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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 näher definierten Art.
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Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Vorrichtungen, welche typischerweise als Batterien ausgebildet sind, können entweder zum Speichern von elektrischer Energie in einem reinen Elektrofahrzeug dienen, jedoch auch zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in hybridisierten Antriebssystemen, welche beispielsweise beim Abbremsen des Fahrzeugs elektrische Energie zurückgewinnen und diese für ein Wiederbeschleunigen erneut zur Verfügung stellen. Um eine ausreichend hohe Leistungsdichte bei der Speicherung der elektrischen Energie realisieren zu können ist es häufig so, dass die Batterie als Hochvoltbatterie beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie oder gegebenenfalls auch in Nickelmetallhydrid-Technologie ausgebildet ist. Derartige Hochvoltbatterien haben dabei immer die Problematik, dass diese sich sehr schnell erwärmen und daher eine aktive Kühlung benötigen. Insbesondere beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien erfolgt diese aktive Kühlung typischerweise über ein flüssiges Kühlmedium, welches über geeignete Mittel zur Führung des Kühlmediums die Hochvoltbatterie beziehungsweise ihre Einzelzellen kühlt. Hierfür sind aus dem allgemeinen Stand der Technik verschiedene Ausführungsformen bekannt, beispielsweise die Durchleitung des Kühlmediums durch einen wellenförmigen Kühler, zwischen welchem runde Batterieeinzelzellen angeordnet sind. Beim Aufbau mit eckigen oder quaderförmigen Batterieeinzelzellen können diese auch gemeinsam auf einer von dem Kühlmedium durchströmten gekühlten Bodenplatte angeordnet sein, oder ähnliches.
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Ungeachtet dieses Aufbaus der Mittel zur Führung des Kühlmediums, welche typischerweise innerhalb eines Gehäuses der Hochvoltbatterie angeordnet sind, besteht immer die Notwendigkeit, diese Mittel an eine Kühleinrichtung in dem Fahrzeug anzubinden, um das Kühlmedium bereitzustellen und/oder dieses Kühlmedium im Bereich des Fahrzeugs entsprechend abzukühlen, um so die im Bereich der Hochvoltbatterie anfallende Wärme abführen zu können.
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Da in bestimmten Betriebssituationen in der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie keine Kühlung erforderlich ist, weist die Anbindung in jedem Fall eine Ventileinrichtung auf, welche zum Beeinflussen der Strömung des Kühlmediums ausgebildet ist. Dabei kann diese typischerweise als Magnetventil ausgebildet sein, welche den Kühlmedienstrom lediglich absperrt oder freigibt. Es ist jedoch auch denkbar, diese in der Art eines Proportionalventils auszubilden, um eine kontinuierliche Mengenregelung für die Strömung des Kühlmediums zu realisieren. Bei einem lediglich die beiden diskreten Stellungen „Auf” und „Zu” beherrschenden Ventil wäre eine Mengenregelung ebenso denkbar, beispielsweise indem das Ventil anhand eines pulsweitenmodulierten Signals zeitabhängig so getaktet betrieben wird, dass sich über den Zeitraum von mehreren Takten hinweg der gewünschte Volumenstrom des Kühlmediums einstellt.
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Problematisch bei diesen Aufbauten ist es nun, dass die Ventileinrichtungen typischerweise im Bereich der Kühleinrichtung beziehungsweise der Leitungselemente zu oder von der Hochvoltbatterie angeordnet sind. Sie müssen daher fahrzeugspezifisch ausgebildet sein und über entsprechende Leitungen angesteuert werden. Beispielsweise bei einem magnetischen Antrieb der Ventileinrichtung ist eine entsprechende Zuleitung der hierfür benötigten Leistung des 12 Volt Bordnetzes des Fahrzeugs notwendig. Gegebenenfalls kann auch die Integration einer Sensorik mit den entsprechenden Leitungen notwendig sein. Dies schafft einen erheblichen Aufwand bei der Montage und verursacht einen entsprechenden Bauraumbedarf. Außerdem muss die Ventileinrichtung so ausgebildet sein, dass sie den im Fahrzeug auftretenden Bedingungen, wie beispielsweise Vibrationen, Staub, gegebenenfalls auftretende Feuchtigkeit oder dergleichen, über einen längeren Zeitraum sicher und zuverlässig standhält. Dies alles macht die Ventileinrichtung aufwändig und teuer.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und welches mit einer einfachen und kostengünstigen Ventileinrichtung eine gute Funktionalität gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es also vor, dass das Ventil in das Innere des Gehäuses verlegt wird. Die Anordnung des Ventils im Inneren des Gehäuses hat dabei entscheidende Vorteile.
