellen 2) vorgenommen wird. In vorteilhafter Weise wird eine Temperierung der Stromspeicher-Zellen 2 zeitgleich mit einem Aufladevorgang durchgeführt, so dass für beide Prozesse von außen zuzuführende Energie 16 herangezogen werden kann. Des weiteren kann durch zeitgleiches Klimatisieren eine Erwärmung der Stromspeicher-Zellen 2 während des Aufladevorgangs begrenzt werden. Bevorzugt sind Aufladevorgang und Klimatisierungsvorgang gleich lang und finden in Klimazonen mit reduzierter Nachttemperatur zeitgleich zwischen 22 Uhr abends und 8 Uhr morgens statt. Des weiteren ist dem Verfahren ein „Warmbetrieb-Modus” für Tage, in denen eine durchschnittliche Außentemperatur von mehr als 0°C herrscht, zugeordnet – in Abgrenzung zu einem „Kaltbetrieb-Modus” für Tage, in denen eine durchschnittliche Außentemperatur von weniger als 0°C herrscht.
Während einer Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs wird somit im „Warmbetrieb-Modus” in einer Aufladephase der Batterie 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Klimatisierung der Stromspeicher-Zellen 2 wie folgt durchgeführt.
In der Aufladephase der Batterie 1 wird in einem ersten Verfahrensschritt das zweite Fluid (Kältemittel R744) auf eine erste Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs konditioniert. Dabei wird die erforderliche elektrische Energie zum Betrieb des (zweiten) Kältekreislaufes 9 bevorzugt über einen elektrischen Anschluss 16 an ein externes Stromnetz von außen zugeführt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird sodann das zweite Fluid über den ersten Wärmetauscher 6 geleitet, über den ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und dem ersten Fluid erzielt wird. In einem dritten Verfahrensschritt wird das erste Fluid (erster Fluid-Kreislauf 5) durch die Stromspeicher-Zellen 2 geleitet. Mittels des zweiten, äußeren Fluids kann dem ersten, inneren Fluid über den ersten Wärmetauscher 6 Wärme entzogen werden. Das erste Fluid und die Stromspeicher-Zellen 2 werden ebenso wie die Tragstruktur 3 der Stromspeicher-Zellen auf eine untere Betriebstemperatur T₁ zwischen +5°C und +15°C, insbesondere auf eine untere Betriebstemperatur T₁ zwischen +8°C und +12°C temperiert. Dieselbe Temperatur wird durch das erste Fluid auch den Stromspeicher-Zellen 2 und deren Halterung 3 aufgeprägt.
Erfindungsgemäß erreicht die Niedertemperatur-Batterie 1 am Ende t₀ der Aufladephase bevorzugt ihre niedrigste Temperatur von besonders bevorzugt ca. 10°C, die der unteren Betriebstemperatur T₁ entspricht. Diese soll erfindungsgemäß vor einem Beginn T₁ einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase der Batterie (und somit vor einem Inbetriebsetzen des Kraftfahrzeuges) erreicht sein.
Während der (ggf. mehrstündigen) Stromentnahme-Phase wird aus der Batterie Strom entnommen und insbesondere zum Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers des Kraftfahrzeugs verwendet. Das erste (innere) Fluid wird in dieser Phase nicht (oder nur wenig) umgewälzt, so dass die Stromspeicher-Zellen 2 während der Stromentnahme-Phase im wesentlichen durch interne Dissipation um bis zu 20 K auf eine obere (maximale) Betriebstemperatur T₂ aufgeheizt werden, wobei das isolierte Gehäuse 8 eine Temperaturänderung durch Umgebungseinflüsse im wesentlichen verhindert. Dabei dient die Masse der Stromspeicher-Zellen 2 innerhalb des isolierenden Gehäuses 8 zusammen mit der (im wesentlichen ruhenden) Masse des ersten Fluids und der Masse der Halterung 3 bzw. der Elektrik als Kältereservoir mit einer mittleren Wärmekapazität von 1200 J/kg·K bis 1600 J/kg·K.
