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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, mit einem elektrischen Energiespeicher und einer Temperiereinrichtung zur Temperierung des Energiespeichers, wobei der Energiespeicher wenigstens eine elektrische Zelle umfasst und wobei die Temperiereinrichtung einen in thermisch leitendem Kontakt mit dem Energiespeicher stehenden Wärmeträgerkreislauf aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperierung eines Energiespeichers.
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Energiespeicher zur Speicherung und bedarfsweisen Bereitstellung von elektrischer Energie, die allgemein auch als Batterien oder Akkumulatoren bezeichnet werden, sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Der Wirkungsgrad, die Leistung und die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers sind grundsätzlich von der Betriebstemperatur abhängig. Die Energiespeicher sollten weder zu hohen noch zu niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Außerdem sind zu hohe Temperaturgradienten im elektrischen Energiespeicher zu vermeiden. Zudem wirken sich große und wiederkehrende Temperaturschwankungen nachteilig auf die Funktion elektrischer Energiespeicher aus. In diesem Zusammenhang ist neben der Umgebungstemperatur auch zu berücksichtigen, dass sich die elektrischen Energiespeicher aufgrund von elektrischen Wandlungsverlusten stark erwärmen können.
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Daher werden in einigen Fällen Maßnahmen zur Temperierung der Energieträger getroffen, die insbesondere bei mobilen Anwendungen erforderlich sein können. Bei mobilen Anwendungen, etwa in Fahrzeugen, können die auftretenden Temperaturen und Temperaturschwankungen sehr unterschiedlich ausfallen.
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Bekannte Energiespeichersysteme weisen passive Ummantelungen, wie eine Isolation oder einen Wärmespeicher zur Pufferung von Temperaturschwankungen auf. Der Wärmespeicher wird entweder durch ein Material mit hoher Wärmekapazität oder durch ein sogenanntes Phase-Change-Material gebildet. Phase-Change-Materialien (Phasenwechselmaterialien) zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Phasenumwandlungstemperaturen, beispielsweise von fest nach flüssig, im zu puffernden Temperaturbereich liegen und in einem engen Temperaturbereich eine erhebliche Phasenumwandlungswärme aufnehmen und wieder abgeben können. Es kann daher bereits bei geringem Materialeinsatz eine erhebliche Wärmemenge in den Phase-Change-Materialien gespeichert werden.
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Zusätzlich sind aktive Temperierungen bekannt, die einen Wärmeträgerkreislauf aufweisen, in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert. Das Wärmeträgermedium steht dabei in thermisch leitendem Kontakt mit dem Energiespeicher. Als Wärmeträgermedium werden Flüssigkeiten mit hohen Wärmekapazitäten verwendet, die bei entsprechender Masse in einem geringen Temperaturbereich eine nennenswerte Wärmemenge puffern können.
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In der
DE 10 2007 050 812 A1 wird eine Kombination aus einer aktiven Temperierungsvorrichtung und einer passiven Ummantelung für die Temperierung eines elektrischen Energiespeichers beschrieben. Der elektrische Energiespeicher ist umgeben von einer Schicht eines Phase-Change-Materials dessen Phasenumwandlungstemperatur im Bereich der vorgesehenen Betriebstemperatur des elektrischen Energiespeichers liegt. Eingebettet in das Phase-Change-Material ist ein Wärmeträgerkreislauf, durch den ein Wärmeträgermedium gepumpt werden kann, um dem Phase-Change-Material überschüssige Wärme zu entziehen. Die von dem flüssigen Wärmeträgermedium des Wärmträgerkreislaufs aufgenommene Wärme kann bedarfsweise über einen in den Wärmeträgerkreislauf integrierten Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgegeben werden.
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Bei dem bekannten Energiespeichersystem und Verfahren zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers kann es jedoch vorkommen, dass die überschüssige Wärme nicht oder nicht schnell genug abgeführt werden kann. Derartige Probleme hinsichtlich der Dynamik des Systems treten insbesondere bei erhöhten Temperaturen der Umgebungsluft auf, was, insbesondere beim mobilen Einsatz des elektrischen Energiespeichers, über eine längere Zeit der Fall sein kann. Ohne eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen dem Energiespeicher und der Umgebungsluft nimmt die Kühlleistung der Temperiereinrichtung stark ab, so dass es zu einer unerwünschten Überhitzung des elektrischen Energiespeichers kommen kann.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde jeweils das eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Energiespeichersystem und Verfahren zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die Gefahr einer Überhitzung des elektrischen Energiespeichers weiter gesenkt werden kann.
