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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Speichereinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 12 angegebenen Art.
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Für den Betrieb von Elektrofahrzeugen werden zukünftig sehr leistungsstarke elektrische Speichereinheiten in Form von Hochvoltbatterien eingesetzt. Derartige Hochvoltbatterien, welche beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein können, sind jedoch sehr temperatursensibel. Bei tiefen Temperaturen lässt ihre Leistung nach und entsprechend sinkt der Wirkungsgrad dieser Hochvoltbatterie. Hohe Temperaturen führen zu einer vorzeitigen Alterung der Hochvoltbatterien. Als direkte Folge ergibt sich ebenfalls ein entsprechend geringerer Wirkungsgrad der Hochvoltbatterie. Gemäß dem Stand der Technik ist es deswegen bekannt, derartige Hochvoltbatterien für Elektrofahrzeuge in einer Batterieanordnung derart zu verbauen, dass mit Hilfe einer Temperiereinrichtung die Hochvoltbatterien in einem definierten Temperaturfenster vorgehalten sind.
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In 1 ist eine solche Batterieanordnung 10 mit einer Temperiereinrichtung 12 für die Hochvoltbatterie 14 des Elektrofahrzeugs gemäß dem Stand der Technik gezeigt. 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung der Batterieanordnung 10 mit der Temperiereinrichtung 12, wobei die Hochvoltbatterie 14 über einen Heiz- und Kühlkreislauf 16 mittels einer Pumpe 18 und zumindest einem Ventil 20 mit einem Kühler 22, welcher beispielsweise als Kältekompressor ausgebildet ist, und einem Zusatzheizer 24, welcher beispielsweise als PTC ausgebildet ist, gekoppelt ist.
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Der Kühler 22 bzw. der Zusatzheizer 24 müssen mit Energie versorgt werden. Diese Energie wird im vorliegenden Beispiel von der Hochvoltbatterie 14 zur Verfügung gestellt. Insbesondere in den Fällen, wenn das Elektrofahrzeug bei hohen bzw. niedrigen Temperaturen ohne eine externe Stromversorgung geparkt wird, hat dies zur Folge, dass dem Elektrofahrzeug weniger Energie der Hochvoltbatterie 14 für eine eigentliche Fahrleistung, insbesondere für eine entsprechende Reichweite, zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Batterieanordnung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche es ermöglicht, die vorhandene Reichweite der Hochvoltbatterien zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine derartige Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einer elektrischen Speichereinrichtung zu schaffen, mittels welcher ein Elektromotor mit elektrischer Energie versorgbar ist, um das Kraftfahrzeug anzutreiben, und mit einer Temperiereinrichtung, welche ausgebildet ist, die elektrische Speichereinrichtung zu temperieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Temperiereinrichtung einen thermochemischen Wärmespeicher umfasst, wobei der thermochemische Wärmespeicher ausgebildet ist, durch Sorbieren eines Sorbiermediums, beispielsweise Wasser, die elektrische Speichereinrichtung zu temperieren.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Hochvoltbatterie mit Hilfe des thermochemischen Wärmespeichers zu temperieren, ohne dabei nennenswert auf die Energie der Hochvoltbatterie selbst zugreifen zu müssen. Die durch das Sorbieren eines Sorbiermediums in dem thermochemischen Wärmespeicher direkte und indirekte gewonnene Reaktionsenergie stellt sicher, dass ausreichend Energie für das Temperieren der Hochvoltbatterie zur Verfügung steht. Dadurch steht mehr Energie für den Antrieb zur Verfügung, so dass sich mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung höhere Reichweiten erzielen lassen als mit der aus dem Stand der Technik bekannten Batterieanordnung.
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Als vorteilhaft hat es sich in einer Ausführungsvariante erwiesen, wenn die Batterieanordnung weiterhin zumindest ein Behältnis für das Sorbiermedium umfasst, welches, insbesondere über zumindest eine Pumpeinrichtung, mit dem thermochemischen Wärmespeicher gekoppelt ist. Somit kann je nach Bedarf eine entsprechende Menge des Sorbiermediums für die Erzeugung der gewünschten Menge Reaktionsenergie aus dem Behältnis entnommen werden.