Während der Betriebsphase des Kraftfahrzeuges (zwischen t₁ und t₂), die im wesentlichen auch einer Stromentnahme-Phase der Batterie entspricht, wird das genannte Kältereservoir erfindungsgemäß mit einer äußeren Wärmeleistung (Wärmezufuhr aus der Umgebung) von ca. 10 W bis 30 W (oder weniger) erwärmt. Bezogen auf eine im Betrieb der Niedertemperatur-Batterie 1 erzeugte Dissipationswärmeleistung von beispielsweise 250 W soll diese aus der Umgebung stammende Erwärmung bei maximal 20 K Temperaturdifferenz (zwischen innerhalb des Gehäuses und der Umgebung) durchschnittlich nicht mehr als 10%, in der Spitze nicht mehr als 20% betragen.
Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens im „Warm-Modus” sind in dem Schaubild gemäß 3

a) der Betriebszustand B_F des Kraftfahrzeuges,
b) die Batterietemperatur T,
c) der Betriebszustand B₂ des zweiten Fluid-Kreislaufs bzw. der zugehörigen Kälteanlage,
d) der Betriebszustand B der Umwälzpumpe 7 und
e) der Energieverbrauch E des zweiten Fluid-Kreislaufs bzw. der zugehörigen Kälteanlage

Daraus wird erkennbar, dass während der Betriebsphase des Kraftfahrzeuges (B_F = AN) zwischen 9 Uhr morgens (t₁) und 15 Uhr nachmittags (t₂) vorwiegend durch dissipative Wärmeverluste der Batterie selbst die Temperatur T der Batterie ausgehend von einer minimalen Temperatur T₁ auf eine maximale Temperatur T₂ zwischen +20°C und +45°C erhöht wird. Zugleich ist das Kühlaggregat bzw. der zweite Fluid-Kreislauf 9 stillgesetzt, so dass der Energieverbrauch E in dieser Zeit gleich Null ist. Eine Umwälzung des ersten Fluids findet geringfügig statt (B_P), jedoch keine aktive Kühlung. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel erfolgt für besonders niedrige Umgebungstemperaturen gar keine Umwälzung (B_P = AUS).
In der Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs zwischen 15 Uhr (t₂) und 9 Uhr (t₁) findet im „Warmbetrieb-Modus” bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine Klimatisierungs- und Ladephase der Batterie zwischen 0 Uhr (t₃) und 8 Uhr (t₀) statt: In dieser Zeit ist die Kälteanlage aktiviert (B₂ = AN) und das erste Fluid wird umgewälzt (B_P = AN). Auf diese Weise wird unter Zufuhr externer Energie (E = extern) die Temperatur T der Batterie auf einen Minimalwert T₁ gebracht.
Während einer Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs wird im „Kaltbetrieb-Modus” in einer Aufladephase der Batterie 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Klimatisierung der Stromspeicher-Zellen 2 wie folgt durchgeführt.
In der Aufladephase der Batterie wird in einem ersten Verfahrensschritt das zweite Fluid (Kältemittel R744) auf eine erste Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs konditioniert, wobei die Umgebungstemperatur unter 0°C liegt. Dazu wird der Kältekreislauf des zweiten Fluids als Wärmepumpe betrieben. In einem zweiten Verfahrensschritt wird sodann das zweite Fluid über den ersten Wärmetauscher 6 geleitet, über den ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und dem ersten Fluid erzielt wird. In einem dritten Verfahrensschritt wird das erste Fluid durch die Stromspeicher-Zellen 2 geleitet. Mittels des zweiten, äußeren Fluids kann dem ersten, inneren Fluid über den ersten Wärmetauscher Wärme zugeführt werden. Das erste Fluid und die Stromspeicher-Zellen werden ebenso wie die Tragstruktur 3 der Stromspeicher-Zellen 2 auf eine mittlere Betriebstemperatur T₃ zwischen +2°C und +10°C, insbesondere auf eine mittlere Betriebstemperatur T₃ zwischen +4°C und +8°C temperiert. Dieselbe Temperatur wird durch das erste Fluid auch den Stromspeicher-Zellen 2 und deren Halterung 3 aufgeprägt.