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Außerhalb des Gehäuses der Hochvoltbatterie entsteht so kein zusätzlicher Bauraumbedarf. Eine eventuelle Leistungsanbindung der Ventileinrichtung kann so insbesondere mit der Batterie selbst erfolgen, sodass keine Leitung in den Bereich der Ventileinrichtung geführt werden muss. Dies reduziert den Aufbau und den Aufwand bei der Montage erheblich. Im Inneren des Gehäuses ist die Ventileinrichtung außerdem von entsprechenden Umwelteinflüssen und Einflüssen des Fahrzeugs abgeschirmt, da ein derartiges Batteriegehäuse alleine aus Sicherheitsgründen bei einem eventuellen undicht werden der Batterie hermetisch dicht ausgeführt ist. Dementsprechend kann ein einfacheres und kostengünstigeres Ventil eingesetzt werden, da entsprechender Aufwand zur Abdichtung und die Verwendung von entsprechend resistenten Materialien unnötig wird.
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Die Integration der Ventileinrichtung sowie in bevorzugter Weiterbildung auch ihres Antriebs in das Innere des Gehäuses hat außerdem den Vorteil, dass die Gehäuse nach der Herstellung, bei der Vorbereitung der Montage in dem Fahrzeug und bei der Lagerung der Hochvoltbatterie vergleichsweise einfach gehandhabt werden können, da jedes Gehäuse als dichte in sich geschlossene Einheit ausgebildet ist. Anders als bei Aufbauten, welche die Ventileinrichtung im Außenbereich des Gehäuses aufweisen, kann es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zu einer Beschädigung dadurch kommen, dass die Ventileinrichtung und gegebenenfalls ihr Antrieb im Bereich des Gehäuses beschädigt oder abgerissen wird. Der Aufbau ist daher also auch in der Handhabung sehr einfach.
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Durch die Integration der Ventileinrichtung und gegebenenfalls des Antriebs in das Gehäuse der Hochvoltbatterie entsteht außerdem ein Aufbau, welcher mit immer gleichen, leicht zu standardisierenden Anschlusselementen versehen werden kann. Der Aufbau, die Kühlstrategie und die Betriebsstrategie für die Hochvoltbatterie kann dabei im Inneren der Hochvoltbatterie festgelegt werden, sodass unabhängig von der eingesetzten Hochvoltbatterie und der darin implementierten Strategie immer dieselben Anschlüsse im Fahrzeug zur Verfügung stehen können. Dies trägt zur Standardisierung und Verminderung der Bauteilvarianz bei und kann sich daher positiv auf die Kosten auswirken.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Ventileinrichtung über einen magnetischen Antrieb stellbar ist, wobei der magnetische Antrieb zusammen mit der Ventileinrichtung im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. In einer bevorzugten Weiterbildung hiervon kann der Magnetantrieb dabei als Hochvoltmagnetantrieb, also mit deutlich mehr als 12 V, zum Beispiel mehr als 100 V, ausgebildet sein. Die Integration des Magnetantriebs für die Ventileinrichtung in das Gehäuse bietet weitere Vorteile, da hierfür die im Gehäuse der Batterie ohnehin vorhandene elektrische Leistung auch für den Antrieb genutzt werden kann. Außerdem kann auch eine Sensorik mit in das Gehäuse integriert sein, da die Ansteuerung typischerweise in Abhängigkeit der Temperatur innerhalb der Batterie erfolgt. Der Aufbau ist so insgesamt in das Gehäuse integriert und wird damit entsprechend einfach. Außerdem erlaubt er die Nutzung von Batterien in ihren Batteriegehäusen für verschiedene Fahrzeuge, da zur Anbindung lediglich die Versorgung mit dem Kühlmedium sichergestellt werden muss und alles andere im Inneren der Batterie selbst erfolgt. Die bevorzugte Ausgestaltung als Hochvoltmagnetantrieb hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass die Spannung der Batterie direkt genutzt werden kann und nicht entsprechend umgesetzt werden muss. Durch die höheren Spannungen kann der magnetische Antrieb außerdem entsprechend kleiner gebaut werden, sodass insgesamt ein sehr kompakter und platzsparender Aufbau entsteht.