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In diesem Zusammenhang hat es sich in einer Ausführungsvariante als vorteilhaft erwiesen, dass mittels der Pumpeinrichtung zum Erleichtern eines Verdunstens des Sorbiermediums in dem Behältnis ein Unterdruck erzeugbar ist. Auf diese Weise kann schnell und effizient eine gewünschte Verdunstungskälte erzielt werden, mittels derer die Hochvoltbatterie temperierbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die Temperiereinrichtung einen mit der elektrischen Speichereinrichtung gekoppelten Heizkreislauf umfassen, welcher ausgelegt ist ein Heizmedium aufzunehmen, wobei der Heizkreislauf derart thermisch mit dem thermochemischen Wärmespeicher gekoppelt ist, dass das Heizmedium mittels des Sorbierens des Sorbiermediums erhitzbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, den thermochemischen Wärmespeicher räumlich beliebig von der Hochvoltbatterie zu trennen und dennoch die entstehende Reaktionswärme für das Temperieren der Hochvoltbatterie zu nutzen.
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Des Weiteren hat es sich in einer weiteren Ausführungsvariante als vorteilhaft erwiesen, dass die Temperiereinrichtung einen mit der elektrischen Speichereinrichtung gekoppelten Kühlkreislauf umfasst, welcher ausgelegt ist ein Kühlmedium aufzunehmen, wobei der Kühlkreislauf derart thermisch mit dem thermochemischen Wärmespeicher gekoppelt ist, dass durch Verdunstung des Sorbiermediums das Kühlmedium kühlbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, den thermochemischen Wärmespeicher räumlich beliebig von der Hochvoltbatterie zu trennen und dennoch die entstehende Verdunstungskälte für das Temperieren der Hochvoltbatterie zu nutzen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die elektrische Speichereinrichtung ein Gehäuse umfasst und dass die Batterieanordnung weiterhin zumindest ein Behältnis für das Sorbiermedium außerhalb des Gehäuses der elektrischen Speichereinrichtung umfasst, wobei der Kühlkreislauf derart an dem Behältnis angeordnet ist, dass durch Verdunstung des Sorbiermediums das in dem Kühlkreislauf vorgehaltene Kühlmedium kühlbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Behältnis räumlich beliebig von der Hochvoltbatterie zu trennen und dennoch die entstehende Verdunstungskälte für das Temperieren der Hochvoltbatterie zu nutzen.
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Eine alternative Ausführung einer Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass die Temperiereinrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, mit welcher der Heizkreislauf und/oder der Kühlkreislauf derart steuerbar ist, dass die elektrische Speichereinrichtung sowohl während einer Fahrt als auch während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs temperierbar ist. Somit kann sehr genau das gewünschte Temperaturfenster für die Temperierung der Hochvoltbatterie gehalten werden. Es ist zum Beispiel denkbar, dass die Steuereinrichtung mit einer entsprechenden Sensorik ausgerüstet ist, die während der Fahrt oder im geparkten Zustand die Temperatur der Hochvoltbatterie überwacht und entsprechend die Temperiereinrichtung derart steuert, dass die Hochvoltbatterie im gewünschten Temperaturfenster gehalten wird. Weiter ist es in einer Variante denkbar, dass ein Benutzer eine Konditionierung der Hochvoltbatterie über ein mobiles Multimediagerät steuert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Speichereinrichtung ein Gehäuse umfasst, wobei das Behältnis für das Sorbiermedium derart in dem Gehäuse angeordnet ist, dass durch Verdunstung des Sorbiermediums die elektrische Speichereinrichtung kühlbar ist. Auf diese Weise ist kein Kühlkreislauf nötig, um die entstehende Verdunstungskälte an den gewünschten Ort zu transferieren. Vielmehr ist die Hochvoltbatterie unmittelbar und direkt aufgrund der auftretenden Verdunstungskälte kühlbar.