Erfindungsgemäß erreicht die Niedertemperatur-Batterie 1 so am Ende der Aufladephase bevorzugt eine mittlere Temperatur von besonders bevorzugt ca. +6°C. Diese soll erfindungsgemäß vor einem Beginn einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase der Batterie (und somit vor einem Inbetriebsetzen des Kraftfahrzeuges) erreicht sein. Das vorstehend beschriebene Verfahren dient vorteilhaft zur Aufwärmung nach längeren Stillstandphasen des Kraftfahrzeuges.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel gemäß 4 (bei einer vergleichsweise kurzen Stillstandsphase des Kraftfahrzeuges von ca. 18 Stunden oder weniger) ergibt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren im „Warmbetrieb-Modus” wie folgt, wobei

a) der Betriebszustand B_F des Kraftfahrzeuges,
b) die Batterietemperatur T,
c) der Betriebszustand H einer optionalen elektrischen Widerstandsheizung im ersten Fluid-Kreislauf,
d) der Betriebszustand B_P der Umwälzpumpe 7 und
e) der Energieverbrauch E_H der Beheizung des ersten Fluid-Kreislaufs

Ab Stillsetzung des Kraftfahrzeuges um 15 Uhr nachmittags (t₂) verursacht eine niedrige Umgebungstemperatur von unter 0°C eine sukzessive Abkühlung über die Nacht, so dass ab einem Zeitpunkt t₀ eine Mindesttemperatur T₁ von +4°C bis +8°C unterschritten würde. Ab diesem Zeitpunkt werden (bei Bedarf) eine optionale elektrische Widerstandsheizung 17 sowie die Umwälzpumpe 7 im ersten Fluid-Kreislauf aktiviert (H = AN, B_P = AN). Erfindungsgemäß wird der Zeitpunkt der Unterschreitung eines Mindesttemperatur durch das Vorsehen eines isolierenden Gehäuses mit einer Gesamt-Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K) möglichst weit nach hinten verschoben, indem Wärmeverluste an die Umgebung minimiert werden.
Während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase zwischen t₁ und t₂ wird das erste Fluid erfindungsgemäß mittels der Umwälzpumpe 7 bewegt (AN > B_P > AUS). In allgemeinen ist wegen der Erzeugung von Dissipationsabwärme bei der Stromentnahme eine ergänzende Beheizung nicht erforderlich (H = AUS, E_H = 0). Das isolierte Gehäuse bewirkt in dieser Situation wiederum eine Verhinderung von Wärmeverlusten an die Umgebung, so dass durch die inneren Verluste der Batterie während der Stromentnahme-Phase eine Erwärmung der Stromspeicher-Zellen 2 sowie deren Halterung 3 einschließlich Elektrik bewirkt wird. Erfindungsgemäß werden die Stromspeicher-Zellen 2 zu wenigstens 80% durch interne Dissipation – auf eine obere Betriebstemperatur (T₂) zwischen +20°C und +45°C, insbesondere zwischen +25°C und +35°C, aufgeheizt.
Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen von –10°C bis –40°C werden während der Stromentnahme-Phase zunächst die innere Dissipationswärme und optional eine Verlustwärmeheizung in Form einer elektrischen Widerstandsheizung 17 zur Erwärmung des ersten Fluids verwendet. Als elektrische Widerstandsheizung kann die Umwälzpumpe 7 des ersten Fluids selbst genutzt werden, indem diese in einem Betriebszustand mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wird. Weiter optional wird der Kältekreislauf 9 des zweiten Fluids während einer Stromentnahme-Phase als Wärmepumpe zur Beheizung des zweiten Fluids betrieben, so dass darüber auch das erste Fluid zusätzlich beheizt werden kann.
In den 5 und 6 ist ein erfindungsgemäßes mehrteiliges System von Klimakreisläufen eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges in zwei Betriebszuständen („Kühlbetrieb” sowie „Heizbetrieb”) dargestellt.
Das Kraftfahrzeug weist dabei einen Hybrid-Antrieb gemäß 1 oder einen (nicht dargestellten) rein elektromotorischen Antrieb mit wenigstens einem elektro-mechanischen Energiewandler M/G auf. Der elektro-mechanische Energiewandler M/G bezieht elektrische Energie erfindungsgemäß aus wenigstens einer mehrfach wieder aufladbaren Batterie 1, die in dem Kraftfahrzeug mitgeführt wird. Zur Struktur und zum Aufbau einer solchen (als Stromquelle dienenden) Batterie 1 für mobile Anwendungsbereiche sowie zur elektrischen Verschaltung wird im Detail die WO 2007/092955 A2 in Bezug genommen.