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In einer erweiterten alternativen Ausführungsform hiervon kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung über mechanische Mittel selbsttätig betätigbar ist. Derartige mechanische Mittel können beispielsweise Balg- oder Membrantemperaturgeber sein, welche die entsprechende Temperatur direkt in einen Weg umsetzen. Auch Fühlrohre beziehungsweise Kapillarrohre wären entsprechend denkbar. Über einen solchen mechanischen Antrieb kann so eine ohne äußere Beeinflussung selbstregelnd arbeitende Einheit aufgebaut werden, welche im Inneren des Gehäuses der Hochvoltbatterie selbsttätig die Durchströmung mit dem Kühlmedium beeinflusst beziehungsweise regelt.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung zumindest als Teil einer Klimaanlage des Fahrzeugs ausgebildet ist. In einer entsprechend günstigen Weiterbildung hiervon kann das Kühlmittel der Klimaanlage dabei als Kühlmedium für die Vorrichtung genutzt werden. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da er keine zusätzlichen Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen der Klimaanlage und dem durch die Mittel zur Führung des Kühlmediums in dem Gehäuse der Batterie aufgenommenen Wärme benötigt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Idee ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein schematisch angedeutetes Fahrzeug mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
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2 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer vereinfachten schematischen Darstellung; und
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3 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer vereinfachten schematischen Darstellung.
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In der Darstellung der 1 ist ein stark schematisiert dargestelltes Fahrzeug 1 angedeutet. Dieses soll als Hybridfahrzeug ausgebildet sein, welches von einem Verbrennungsmotor 2 einerseits und einer elektrischen Maschine 3 andererseits angetrieben werden kann. Wie es bei solchen Hybridfahrzeugen bekannt und üblich ist, kann beim Abbremsen des Fahrzeugs über die elektrische Maschine 3 im generatorischen Betrieb elektrische Energie zurückgewonnen werden, welche dann über eine hier nicht dargestellte Elektronik im Bereich einer Vorrichtung 4 zum Speichern von elektrischer Energie zwischengespeichert wird. Diese Vorrichtung 4, welche in den 2 und 3 nochmals in einer immer noch stark schematisierten, aber etwas detaillierteren Darstellung zu erkennen ist, ist dabei über Leitungselemente 5 mit einer Klimaanlage 6 des Fahrzeugs 1 verbunden. Die Klimaanlage 6 kann so ganz oder teilweise die Kühlung der Vorrichtung 4 übernehmen.
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Wie in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, soll die Vorrichtung 4 dabei ein Gehäuse 7 und darin angeordnet eine Hochvoltbatterie 8 umfassen. Die Hochvoltbatterie 8 kann, wie hier beispielhaft dargestellt, als Stapel von Batterieeinzelzellen, in diesem Fall beispielsweise Lithium-Ionen-Einzelzellen in Stapelbauweise ausgeführt sein. Eine solche Hochvoltbatterie 8 hat dabei typischerweise eine Spannung von mehr oder auch deutlich mehr als 100 V. Auch andere Anordnungen, beispielsweise die Verwendung einer Vielzahl von runden Einzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie oder auch in einer anderen geeigneten Batterietechnologie sind denkbar.
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Derartige Hochvoltbatterien 8 haben dabei den Nachteil, dass diese sich entsprechend stark erwärmen und gekühlt werden müssen. In der Darstellung der 2 sind dazu entsprechende Mittel 9 zur Führung eines Kühlmediums zu erkennen. Die Anordnung derartiger Mittel 9 zur Führung eines Kühlmediums, typischerweise als von dem Kühlmedium durchströmten Leitungselementen, welche in thermischem Kontakt mit den Einzelzellen der Hochvoltbatterie 8 stehen, ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt, sodass hier lediglich eine beispielhafte Darstellung verwendet wird. Das Kühlmedium soll in diesem Fall das Kältemittel der Klimaanlage 6 sein, welches durch die Leitungselemente 5 zu der Vorrichtung 4 strömt und von dieser auch wieder abströmt. Zur Beeinflussung der Durchströmung beziehungsweise des Volumenstroms des Kühlmediums ist dabei eine Ventileinrichtung 10 vorgesehen. Diese Ventileinrichtung 10 verfügt über einen hier schematisch angedeuteten Antrieb 11. Über die Ventileinrichtung 10 kann so der Zufluss des Kühlmediums entsprechend beeinflusst und unterbrochen oder freigegeben werden. Neben der hier gewählten Darstellung der Ventileinrichtung 10 im Bereich des Zustroms wäre auch eine Anordnung im Bereich des Abstroms oder eine Anordnung zur Beeinflussung sowohl des Zustroms als auch des Abstroms analog denkbar.