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Auch hat es sich in einer Ausführungsvariante als vorteilhaft erwiesen, wenn die Batterieanordnung eine Regeneriervorrichtung, welche insbesondere als Wärmetauscher und/oder als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet ist, umfasst, welche mit dem thermochemischen Wärmespeicher gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, den thermochemischen Wärmespeicher zu regenerieren. Ein vollständig mit Sorbiermedium beaufschlagter thermochemischer Wärmespeicher ist somit regenerierbar und kann anschließend erneut in vorgestellter Weise genutzt werden. In diesem Zusammenhang ist es vorstellbar, dass die elektrische Heizeinrichtung beispielsweise mit elektrischen Strom betrieben wird, welcher zuvor von einem Generator oder einer Wirbelstrombremse aus der Bremsenergie des Kraftfahrzeugs gewonnen wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich in einer Ausführungsvariante als vorteilhaft erwiesen, dass der Wärmespeicher eine Koppelvorrichtung umfasst, die derart ausgelegt ist, dass der Wärmespeicher mit Abwärme, insbesondere
- – von einer Bremse des Kraftfahrzeugs;
- – des Elektromotors des Kraftfahrzeugs;
- – eines Generators des Kraftfahrzeugs
beaufschlagbar ist. Somit ist der thermochemische Wärmespeicher regenerierbar ohne dass dafür die Energie der Hochvoltbatterie verwendet werden müsste.
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Es hat sich in verschiedenen Ausführungsvarianten als vorteilhaft erwiesen, dass der thermochemische Wärmespeicher
- – einen Zeolith und/oder
- – ein Metallhydrid und/oder
- – ein Silikagel umfasst.
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Die genannte Materialien eigenen sich besonders gut, die gewünschte Reaktion herbei zu führen.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich der Energiebedarf auf die Steuerung der Ventile und auf die Pumpen für den Kreislauf beschränkt.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterieanordnung genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren nach Anspruch 12.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Funktionsgleiche Elemente erhalten dabei gleiche Bezugszeichen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß dem Stand der Technik mit einer Temperiereinrichtung, wobei die elektrische Speichereinheit in Form einer Hochvoltbatterie über einen Heiz- und Kühlkreislauf mittels einer Pumpe und zumindest einem Ventil und mit einem Kühler, welcher beispielsweise als Kältekompressor ausgebildet ist, und einem Zusatzheizer, welcher beispielsweise als PTC ausgebildet ist, gekoppelt ist;
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2 eine schematische Darstellung einer Funktionsweise eines thermochemischen Wärmespeichers;
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3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung in einer ersten Variante;
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4 eine weitere, schematische, Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung in der ersten Variante;
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5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung in einer zweiten Variante;
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6 eine weitere, schematische, Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung in der zweiten Variante;
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer Funktionsweise eines thermochemischen Wärmespeichers 38 gezeigt. Wird das Sorbiermedium 34 in dem Behältnis 32 verdampft und über die Leitung 39 zum thermochemischen Wärmespeicher 38 geführt, so wird von dem Behältnis Kälte 28 abgegeben. Aufgrund der Reaktion des Sorbiermediums 34 in dem thermochemischen Wärmespeicher 38, strahlt dieser Wärme 26 aus. Wird umgekehrt Wärme 26 dem thermochemischen Wärmespeicher 38 zugeführt, so wird das Sorbiermedium 34 ausgedampft und über die Leitung 39 zum Behältnis 32 geführt, wo es letztendlich kondensiert und als Kondensat 30 aufgefangen wird.
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Während 1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10 mit einer Temperiereinrichtung 12 gemäß dem Stand der Technik zeigt, ist in 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung 10 mit einer Temperiereinrichtung 12 in einer ersten, beispielhaften Variante zu erkennen.
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Dabei ist eine Hochvoltbatterie 14 mit einem Gehäuse 31 gezeigt, in welchem sowohl ein Behältnis 32 für ein Sorbiermedium 34 als auch ein Heizkreislauf 36 angeordnet ist. Die Temperiereinrichtung 12 umfasst dabei den Heizkreislauf 36, einen thermochemischen Wärmespeicher 38 und das Behältnis 32, in dem angedeutet das Sorbiermedium 34 dargestellt ist. Ferner umfasst die Temperiereinrichtung 12 eine Leitung 39, welche das Behältnis 32 und somit das darin befindliche Sorbiermedium 34 mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 verbindet. Zwischen dem Behältnis 32 und dem thermochemischen Wärmespeicher 38 ist außerdem ein Ventil 40 angeordnet.