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Diese Aufgabe ist bei einem Energiespeichersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Wärmeträgerkreislauf ein zweiphasiges Wärmeträgermedium mit einem Phase-Change-Material als disperse Phase und einer Flüssigkeit als kontinuierliche Phase aufweist.
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Ferner ist die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers, bei dem ein zweiphasiges Wärmeträgermedium mit einem Phase-Change-Material als disperse Phase und einer Flüssigkeit als kontinuierliche Phase in einem thermisch leitend mit dem elektrischen Energiespeicher verbundenen Wärmeträgerkreislauf umgepumpt wird.
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Im Übrigen ist die Aufgabe gelöst durch die Verwendung des vorgeschlagenen Energiespeichersystems zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs.
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Die Erfindung hat erkannt, dass erfindungsgemäß auf die direkte Pufferung des elektrischen Energiespeichers durch eine mit dem Energiespeicher in thermisch leitendem Kontakt stehenden Schicht aus einem Phase-Change-Material verzichtet werden kann, obwohl diese Schicht bei entsprechender Dicke eine große Wärmemenge puffern kann. Stattdessen wird ein in einer kontinuierlichen Phase des Wärmeträgermediums aufgenommene disperse Phase aus einem Phase-Change-Material vorgesehen.
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Durch das Dispergieren des Phase-Change-Materials im Wärmeträgermedium kann zwar viel weniger Phase-Change-Material in der unmittelbaren Nähe des elektrischen Energiespeichers vorgesehen werden, ohne das Volumen des Energiespeichersystems zu vergrößern. Allerdings kann durch den konvektiven Wärmetransport ein größerer Wärmedurchgangskoeffizient erreicht werden, wobei zudem weit weniger Wärmeträgermedium umgepumpt werden muss als bei Verwendung eines einphasigen Wärmeträgermediums. Während das einphasige Wärmeträgermedium die Wärme lediglich in Form von fühlbarer Wärme aufnehmen kann, kann das zweiphasige Wärmeträgermedium die Wärme in Form von Phasenumwandlungswärme aufnehmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass wegen des im Wärmeträgermedium enthaltenen Phase-Change-Materials eine viel geringere Temperaturdifferenz zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der Umgebung benötigt wird, um eine hinreichende Wärmemenge abführen zu können.
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Der elektrische Energiespeicher und der Wärmeträgerkreislauf stehen vorzugsweise über eine möglichst große Fläche in thermisch leitendem Kontakt. Dabei kann der Wärmeträgerkreislauf den elektrischen Energiespeicher direkt umströmen. Eine Außenseite des elektrischen Energiespeichers bildet dann gleichzeitig einen Teil des Wärmeträgerkreislaufs. Der elektrische Energiespeicher und der Wärmeträgerkreislauf können aber auch getrennt voneinander ausgebildet sein, wobei der Wärmeträgerkreislauf über Wärmetauscherflächen, etwa in Form flächiger Kanäle oder Rohrschlangen, in thermisch leitendem Kontakt mit dem elektrischen Energiespeicher steht.
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Unter einer dispersen Phase wird, wie in der Technik üblich, eine Phase verstanden, die in kleinen voneinander getrennten Partikeln in einer durchgehenden (kontinuierlichen) Phase aufgenommen sind. Vorliegend handelt es sich bei dem entsprechenden Zweiphasensystem des Wärmeträgermediums um eine Dispersion (fest/flüssig) oder eine Emulsion (flüssig/flüssig). Der Zustand des Wärmeträgermediums ist davon abhängig, ob die disperse Phase erstarrt oder geschmolzen vorliegt. In einem Zwischenzustand können dementsprechend zwei flüssige Phasen und eine feste Phase vorliegen. Das Zweiphasensystem ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die disperse Phase im Wesentlichen gleichmäßig bzw. homogen in der kontinuierlichen Phase verteilt vorliegt.