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Die Ventileinrichtung 10 ist nun im Inneren des Gehäuses 7 der Vorrichtung 4 angeordnet. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die Ventileinrichtung 10 und ihr Antrieb 11 von Umwelteinflüssen durch das Batteriegehäuse abgeschirmt werden. Damit ist lediglich eine Übergabestelle für das Kühlmedium im Bereich des Batteriegehäuses notwendig, sodass bei der Montage lediglich an dieser einen Stelle eine Verbindung hergestellt werden muss. Dadurch sind eventuelle Probleme mit Undichtheiten und dergleichen gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert. Beispielhaft kann der Antrieb der Ventileinrichtung 10 über ihren Antrieb 11 dabei elektrisch beziehungsweise magnetisch erfolgen. In Fall der 2 ist der Antrieb 11' als Magnetantrieb ausgebildet. Er kann über eine hier ebenfalls im Bereich des Gehäuses 7 angeordneten Steuerelektronik 12 entsprechend angesteuert werden, beispielsweise anhand von Werten, welche eine Sensorik 13 über die Temperatur der Batterie liefert. Der gesamte Aufbau ist dabei in das Gehäuse 7 integriert und entsprechend vor Umwelteinflüssen geschützt. Auch bei einer Lagerung oder einem Bewegen der Vorrichtung 4 vor der Montage in dem Fahrzeug 1 sind die Bauteile entsprechend geschützt und können nicht mechanisch beschädigt oder von dem Gehäuse 7 abgerissen werden. Außerdem erlaubt der Aufbau die Nutzung der elektrischen Leistung der Hochvoltbatterie 8 zum Ansteuern des Antriebs 11. Dieser kann daher als Hochvoltmagnetantrieb ausgebildet werden, welcher entsprechend kleiner und leichter zu konstruieren ist als ein Magnetantrieb, welcher beispielsweise mit den typischerweise im Bordnetz eines Fahrzeugs vorliegenden 12 Volt betrieben werden muss.
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Der Aufbau ermöglicht so also einen sicheren und zuverlässigen Aufbau, bei welchem mit entsprechend einfachen Teilen operiert werden kann, da diese durch das Gehäuse 7 gegen Staub, Feuchtigkeit und dergleichen geschützt sind und damit trotz einfacherer Materialien und einem einfacheren Aufbau sicher und zuverlässig eine hervorragende Qualität ihrer Funktion sicherstellen können.
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Alternativ zu der Darstellung in 2 mit einem Antrieb 11 in Form eines Magnetantriebs 11' ist es auch denkbar, den Antrieb 11 als mechanischen Antrieb 11'' auszubilden. So könnte beispielsweise ein Betrieb der Ventileinrichtung 10 über einen mechanischen Antrieb 11'' in Form einer Membran oder eines Faltenbalgs erfolgen. In der Darstellung der 3 ist ein solcher mechanischer Antrieb 11'' beispielhaft dargestellt. Für die Darstellung wurde dabei ein mechanischer Antrieb 11'' gewählt, welcher die Ventileinrichtung 11 über eine bewegliche Membran 14 betätigt. Die Membran 14 wird dabei in Abhängigkeit einer Temperaturänderung im Bereich der Hochvoltbatterie 8 beziehungsweise ihrer Einzelzellen bewegt. Hierfür steht ein auf der der Ventileinrichtung 10 abgewandten Seite der Membran 14 befindliches Volumen über ein Fühlrohr 15 mit einem eine charakteristische Temperatur liefernden Bereich der Hochvoltbatterie 8 in Verbindung. Um das Volumen des Fühlrohrs 15 selbst zu eliminieren, kann dieses als Kapillarrohr ausgebildet sein. Es leitet dann lediglich die Temperatur aus dem Bereich der Hochvoltbatterie 8 in den Bereich des mit der Membran 14 in Verbindung stehenden Volumens. Je nach Volumenänderung wird sich die Membran 14 entsprechend bewegen und dadurch die Ventileinrichtung 10 betätigen. Dies kann in eine Richtung durch eine Rücksfellfeder unterstützt werden. Die Betätigung kann dabei bevorzugt proportional erfolgen, sodass in Abhängigkeit der Stellung der Membran 14 und damit in Abhängigkeit der Temperatur der Hochvoltbatterie 8 ein entsprechender Durchfluss durch die Ventileinrichtung 10 selbsttätig eingestellt wird. Zur Verstärkung der Bewegung der Membran wäre es denkbar, ein Hebelgetriebe oder Ähnliches einzusetzen, um den Weg der Membran und die von der Membran ausgeübte Stellkraft entsprechend zu über- oder untersetzen. Alternativ zu der Ausgestaltung der Membran 14 wäre auch die Ausgestaltung mit einem Faltenbalg oder Ähnlichem möglich, welcher ebenfalls eine Temperaturänderung in eine mechanische Bewegung umsetzt und damit die Ventileinrichtung 10 entsprechend betätigt.
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Dadurch kann im Inneren des Gehäuses 7 der Vorrichtung 4 eine selbsttätig regelnde Einheit zur Betätigung der Ventileinrichtung 10 aufgebaut werden. Diese kann, wie oben bereits beschrieben, aus entsprechend einfachen und kostengünstigen Materialien realisiert werden, da eine Abschirmung und Abdichtung gegenüber der Umgebung, gegen Staub und dergleichen durch das Gehäuse 7 der Vorrichtung 4 sichergestellt ist.