Dabei weist die Batterie 1 (bzw. das Gesamtaggregat der Stromquelle) gemäß den 5 und 6 eine Vielzahl von einzelnen, ggf. austauschbaren Stromspeicher-Zellen 2 auf, die gemeinsam in einer starren Halterung 3 befestigt und elektrisch verdrahtet sind (vgl. hierzu auch die WO 2007/092955 A2 ). Solche Stromspeicher-Zellen 2 können dabei als Lithium-Ionen-Zellen, als NiMH-Zellen, als NiCd-Zellen oder dergleichen ausgestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Batterie 1 als Niedertemperatur-Aggregat (Niedertemperatur-Batterie) ausgeführt und insbesondere mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen 3 bestückt, die um eine zentral angeordnete Leitungseinheit 4 für ein erstes (Wärmetransport-)Fluid angeordnet sind. Die mehreren Stromspeicher-Zellen 2 weisen insbesondere eine Gesamtmasse von mehr als 30 kg, insbesondere eine Massen vom mehr als 100 kg auf.
Insbesondere zur Klimatisierung der verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeug-Antriebs ist erfindungsgemäß ein zweites Wärmemanagementsystem gemäß den 5 und 6 vorgesehen mit einem ersten Fluid-Kreislauf 5 zum Wärmetransfer zwischen den Stromspeicher-Zellen 2 und einem ersten Fluid. Dem ersten Fluid-Kreislauf 5 ist erfindungsgemäß ein erster Wärmetauscher 6 zugeordnet, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid in einem zweiten Fluid-Kreislauf 9' durchströmbar ist. Über den ersten Wärmetauscher findet somit ein Wärmeaustausch zwischen erstem Fluid-Kreislauf 5 sowie zweitem Fluid-Kreislauf 9' statt.
Insbesondere ist als erstes Fluid ein Alkohol, ein Kältemittel in Form von R134a, R137a, R404a, destilliertes oder hochreines Wasser oder eine wässrige (Salz-)Lösung vorgesehen, wobei das erste Fluid für guten Wärmeaustausch in und/oder um die Stromspeicher-Zellen 2 geleitet und mittels einer elektrisch angetriebenen Pumpe 7 umgewälzt wird. Erfindungsgemäß können der erste und der zweite Fluid-Kreislauf 5, 9' einzelne oder alle Merkmale der ersten und zweiten Fluid-Kreisläufe des ersten Ausführungsbeispiels aufweisen und entsprechend dem dazu offenbarten Betriebsverfahren benutzt werden. Entsprechend sind gleichartige Bauelemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
Die erfindungsgemäße Niedertemperatur-Batterie 1 weist ein bevorzugt aus mehreren Komponenten aufgebautes Gehäuse 8 auf. Dabei ist dem Gehäuse 8 ein Wärmedämmelement (nicht gesondert dargestellt) mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K) zugeordnet. Insbesondere weist das komplette Gehäuse 8 eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,1 W/(m·K) auf. Dies wird durch die Verwendung von Beplankungselementen mit niedrigen Wärmedurchgangszahlen, z. B. aus Polystyrol- oder Polyurethan-Kunststoffen, Mineralschäumen, Kork etc. und/oder durch eine doppelwandige Gestaltung eines oder mehrerer Beplankungselemente erreicht. Bei einer doppelwandigen Gestaltung von Beplankungselementen kann der geschaffene Hohlraum entweder evakuiert oder mit einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit λ gefüllt werden.
Erfindungsgemäß sind nun der erste Wärmetauscher 6 sowie der gesamte erste Fluid-Kreislauf 5 im wesentlichen innerhalb des wie beschrieben isolierten Gehäuses 8 angeordnet. Zugleich sind alle wesentlichen Komponenten der Niedertemperatur-Batterie 1, die mit dem ersten Fluid in Kontakt befindlich sind, gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung U geschützt im isolierten Gehäuse 8 untergebracht.
In Ausgestaltung der Erfindung weist das zweite Wärmemanagementsystem ein zweites Fluid in Form von destilliertem, reinem oder hochreinem Wasser auf, das außerhalb des isolierten Gehäuses 8 in dem geschlossenen zweiten Fluid-Kreislauf 9' umgewälzt sowie konditio-niert wird. Erstes und zweites Fluid sind somit erfindungsgemäß stofflich voneinander getrennt und weisen lediglich einen Wärmeaustauschpunkt im Bereich des ersten Wärmetauschers 6 auf.