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Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um einen solchen, der allgemein als Batterie oder Akkumulator bezeichnet wird. Der elektrische Energiespeicher weist wenigstens eine elektrische Zelle als kleinste elektrische Energie speichernde Einheit auf. Vorzugsweise umfasst der elektrische Energiespeicher aber eine Vielzahl solcher elektrischen Zellen, die untereinander auf an sich bekannte Weise elektrisch verbunden sind. Der elektrische Energiespeicher kann stationär oder mobil zu betreiben sein. Stationäre Energiespeicher und mobile Energiespeicher können dabei jeweils besondere Anforderungen an die Temperierung stellen.
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Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher um einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Diese Akkumulatoren zeichnen sich durch hohe Leistungs- und Energiedichten, kompakte Abmessungen sowie gutes Lade- und Entladeverhalten aus. Lithium-Ionen-Akkumulatoren eigenen sich daher für den mobilen Einsatz, beispielsweise in Fahrzeugen, etwa als elektrischer Energiespeicher für den elektrischen Antrieb der Fahrzeuge, etwa im Sinne eines reinen Elektroantriebs oder eines Hybridantriebs. Bei dem Fahrzeug kann es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, wie etwa einen PKW, oder ein Nutzfahrzeug, wie etwa einen Lastkraftwagen, handeln.
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Damit die Leistung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufrechterhalten werden kann und deren Alterung verzögert werden kann, sind Betriebtemperaturen jedenfalls zwischen –10°C und 40°C einzuhalten. Auch sollte der Temperaturgradient innerhalb des Lithium-Ionen-Akkumulators einen Wert von 5°C bis 10°C nicht übersteigen.
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Im Folgenden werden wegen der technischen Nähe der Vorrichtung und des Verfahrens und zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung und/oder des Verfahrens weiter gemeinsam beschrieben. Für den Fachmann ergeben sich dabei die bevorzugten vorrichtungsmäßigen und verfahrensmäßigen Ausgestaltungen aus dem jeweiligen Kontext.
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Als Phase-Change-Material kommen aus Stabilitätsgründen und wegen der entsprechenden Phasenumwandlungstemperaturen beispielsweise Paraffin, ein Paraffingemisch, ein Gashydrat oder Mischungen davon in Frage. Dabei werden vorliegend Wachse ebenfalls als Paraffine angesehen. Unter der Stabilität des Phase-Change-Materials wird beispielweise die Neigung zur Koagulation einzelner Partikel zu größeren Partikeln verstanden. Bedarfsweise können bei Verwendung von wenigstens zwei unterschiedlichen Phase-Change-Materialien eine Phasenumwandlung über einen bestimmten Temperaturbereich bereitgestellt werden. Es ist aber auch denkbar, dass ein Phasenwechsel bei einer vorbestimmten unteren Grenztemperatur und ein Phasenwechsel bei einer vorbestimmten oberen Grenztemperatur bereitgestellt wird. Die Grenztemperaturen können dabei insbesondere an den bevorzugten Betriebstemperaturbereich des elektrischen Energiespeichers angepasst sein.
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Bei der kontinuierlichen Phase des Wärmeträgermediums handelt es sich vorzugsweise um Wasser, wenigstens einen Alkohol und/oder Ethylenglykol. Diese Flüssigkeiten weisen eine hohe Wärmekapazität auf, sind über einen weiten Temperaturbereich flüssig und unterstützen die Stabilität des Phase-Change-Materials. Um die Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers zu erhöhen, kommen grundsätzlich auch organische Flüssigkeiten als kontinuierliche Phase in Frage.
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Bevorzugte Ergebnisse hinsichtlich des Strömungsverhaltens des Wärmeträgermediums einerseits und der Wärmetransportprozesse des Wärmeträgermediums andererseits werden erhalten, wenn das Phase-Change-Material eine Partikelgröße zwischen 1 μm und 20 μm aufweist. Mittlere Partikelgrößen zwischen 3 μm und 10 μm sind dabei besonders bevorzugt. Das Phase-Change-Material kann bedarfsweise auch in mikroverkapselter Form vorliegen. Auch in diesem Fall können die vorgenannten Partikelgrößen zu bevorzugten Ergebnissen führen.