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Der Heizkreislauf 36 verläuft dabei in einer ersten Richtung von dem thermochemischen Wärmespeicher 38 bis in den Innenraum des Gehäuses 31 der Hochvoltbatterie 14. In einer zweiten Richtung verläuft der Heizkreislauf 36 zurück zu dem thermochemischen Wärmespeicher 38, wobei in dieser Richtung eine Pumpe 18 zu erkennen ist. Seitlich neben dem thermochemischen Wärmespeicher ist eine Heizspirale 44 angeordnet.
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In 4 ist die erste Variante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 10 mit einer Temperiereinrichtung 12 gemäß 3 in einer detaillierten, schematischen Darstellung zu erkennen. Im Gegensatz zu 3 sind in der 4 noch weitere Details einer ersten Ausführungsvariante dargestellt.
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Die Hochvoltbatterie 14 mit dem zugehörigen Gehäuse 31 weist dabei innen liegend mehrere Batteriezellen 46 auf. Das Behältnis 32, welches in dem Gehäuse 31 angeordnet ist, umfasst dabei mit mehreren Kühlrippen 48 die Batteriezellen 46.
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Über ein Ventil 40 und einen Verdampfer mit Vakuumpumpe 50 ist das Behältnis 32 mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 gekoppelt.
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Ein zweites Behältnis 52 ist ebenfalls mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 verbunden, wobei zwei Verbindungen bestehen und eine erste der Verbindungen ein Ventil 53 aufweist. Das zweite Behältnis 52 ist außerhalb des Gehäuses 31 angeordnet und ist in der gezeigten Ausführungsvariante als Kondensatabscheider ausgebildet.
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Gleichzeitig besteht eine Kopplung dieses zweiten Behältnisses 52 über die zweite Verbindung mit dem ersten Behältnis 32. Über diese zweite Verbindung und ein Ventil 54 ist dabei entweder die Möglichkeit gegeben, das zweite Behältnis 52 mit dem ersten Behältnis 32 zu koppeln oder das zweite Behältnis 52 mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 zu koppeln. Insgesamt bilden das erste Behältnis 32, der Verdampfer mit Vakuumpumpe 50 und das zweite Behältnis 52 mit den Verbindungsleitungen 56 einen Kühlkreislauf 58, in den der thermochemische Wärmespeicher 38 eingebunden ist.
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Des Weiteren ist ein Heizkreislauf 36 vorgesehen. Dieser Heizkreislauf 36, weist dabei Leitungen 60 auf, welche zum Teil in dem thermochemischen Wärmespeicher 38 und zum Teil in dem Gehäuse 31 der Hochvoltbatterie 14 angeordnet sind, wobei ein Ventil 62 zwischen geschaltet ist. Gleichzeitig ist an diesem Heizkreislauf 36 über weitere Leitungen 60 ein Wärmetauscher 64 gekoppelt, wobei ein Ventil 66 zwischen geschaltet ist.
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Nachdem die einzelnen Komponenten näher beschrieben sind, soll anschließend die Funktionsweise näher erläutert werden.
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Der Verdampfer mit Vakuumpumpe 50 ist im eingeschalteten Zustand dazu ausgelegt, das Sorbiermedium 34 in dem Behältnis 32 zu verdunsten. Es entsteht Verdunstungskälte, welche zum Kühlen der Hochvoltbatterie 14 verwendet werden kann. Das nunmehr gasförmige Sorbiermedium 34 gelangt in den thermochemischen Wärmespeicher 38, welcher ausgelegt ist, dieses zu sorbieren. Die dabei entstehende Reaktionswärme kann zum Heizen der Hochvoltbatterie 14 über den Heizkreislauf 36 verwendet werden. Soll jedoch zunächst gekühlt werden, so kann die in diesem Fall überflüssige Reaktionswärme über die Leitungen 60 an den Wärmetauscher 64 weitergeleitet werden. Dazu sind die Ventile 62 und 66 entsprechend zu schalten. Soll jedoch geheizt werden, so ist das Ventil 40 zunächst zu schließen. Gleichzeitig ist das Ventil 54 zu öffnen, so dass das Sorbiermedium 34 aus dem Behältnis 52 in flüssiger Form zu dem thermochemischen Wärmespeicher 38 gelangen kann. Auf diese Weise kann anschließend die auftretende Reaktionswärme in dem thermochemischen Wärmespeicher 38 über den Heizkreislauf 36 zum Heizen der Hochvoltbatterie 14 Verwendung finden. Dazu sind die Ventile 62 und 66 entsprechend zu schalten.