Der zweite Fluid-Kreislauf 9' (Wasserkreislauf) weist beispielhaft eine komplexe Struktur auf, die den 5 und 6 entnehmbar ist. Dabei wird über mehrere 3/2-Wege-Ventile 18, 19, 20 sowie eine unidirektional arbeitende Pumpe 21 und eine bidirektional arbeitende Pumpe 22 die Durchströmung des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' wie nachfolgend weiter unten beschrieben eingestellt. Der zweite Fluid-Kreislauf 9' umfasst insbesondere einen Leitungszweig 9.1, in dem der erste Wärmetauscher 6 sowie die unidirektional arbeitende Pumpe 21 und schließlich ein erstes 3/2-Wege-Ventil 18 in Reihe geschaltet sind. Der zweite Fluid-Kreislauf 9' umfasst ferner einen weiteren Leitungszweig 9.2, in dem wenigstens ein elektro-mechanischer Energiewandler M/G des Kraftfahrzeuges, ein vierter Wärmetauscher 28 (Radiator, Luft/Wasser-Wärmetauscher), eine bidirektional arbeitende Pumpe 22 sowie ein zweites 3/2-Wege-Ventil in Reihe geschaltet angeordnet sind. Optional können auch eine Leistungselektronik-Einheit E des Energiewandlers M/G sowie ein drittes 3/2-Wege-Ventil 20 in den weiteren Leitungszweig 9.2 eingeschaltet sein.
Des weiteren ist erfindungsgemäß beim zweiten Wärmemanagementsystem ein dritter Fluid-Kreislauf 9'' zur Umwälzung eines dritten Fluids in Form des Kältemittels R744 auf, das unabhängig (stofflich getrennt) von den ersten beiden Fluid-Kreisläufen in einem einfachen geschlossenen dritten Kältekreislauf 9'' umgewälzt sowie konditioniert wird. Zur Konditionierung wird das dritte Fluid (Kältemittel, z. B. R134a, R137a, R404a oder dergleichen) durch Wärmezufuhr aus dem zweiten Fluid-Kreislauf 9' erhitzt und einem Phasenwechsel „flüssiggasförmig” unterworfen, d. h. in dem zweiten Wärmetauscher 23 (Verdampfer) verdampft.
Der geschlossene Kältekreislauf 9'' (dritter Fluid-Kreislauf) umfasst ferner insbesondere einen Kältemittelkompressor 24 (mit E-Motor M) zur mechanischen Verdichtung des gasförmigen Kältemittels, einen Kondensator bzw. Gaskühler 25 (dritter Wärmetauscher), eine Drossel 26, die kontinuierlich in dieser Reihenfolge durchströmt werden, bevor das Kältemittel wieder zurückströmt in den Verdampfer 23 (zweiter Wärmetauscher). Optional ist ein Flüssigkeitsabscheider und -sammler 27 ergänzt. Der als Kälteanlage arbeitende geschlossene dritte Fluid-Kreislauf 9'' ist bevorzugt strukturell genauso aufgebaut, wie eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach der DE 10 2007 029 523 A1 , die hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebsverfahrens des Kältemittelkreislaufs 9'' vollumfänglich in Bezug genommen wird.
In einem „Kühlbetrieb” des zweiten Wärmemanagementsystems gemäß 5 werden die Pumpen 21, 22 in Richtung der Pfeile 21', 22' mit näherungsweise gleichen Förderdrücken und/oder näherungsweise gleichen Volumenströmen betrieben. Daneben sind die Ventile 18, 19, 20 so geschaltet, dass sich zwei separat voneinander durchströmte, „kurze” Schleifen K1 und K2 ergeben. Eine völlige strömungstechnische Trennung der beiden Schleifen K1, K2 ist nicht zwingend erforderlich, jedoch werden die gestrichelt dargestellten Leitungszweige 9.3, 9.4, 9.5, 9.6 erfindungsgemäß nicht nennenswert durchströmt. In modifizierten Ausführungsbeispielen sind in einem oder mehreren dieser Leitungszweige 9.3, 9.4, 9.5, 9.6 Sperrventile vorgesehen.