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Um den Phasenwechsel dauerhaft mit möglichst gleichbleibenden Eigenschaften sicherstellen zu können, kann die disperse Phase des Wärmeträgermediums wenigstens einen Keimbildner und/oder wenigstens ein Tensid umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die kontinuierliche Phase wenigstens ein Thixotropierungsmittel umfassen. Dabei kann das Tensid dazu beitragen, dass das Wärmeträgermedium nach dem Phasenübergang des Phase-Change-Materials zum flüssigen Zustand eine stabile Emulsion bildet, so dass das Phase-Change-Material anschließend wieder zu kleinen Partikeln erstarren kann. Die Aufgabe des Keimbildners ist es, die für das Erstarren des Phase-Change-Materials erforderliche Unterkühlung zu minimieren. Keimbildner können der Gruppe der Alkanen und Alkenen angehören. Als Tenside kommen anionische Tenside, kathionische Tenside, amphotere Tenside und/oder grenzflächenaktive Mikro- und Nanopartikel sowie beliebige Mischungen davon in Betracht.
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Um dem elektrischen Energiespeicher eine erhöhte Wärmemenge zuführen oder entziehen zu können, kann der Wärmeträgerkreislauf eine Pumpe zur Zwangsumströmung des elektrischen Energiespeichers aufweisen. Es kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher von dem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Dazu kann der elektrische Energiespeicher bedarfsweise entsprechende Kanäle aufweisen und/oder der Wärmeträgerkreislauf durch den elektrischen Energiespeicher hindurchgeführt sein. Zur Temperierung kann es besonders effektiv sein, wenn das Wärmeträgermedium zwischen einer Mehrzahl von elektrischen Zellen des elektrischen Wärmespeichers hindurchgeführt wird oder eine Mehrzahl von elektrischen Zellen umströmt.
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Um einen Teil des Wärmeträgermediums für eine spätere Kühlung oder spätere Erwärmung des elektrischen Energiespeichers bereithalten zu können, kann der Wärmeträgerkreislauf wenigstens einen Vorlagebehälter aufweisen. Wenn der Wärmeträgerkreislauf zwei Vorlagebehälter aufweist, kann je nach Bedarf zusätzliches Wärmeträgermedium zum Kühlen oder Erwärmen bereitgestellt werden. Dabei wird in den Vorlagebehältern dann vorzugsweise Wärmeträgermedium bereitgehalten, das sich hinsichtlich des Verhältnisses zwischen erstarrtem und verflüssigtem Phase-Change-Material unterscheidet. So kann das Phase-Change-Material beispielsweise in einem Vorlagebehälter im Wesentlichen vollständig erstarrt und im anderen Vorlagebehälter im Wesentlichen vollständig geschmolzen sein. Die kontinuierliche Phase bleibt dabei vorzugsweise flüssig, damit das Wärmeträgermedium pumpbar bleibt.
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Alternativ oder zusätzlich kann dem wenigstens einen Vorlagebehälter auch ein Mittel zur Beheizung und/oder Kühlung zugeordnet sein, um den Zustand des Wärmeträgermediums für eine spätere Nutzung in gewünschter Weise einzustellen. So kann beispielsweise während eines Ladevorgangs ein Vorlagebehälter beheizt werden. Dies kann beispielsweise ebenfalls mittels elektrischer Energie erfolgen. Es kann aber auch bedarfsweise unabhängig von einem Ladevorgang elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen werden, um einen Vorlagebehälter zu beheizen oder zu kühlen.
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Durch die Verwendung wenigstens eines Vorlagebehälters kann Wärmeträgermedium für bestimmte Betriebszustände des elektrischen Energiespeichers bereitgehalten werden. Es kann beispielsweise erwärmtes Wärmeträgemedium in einem Vorlagebehälter für einen Kaltstart des elektrischen Energiespeichers bzw. des von diesem angetriebenen Fahrzeugs bereitgehalten werden. Es kann aber auch ein Wärmeausgleich zwischen verschiedenen Fahrzyklen des Fahrzeugs, wie etwa Volllast, Teillast und Stillstand, erreicht werden. Jeder Fahrzyklus führt zu unterschiedlichen thermischen Bedingungen für den elektrischen Energiespeicher.