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Ist der thermochemische Wärmespeicher 38 vollständig mit dem Sorbiermedium 34 beaufschlagt, ist in einer Regenerierphase die Zuführung von Wärme nötig, damit das Sorbiermedium 34 ausgeheizt werden kann. Das ausgeheizte Sorbiermedium 34 gelangt dabei über die Verbindungsleitung 56 und dem geöffneten Ventil 53 in das Behältnis 52, welches als Kondensatabscheider ausgebildet ist. So schließt sich ein Kreislauf und der thermochemische Wärmespeicher 38 kann erneut seine eigentliche Funktion erfüllen.
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Fehlt es in dem Behältnis 32 an ausreichend Sorbiermedium 34, kann über die Verbindungsleitung 56 und einer nicht dargestellten Pumpe entsprechend kondensiertes Sorbiermedium 34 von dem Behältnis 52 zu dem Behältnis 32 transferiert werden.
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In 5 ist eine erfindungsgemäße Batterieanordnung 10 mit einer Temperiereinrichtung 12 in einer zweiten, beispielhaften Variante dargestellt.
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Dabei ist eine Hochvoltbatterie 14 mit einem Gehäuse 31 gezeigt, welche über Leitungen 60, welche eine nicht dargestellte Pumpe und Ventile 68 aufweisen, mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 und einem Behältnis 70 gekoppelt ist. Das Behältnis 70 stellt dabei einen Zusammenschluss der in 4 gezeigten Behältnisse 32 und 52 dar. Das Behältnis 70 ist dabei über eine weitere Leitung 72, welche ein Ventil 74 aufweist, mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 gekoppelt. Seitlich neben dem thermochemischen Wärmespeicher 38 ist außerdem eine Heizspirale 44 angeordnet.
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In 6 ist die zweite Variante der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 10 mit einer Temperiereinrichtung 12 gemäß 5 in einer detaillierten, schematischen Darstellung zu erkennen. Im Gegensatz zu 5 sind in dieser Figur noch weitere Details dargestellt. Zu erkennen ist die Hochvoltbatterie 14 mit den Zellen 46 und dem zugehörigen Gehäuse 31. Des Weiteren ist der thermochemische Wärmespeicher 38 zu erkennen, durch den die Leitungen 60 des Heizkreislaufs 36 verlaufen. Diese Leitungen 60 verlaufen ebenso durch das Gehäuse 31 der Hochvoltbatterie 14, wobei Ventile 68 zwischengeschaltet sind. Zwei weitere Leitungen 60 verlaufen zu einem Wärmetauscher 64, wobei ein Ventil 76 zwischengeschaltet ist.
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Ferner ist das aus 5 bekannte Behältnis 70 zu erkennen. Dieses Behältnis 70 ist über den Verdampfer mit Vakuumpumpe 50 und einem Ventil 74 mit dem thermochemischen Wärmespeicher 38 gekoppelt. Es besteht darüber hinaus eine weitere Verbindung zwischen dem thermochemischen Wärmespeicher 38 und dem Behältnis 70, wobei auch hier ein weiteres Ventil 78 zwischen geschaltet ist. Das Behältnis 70 weist außerdem Kühlrippen 80 auf. An diesen Kühlrippen 80 sind weitere, von dem Behältnis 70 getrennt verlaufende Leitungen 60 zu erkennen, welche mit dem Heizkreislauf 36 verbunden sind, wobei die Ventile 68 zwischengeschaltet sind.
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Im Unterschied zur ersten Variante laufen somit in der zweiten Variante an den Ventilen 68 die Leitungen 60 derart zusammen, dass je nach Schaltung der Ventile 68 eine gewünschte Temperatur einstellbar ist.