In diesem Betriebszustand ergibt sich am Verdampfer 23 (zweiter Wärmetauscher) ein Wärmetransfer aus der ersten Schleife K1 des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' heraus zum dritten Fluid-Kreislauf 9''. Zugleich wälzt die unidirektional arbeitende Pumpe 21 Wasser der ersten kurzen Schleife K1 vom zweiten Wärmetauscher 23 im wesentlichen direkt zum ersten Wärmetauscher 6, über den wiederum Wärme aus dem ersten Fluid-Kreislauf 5 der Batterie 1 aufgenommen und abgeführt werden kann. Die Batterie 1 kann so effizient gekühlt werden, wobei die Funktionen der Batterie-Klimatisierung wie in den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 möglich sind. Daneben ergibt sich am Gaskühler 25 (dritter Wärmetauscher) ein Wärmetransfer aus dem dritten Fluid-Kreislauf 9'' heraus zur zweiten kurzen Schleife K2 des zweiten Fluid-Kreislaufs 9'. Dabei erhält der Gaskühler 25 auf Seiten des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' das zugeführte Wasser (in Strömungsrichtung 22') im wesentlichen direkt aus dem vierten Wärmetauscher 28, in dem das Wasser mit Hilfe der Umgebungsluft L näherungsweise auf Umgebungstemperatur gebracht wurde. Damit wird dem Gaskühler 25 eine besonders große, insbesondere eine größtmögliche Temperaturdifferenz zur Verfügung gestellt. Anschließend an den Gaskühler 25 werden die Abwärmen von Elektronik E und Energiewandler G/M in die zweite kurze Schleife K2 des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' eingeleitet und schließlich wieder über den vierten Wärmetauscher 28 (Radiator) an die Umgebung abgegeben. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann der vierte Wärmetauscher mit Zuluft zum Kraftfahrzeug-Passagierraum beaufschlagt werden.
Bei dem geschilderten „Kühlbetrieb” werden so mit vergleichsweise einfachen Mitteln zum einen die Batterie 1 und zum anderen Motor-Elektronik E und Energiewandler M/G effizient gekühlt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel kann anstelle der Batterie 1 oder parallel zur Batterie 1 die Passagierraum-Zuluftströmung des Kraftfahrzeuges über den ersten Wärmetauscher klimatisiert werden.
Zugleich ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 jederzeit eine Umschaltung in den so genannten „Heizbetrieb” des zweiten Wärmemanagementsystems möglich, der sich wie in 6 dargestellt gestaltet. Gegenüber dem „Kühlbetrieb” sind die 3/2-Wege-Ventile derart umgeschaltet, dass die Leitungszweige 9.3, 9.4, 9.5 und 9.6 vom Wasser des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' nennenswert durchströmt werden. Somit werden zwei große Schlaufen K3 und K4 gebildet, die eine gegenüber dem „Kühlbetrieb” vertauschte Einkopplung von zweitem Wärmetauscher 23 und drittem Wärmetauscher 25 in den zweiten Fluid-Kreislauf 9' ermöglichen: Die erste große Schlaufe K3 umfasst die Leitungszweige 9.1, 9.3 und 9.5, wobei nunmehr im Heizbetrieb (anstelle des zweiten Wärmetauschers) der dritte Wärmetauscher 25 hinter den ersten Wärmetauscher 6 geschaltet ist. Darüber hinaus umfasst die zweite große Schleife K4 die Leitungszweige 9.2, 9.6 und 9.4, wobei nunmehr (anstelle des dritten Wärmetauschers) der zweite Wärmetauscher 23 in diese Schleife K4 geschaltet ist. Dabei ist ferner die Strömungsrichtung der bidirektional arbeitenden Pumpe 22 in Richtung des Pfeils 22'' und damit umgekehrt gegenüber dem „Kühlbetrieb” gewählt. Die unidirektional arbeitende Pumpe fördert weiterhin in Richtung 21'. Die in 6 gestrichelt gezeichneten Leitungszweige 9.7, 9.8, 9.9 und 9.10 sind in diesem Betriebszustand nicht nennenswert durchströmt bzw. mittels Sperrventilen abgesperrt.
In diesem Betriebszustand ergibt sich am Verdampfer 23 (zweiter Wärmetauscher) ein Wärmetransfer aus der vierten Schleife K4 des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' heraus zum dritten Fluid-Kreislauf 9''. Zugleich wälzt die unidirektional arbeitende Pumpe 21 Wasser der dritten Schleife K3 vom dritten Wärmetauscher 25 direkt zum ersten Wärmetauscher 6, über den nun Wärme aus dem dritten Fluid-Kreislauf 9'' der Batterie 1 zugeführt werden kann. Die Batterie 1 kann so effizient beheizt werden, wobei die Funktionen der Batterie-Klimatisierung wie in den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 möglich sind. Daneben ergibt sich am Gaskühler 25 (dritter Wärmetauscher) ein Wärmetransfer aus dem dritten Fluid-Kreislauf 9'' heraus zur vierten Schleife K4 des zweiten Fluid-Kreislaufs 9'. Dabei erhält der zweite Wärmetauscher 23 auf Seiten des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' das zugeführte Wasser (in Strömungsrichtung 22') aus dem Antriebsaggregat M/G des Kraftfahrzeugs und ggf. aus dessen Leistungselektronik E mit hoher Temperatur.
Erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft gestaltet es sich, dass die Motor/Generator-Einheit M/G bei dieser Schaltung ihr Kühlfluid direkt aus dem vierten Wärmetauscher 28 (Radiator) und damit mit vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt bekommt.
Erfindungsgemäß wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Betrieb der wieder aufladbaren Niedertemperatur-Batterie 1 durchgeführt, wobei die Batterie 1 eine Stromspeicher-Zelle 2 in dem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse 8 aufweist, bei dem während einer Aufladephase der Batterie 1 in einem ersten Verfahrensschritt das zweite Fluid auf eine erste Temperatur T₁ unterhalb der Umgebungstemperatur konditioniert wird, in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Fluid über den ersten Wärmetauscher 6 geleitet wird, über den ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und dem ersten Fluid des ersten Fluid-Kreislaufs erzielt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt das erste Fluid durch und/oder um die Stromspeicher-Zelle 2 geleitet wird.
Dabei wird besonders bevorzugt das zweite Fluid in dem geschlossenen zweiten Kältekreislauf 9' umgewälzt und konditioniert, wobei in einem Verfahrensschritt das erste Fluid und die Stromspeicher-Zelle auf eine untere Betriebstemperatur T₁ zwischen +5°C und +15°C, insbesondere auf eine unteres Betriebstemperatur T₁ zwischen +8°C und +12°C temperiert werden.
Weiter bevorzugt werden während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase aus der Batterie 1 das zweite Fluid und/oder das erste Fluid nicht oder langsam umgewälzt wird, so dass die Stromspeicher-Zelle 2 während der Stromentnahme-Phase im wesentlichen durch interne Dissipation um bis zu 20 K aufgeheizt wird, wobei das isolierte Gehäuse 8 eine Temperaturänderung durch Umgebungseinflüsse im wesentlichen verhindert.
Weiter bevorzugt wird das zweite Fluid im zweiten Fluid-Kreislauf 9' mit Hilfe eines dritten Fluid-Kreislaufs 9'' und/oder mit Hilfe eines Umgebungsluft-Wärmetauschers 28 gekühlt. Erfindungsgemäß wird der zweite Fluid-Kreislauf 9' insbesondere wahlweise und/oder in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Kraftfahrzeugs von einem „Kühlbetrieb” in einen „Heizbetrieb” umgeschaltet, wobei im Kühlbetrieb eine kalte Seite (zweiter Wärmetauscher 23) des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' und im Heizbetrieb eine warme Seite (dritter Wärmetauscher 25) des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' mit dem ersten Fluid-Kreislauf 5 gekoppelt wird. Dabei wird der thermische Zustand der warmen Seite des zweiten Fluid-Kreislaufs 9' bevorzugt ebenso wie der thermische Zustand der kalten Seite zweiten Fluid-Kreislaufs 9' mittels einer Kältemaschine eingestellt, die den dritten Fluid-Kreislauf 9'' konditioniert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007029523 A1 [0004, 0033, 0060]
WO 2007/092955 A2 [0025, 0026, 0051, 0052]

Claims

Wieder aufladbare Niedertemperatur-Batterie für ein Kraftfahrzeug mit – einer Stromspeicher-Zelle (2), die in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung (U) isolierten Gehäuse (8) untergebracht ist, und mit – einem ersten Fluid-Kreislauf (5) zum Wärmetransfer zwischen der Stromspeicherzelle (2) und einem ersten Fluid, wobei dem ersten Fluid-Kreislauf – ein erster Wärmetauscher (6) zugeordnet ist, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmbar ist, so dass – über den ersten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicher-Zelle und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchführbar ist, und wobei – der erste Wärmetauscher (6) innerhalb des isolierten Gehäuses (8) angeordnet ist.
Niedertemperatur-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid in einem geschlossenen Kältekreislauf (9) umgewälzt und/oder mittels einer Kälteanlage konditioniert wird.