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Um bedarfsweise Wärme an die Umgebung abgegeben zu können, kann der Wärmeträgerkreislauf auch außerhalb des wenigstens einen Vorlagebehälters einen Wärmetauscher aufweisen. Dieser kann dabei für den Wärmetausch mit Luft, etwa als Rippenrohrwärmetauscher, ausgebildet sein. Die Wärme kann dann als Nutzwärme beispielsweise dem Fahrzeuginnenraum zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmetauscher im Wärmeträgerkreislauf vorgesehen sein, der der Wärmeaufnahme durch das Wärmeträgermedium dient. Die aufgenommene Wärme kann dann beispielsweise dem Fahrzeuginnenraum zu dessen Kühlung entnommen werden. Auch in diesem Fall kann der Wärmetauscher zum Wärmetausch mit Luft ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann auch nur ein Wärmetauscher im Wärmeträgerkreislauf vorgesehen sein, der wahlweise je nach Betriebszustand des elektrischen Energiespeichers bzw. des durch diesen angetriebenen Fahrzeugs zum Einkoppeln oder Auskoppeln von Wärme in bzw. aus dem Wärmeträgerkreislauf dient.
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Um Wärmverluste an die Umgebung zu verhindern und/oder eine unerwünschte Wärmeaufnahme aus der Umgebung zu vermeiden, kann wenigstens abschnittsweise eine thermische Isolation zur thermischen Isolierung des Wärmeträgerkreislaufs vorgesehen sein. Dabei kann die thermische Isolierung vorzugsweise angrenzend des elektrischen Energiespeichers oder diesen umgebend vorgesehen sein. Dadurch kann eine weitere Vergleichmäßigung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Vorlagebehälter mit einer thermischen Isolation versehen sein, um das Wärmeträgermedium im gewünschten Zustand für einen langen Zeitraum bereithalten zu können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems in einer schematischen Schnittansicht,
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2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems in einer schematischen Schnittansicht,
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3 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems in einer schematischen Schnittansicht und
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4 ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems in einer schematischen Schnittansicht.
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In der 1 ist ein Energiespeichersystem 1 dargestellt, das einen elektrischen Energiespeicher 2 mit vier untereinander elektrisch verbundenen elektrischen Zellen 3, in Form von prismatischen Zellen, aufweist. Bei dem dargestellten elektrischen Energiespeicher 2 handelt es sich um einen Akkumulator, der wiederholt aufgeladen wird. Um den elektrischen Energiespeicher 2 bei einer möglichst konstanten Betriebstemperatur betreiben zu können, weist das Energiespeichersystem 1 einen Wärmeträgerkreislauf 4 auf, der nur abschnittsweise dargestellt ist.
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Der Wärmeträgerkreislauf 4 umfasst Kanäle 5, die den elektrischen Energiespeicher 2 umschließen und thermisch leitend mit dem elektrischen Energiespeicher 2 sowie den einzelnen elektrischen Zellen 3 des elektrischen Energiespeichers 2 gekoppelt sind. Um thermische Isolationen zu vermeiden, kann dabei zwischen dem elektrischen Energiespeicher 2 und dem Wärmeträgerkreislauf 4 eine an sich bekannte, thermisch leitfähige Paste vorgesehen sein. Im Wärmeträgerkreislauf 4 wird ein Wärmeträgermedium 5 im Kreis geführt.
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Das Wärmeträgermedium 5 umfasst eine kontinuierliche Phase aus einer Flüssigkeit und eine darin vorgesehene disperse Phase aus einem Phase-Change-Material. Die beim Betrieb des elektrischen Energiespeichers 2 entstehende Wärme gelangt über Wärmleitung zum Wärmeträgerkreislauf 4. Von diesem wird die Wärme aufgenommen und bedarfsweise konvektiv abgeführt. Die Phasenumwandlungstemperatur des Phase-Change-Materials ist an die Betriebstemperatur des elektrischen Energiespeichers 2 angepasst. Auf dem Temperaturniveau der Phasenumwandlungstemperatur des Phase-Change-Materials führt die Wärmeaufnahme zum Schmelzen eines Teils des Phase-Change-Materials. Es kann daher ohne nennenswerten Temperaturgradienten zwischen dem elektrischen Energiespeicher 2 und dem Wärmeträgermedium 5 eine große Wärmemenge abgeführt werden, ohne dass es dazu einer übermäßigen Menge an Wärmeträgermedium 5 bedarf.
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Insbesondere wenn das Phase-Change-Material wenigstens teilweise geschmolzen vorliegt, kann durch das Wärmeträgermedium 5 die Betriebstemperatur des elektrischen Energiespeichers 2 auch dann aufrechterhalten werden, wenn der elektrische Energiespeicher 2 weder auf- noch entladen wird. Die benötigte Wärme wird auf dem Temperaturniveau der Phasenumwandlungstemperatur durch Erstarren des Phase-Change-Materials und daher ohne nennenswerte Abkühlung des elektrischen Energiespeichers 2 bereitgestellt.
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Bei dem in der 2 dargestellten Energiespeichersystem 11 umfasst der elektrische Energiespeicher 12 drei parallele Reihen von elektrischen Zellen 13 in Form von Rundzellen. Diese sind in an sich bekannter Weise miteinander verschaltet. Um den elektrischen Energiespeicher 12 in Form eines Akkumulators herumgeführt ist ein lediglich abschnittsweise dargestellter Wärmeträgerkreislauf 14, der ein Wärmeträgermedium 15 enthält. Angrenzend zum elektrischen Energiespeicher 12 bildet der Wärmeträgerkreislauf 14 einen Kanal, der auf der Innenseite durch das Gehäuse des elektrischen Energiespeichers 12 gebildet wird. Das Wärmeträgermedium 15 entspricht dem Wärmeträgermedium 5 aus 1. Im Unterschied zum in 1 dargestellten Energiespeichersystem 1 ist der in thermisch leitendem Kontakt mit dem elektrischen Energiespeicher 12 stehende Teil des Wärmeträgerkreislaufs 14 von einer Schicht eines thermischen Isolators 16 umgeben. Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 11 wird die Schicht des Isolators 16 durch einen Polyurethanschaum gebildet. Der thermische Isolator umgibt dabei auch den elektrischen Energiespeicher 12 von allen Seiten.
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In der 3 ist ein weiteres Energiespeichersystem 21 dargestellt, das einen elektrischen Energiespeicher 22 mit pouchförmigen elektrischen Zellen 23 aufweist. Der ebenfalls vorgesehene Wärmeträgerkreislauf 24 geht durch den elektrischen Wärmespeicher 22, in dem dazu entsprechende Kanäle zum Durchströmen von Wärmeträgermedium 25 vorgesehen sind. Die Kanäle sind so vorgesehen, dass jede einzelne elektrische Zelle 23 von dem Wärmeträgermedium 25 umströmt wird. Das Wärmeträgermedium 25 ist ein zweiphasig mit einer kontinuierlichen Phase aus Wasser und einer dispersen Phase aus Paraffin. Bei dem in der 3 dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 21 ist auf eine äußere Schicht eines thermischen Isolators verzichtet worden. Dies ist jedoch nicht zwingend.
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Bei dem in der 4 dargestellten Energiespeichersystem 31 ist ein elektrischer Energiespeicher 32 mit mehreren Reihen von einzelnen, untereinander verschalteten, elektrischen Zellen 33 vorgesehen. Die elektrischen Zellen 33 sind in einem Gehäuse aufgenommen, das von einem Wärmeträgerkreislauf 34 umschlossen ist. Der Wärmeträgerkreislauf 34 steht in flächigem, thermisch leitendem Kontakt mit dem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers 32 und ist mit einem zweiphasigen Wärmeträgermedium 35 gefüllt. Der elektrische Energiespeicher 32 ist mitsamt dem um den elektrischen Energiespeicher 32 geführten Teil des Wärmeträgerkreislaufs 34 von einer Schicht eines thermischen Isolators 36 aus Polyurethanschaum umgeben.
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Beim dargestellten uns insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 31 wird das Wärmeträgermedium durch eine kontinuierliche Phase aus einem Wasser-Alkoholgemisch und eine disperse Phase in Form einer Mischung aus Paraffinen gebildet. Ferner können bedarfsweise Additive wie Tenside, Keimbildner und Thixotropierungsmittel enthalten sein. Die Paraffine sind beim dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 31 so ausgewählt, dass wenigstens ein Paraffin eine Phasenumwandlungstemperatur aufweist, die geringfügig oberhalb einer vorbestimmten unteren Grenztemperatur für den bevorzugten Betrieb des elektrischen Energiespeichers 32 liegt. Ein weites Paraffin weist eine Phasenumwandlungstemperatur auf, die geringfügig unterhalb einer vorbestimmten oberen Grenztemperatur für den bevorzugten Betrieb des elektrischen Energiespeichers 32 liegt. Die untere Grenztemperatur kann –10°C und die entsprechende Phasenumwandlungstemperatur ca. 0°C betragen, während die obere Grenztemperatur 40°C und die entsprechende Phasenumwandlungstemperatur ca. 30°C betragen kann.