Niedertemperatur-Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Niedertemperatur-Batterie (1) mehrere Stromspeicher-Zellen (2) mit einer Gesamtmasse von mehr als 30 kg aufweist, wobei – dem Gehäuse (8) ein Wärmedämmelement mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K), insbesondere von weniger als 0,025 W/(m·K), zugeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer wieder aufladbaren Niedertemperatur-Batterie (1), die eine Stromspeicher-Zelle (2) in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse (8) aufweist und insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche ausgestaltet ist, bei dem während einer Aufladephase der Batterie – in einem ersten Verfahrensschritt ein zweites, äußeres Fluid auf eine erste Temperatur (T₁) unterhalb der Umgebungstemperatur konditioniert wird, – in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Fluid über einen Wärmetauscher (6) geleitet wird, über den – ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und einem ersten, inneren Fluid erzielt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt das erste, innere Fluid durch und/oder um die Stromspeicher-Zelle (2) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid in einem geschlossenen Kältekreislauf (9) einer Kälteanlage umgewälzt und konditioniert wird, wobei – in einem Verfahrensschritt das erste Fluid und die Stromspeicher-Zelle auf eine untere Betriebstemperatur (T₁) zwischen +5°C und +15°C, insbesondere auf eine unteres Betriebstemperatur (T₁) zwischen +8°C und +12°C temperiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase aus der Batterie (1) das zweite Fluid und/oder das erste Fluid nicht oder langsam umgewälzt wird, so dass die Stromspeicher-Zelle während der Stromentnahme-Phase im wesentlichen durch interne Dissipation um bis zu 20 K aufgeheizt wird, wobei das isolierte Gehäuse (8) eine Temperaturänderung durch Umgebungseinflüsse im wesentlichen verhindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase das erste Fluid mittels einer Umwälzpumpe (7) bewegt und/oder mittels einer Verlustwärmeheizung (17) erwärmt wird, wobei insbesondere die Umwälzpumpe (7) als Verlustwärmeheizung dient und/oder das zweite Fluid mittels der Kälteanlage beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während einer mehrstündigen Aufladephase das erste Fluid und das zweite Fluid umgewälzt und derart konditioniert werden, dass das erste Fluid und die Stromspeicher-Zelle auf eine untere Betriebstemperatur (T₁) zwischen +5°C und +15°C temperiert werden, und dass während einer mehrstündigen Stromentnahme-Phase die Stromspeicher-Zelle – zu wenigstens 80% durch interne Dissipation – auf eine obere Betriebstemperatur (T₂) zwischen +20°C und +45°C, insbesondere zwischen +25°C und +35°C, aufgeheizt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer Niedertemperatur-Batterie, die – eine Stromspeicher-Zelle aufweist, welche in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse untergebracht ist, und die – einen ersten Fluid-Kreislauf zum Wärmetransfer zwischen der Stromspeicher-Zelle und einem ersten Fluid aufweist, wobei dem ersten Fluid-Kreislauf – ein erster Wärmetauscher zugeordnet ist, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmbar ist, so dass – über den ersten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicher-Zelle und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchführbar ist. bei dem – die Batterie bei einem mehrstündigen Stillstand des Kraftfahrzeuges in einer Aufladephase mit elektrischem Strom geladen wird, während zur selben Zeit – das erste Fluid umgewälzt und mittels Wärmetransfer von außen temperiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufladephase der Batterie – in einem ersten Verfahrensschritt ein zweites, äußeres Fluid auf eine erste Temperatur (T₁) zwischen +5°C und +15°C konditioniert wird, – in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Fluid über einen Wärmetauscher geleitet wird, über den – ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Fluid und einem ersten, inneren Fluid erzielt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt das erste, innere Fluid durch die Stromspeicher-Zelle (2) derart geleitet wird, dass die Stromspeicher-Zelle (2) in etwa auf die erste Temperatur (T₁) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladephase der Batterie (1) zu einer Uhrzeit zwischen 22:00 Uhr und 8:00 Uhr stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Stromspeicher-Zellen (2) mit einer Gesamtmasse von mehr als 30 kg aufweist, wobei die Batterie ein Gehäuse (8) mit einer Gesamt-Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 0,05 W/(m·K) umfasst.
Kraftfahrzeug mit einer Niedertemperatur-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Kraftfahrzeug, insbesondere nach Anspruch 13, mit einer Batterie, die mit Hilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 12 betrieben wird.