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Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 31 handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 32 um einen Lithium-Ionen-Akkumulator eines Fahrzeugs. Der elektrische Energiespeicher 32 hält dabei die elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs bereit, wobei das Fahrzeug ein PKW mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb ist. Es ist beabsichtigt, den elektrischen Energiespeicher 32 in einem Temperaturbereich zwischen 10°C und 30°C zu betreiben. Noch besser wäre es für die Alterung und Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers 32, wenn die Betriebstemperaturen zwischen 18°C und 25°C liegen.
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Der geschlossene Wärmeträgerkreislauf 34 weist außerhalb der thermischen Isolation 36 eine Pumpe 37 auf, die für eine Zwangsströmung innerhalb des Wärmeträgerkreislaufs 34 sorgt. Die Zwangsströmung führt das Wärmeträgermedium 35 durch zwei Wärmetauscher 38, 39, die für den Wärmetausch mit Luft vorgesehen und als Rippenrohrwärmetauscher ausgebildet sein können. Einer der Wärmetauscher 38 kann für den Wärmetausch mit der Umgebungsluft des Fahrzeugs und der andere Wärmetauscher 39 für den Wärmetausch mit dem Innenraum des Fahrzeugs ausgebildet sein. Alternativ könnte aber auch nur einer der Wärmetauscher 38, 39 vorgesehen oder auf entsprechende Wärmetauscher 38, 39 gänzlich verzichtet werden.
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Jeder der Wärmetauscher 38, 39 kann zudem nur zur Wärmeabgabe oder nur zur Wärmeaufgabe betrieben werden. Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 31 sind beide Wärmetauscher 38, 39 so ausgelegt und werden beide Wärmetauscher 38, 39 bedarfsweise auch so betrieben, dass wahlweise Wärme vom Wärmeträgermedium 35 abgegeben oder aufgenommen wird.
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Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 31 sind ferner zwei Vorlagebehälter 40, 41 vorgesehen, die Wärmeträgermedium 35 aufnehmen und speichern. Die Vorlagebehälter 40, 41 können über die Stellung entsprechender Ventile 42 separat so geschaltet werden, dass die Vorlagebehälter 40, 41 von dem zirkulierenden Wärmeträgermedium 35 durchströmt werden oder nicht. Die beidem Vorlagebehälter 40, 41 sind von einer Schicht 47 aus einem thermischen Isolator, wie Polyurethanschaum, umgeben, damit auch bei längerer Speicherung von Wärmeträgermedium 35 in den Vorlagebehältern 40, 41 nicht zu viel Wärme zu- bzw. abgeführt wird.
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Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Energiespeichersystem 31 ist jeder Vorlagebehälter 40, 41 mit zwei Wärmetauschern 43, 44, 45, 46 versehen. Jeweils einer der Wärmetauscher 43, 45 kann dabei zum Beheizen und der andere Wärmetauscher 44, 46 zum Kühlen des Vorlagebehälters vorgesehen sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass jeweils ein Wärmetauscher 43, 45 zum Wärmtausch mit anderen Aggregaten des Fahrzeugs dient, während der jeweils zweite Wärmetauscher 44, 46 in einem Fall zum Kühlen des entsprechenden Vorlagebehälters 40 und im anderen Fall zum Beheizen des Vorlagebehälters 41 ausgebildet sind. Dabei kann der Wärmetauscher 46 zum Beheizen auch statt als klassischer Wärmetauscher als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet sein, die im Bedarfsfall beispielsweise über den elektrischen Energiespeicher 32 mit Spannung versorgt wird.
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Alternativ könnte aber auch auf wenigstens einen Wärmtauscher pro Vorlagebehälter verzichtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann es auch ausreichend sein, nur einen oder weitere Vorlagebehälter der beschriebenen Art vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007050812 A1 [0006]
