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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein das Wärmemanagement von Batteriesätzen und im Speziellen die Verwendung von mikroverkapselten Phasenänderungsmaterialien in Verbindung mit flüssigen Wärmeaustauschmedien, um die Temperatur von Kraftfahrzeugbatteriesätzen zu regeln.
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Lithium-Ionen-Batterien werden in Kraftfahrzeuganwendungen als eine Möglichkeit eingesetzt, herkömmliche Verbrennungsmotoren (ICE, von internal combustion engines) im Fall von Elektrohybridfahrzeugen (HEV, von hybrid electric vehicles) zu ergänzen oder im Fall von Elektrofahrzeugen (PEV von plug-in electric vehicles) zu ersetzen. In beiden Varianten gehören HEV oder PEV zu einer größeren Klasse von Fahrzeugen, die als Elektrofahrzeuge (EV, von electric vehicles) bekannt sind. Die hohe Quellstärkenrate und die allgemein passive Bauweise von Lithium-Ionen-Batterien sorgen sowohl für die Haltbarkeit als auch die Funktionalität, welche erforderlich sind, um als ein Antriebssystem für Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder und ähnliche Auto- oder Fahrzeugplattformen zu dienen.
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Die Temperatur ist einer der wichtigsten Faktoren, welche sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer einer Batterie beeinflussen. Extreme (wie z. B. jene, die während langer Stillstandszeiten in einer kalten oder einer heißen Umgebung oder infolge langer Betriebszeiten und gleichzeitiger Wärmeerzeugung an heißen Tagen erfahren werden) können die Fähigkeit der Batterie beeinträchtigen, einwandfrei zu arbeiten und können in schweren Fällen die Batterie völlig zerstören. In einem bestimmten Szenario könnte der Startbetrieb eines an einem heißen Tag geparkten Fahrzeuges die Batterie einem Temperaturanstieg aussetzen, der ihre sicheren Grenzen übersteigt, wenn nicht eine Vorrichtung vorhanden ist, die sofort verfügbar ist, um die durch solch einen Betrieb erzeugte Überschusswärme zu entfernen. Begleiterscheinungen einer langen Einwirkung von hohen Temperaturen wie diesen können ein vorzeitiges Altern und einen beschleunigten Kapazitätsschwund umfassen, was beides nicht erwünscht ist. Herkömmliche Wärmeableitungsverfahren wie z. B. eine Umlaufluft- und -Flüssigkeitskühlung können sich dabei als effektiv erweisen, solche Nebeneffekte zu vermeiden, aber sie tragen zu dem Fahrzeugsystemgesamtgewicht, der Komplexität und den parasitären Leistungsverbrauchanforderungen bei.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Batteriewärmemanagementsystem auf der Basis eines Phasenänderungsmaterials (PCM, von phase change material) besitzt das Potenzial, Batterietemperaturextreme zu begrenzen, um somit dahingehend zu wirken, die Temperaturgleichmäßigkeit zu erhöhen wie auch den Erwärmungs- und Kühlbedarf zu reduzieren. Dies ist dabei hilfreich, die Lebensdauer wärmeempfindlicher Komponenten wie z. B. der Ladung tragenden Batteriezellen, welche die Baublöcke von Batteriemodulen und Batteriesätzen bilden, zu erhöhen. PCMs können während isothermer Phasenänderungen (d. h. solchen bei einer konstanten Temperatur), wie z. B. von fest zu flüssig oder flüssig zu fest, einen großen Betrag latenter Wärme (in einigen Fällen bis zu fünfzigmal mehr als fühlbare Wärme) aufnehmen und freisetzen. Als solches kann die Verwendung von PCMs dabei hilfreich sein, die Notwendigkeit von aktiven Kühlkomponenten wie z. B. eines Ventilators, eines Gebläses oder einer Pumpe in Umlaufluft- oder Umlaufflüssigkeitskühlsystemen zu reduzieren oder eliminieren. Dies ist insofern von Vorteil, als das PCM die Fähigkeit bereitstellen kann, die Zellentemperatur in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten, ohne Leistung von der Batterie oder einer anderen Energiequelle zu beziehen. Ein Beispiel eines PCM-basierten Ansatzes zum Batteriewärmemanagement ist in einer gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. _______________ mit dem Titel BATTERIES WITH PHASE CHANGE MATERIALS zu finden, die an demselben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, sich im Besitz des Anmelders der vorliegenden Erfindung befindet und hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet ein Wärmemanagementsystem für einen Fahrzeugbatteriesatz eine mikroverkapselte Version eines Wärmemanagementsystems auf PCM-Basis. Diese Version, die als ein MikroPCM bekannt ist, besteht aus sehr kleinen Bikomponenten-Partikeln oder -Kapseln, welche ein Kernmaterial, das für latente Wärmeänderungen innerhalb eines Temperaturbereiches maßgeschneidert ist, der in einem Kraftfahrzeugbatteriesatz typischerweise erfahren wird, zusammen mit einer äußeren Schale oder Kapsel umfassen, die aus einem Polymer oder einem ähnlichen Material hergestellt ist, sodass der Kern und die Schale zusammen ein allgemein kugelförmiges schaumartiges Material definieren. MikroPCM-Kapseln weisen einen Durchmesser im Bereich von weniger als einen Mikrometer bis zu mehreren hundert Mikrometer auf, wobei alle drei Aggregatzustände (Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase) verwendet werden können, um den Kern zu bilden, der mikroverkapselt werden kann. Die Vorteile verglichen mit nicht mikroverkapselten PCMs umfassen einen erhöhten Schutz des Kernmaterials, den einfachen Einbau in andere Materialien und eine verringerte Wahrscheinlichkeit eines Entweichens während des Schmelzens. MikroPCMs können auch in unterschiedlichen Massenanteilen als eine Möglichkeit gemischt werden, ihre thermische Reaktion maßzuschneidern, z. B. die latente Phasenänderungswärme und die Phasenänderungstemperatur einzustellen. Weitere Vorteile umfassen geringe Materialkosten, wobei die Mikroverkapselung zwischen etwa 50 und 90 Prozent eines aktiven Materials umfassen kann.
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In einer speziellen Form umfasst das Wärmemanagementsystem eine Fluidleitung, die derart ausgebildet ist, dass zumindest ein Abschnitt derselben in thermischer Verbindung mit einem Wärme erzeugenden Abschnitt des Batteriesatzes angeordnet ist. Der Wärme erzeugende Abschnitt besteht typischerweise aus den vielen Batteriezellen. Die Fluidleitung (die Teil eines größeren geschlossenen Fluidmedium-Strömungspfadkreises sein kann) ist ausgebildet, um ein Fluidmedium zu transportieren, das zumindest ein MikroPCM als Suspension darin enthält. Durch das Mikro-PCM, das in dem Fluidmedium suspendiert oder sonst wie in dem Fluidmediumdurchgang neben dem Wärme erzeugenden Abschnitt des Batteriesatzes vorhanden ist, kann die dem Kernmaterial des MikroPCM inhärente hohe latente Wärme verwendet werden, um als eine Möglichkeit, die Temperatur der Batteriezelle auszugleichen oder zu regeln, die latente Wärme zu absorbieren (im Fall einer Batteriezelle, die relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist) oder abzugeben (im Fall einer Batteriezelle, die ein Gefrieren oder andere niedrige Temperaturen erfährt).
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In einer weiteren optionalen Form besteht das MikroPCM aus einer äußeren Schale und einem inneren Kern aus einem Material mit einer hohen latenten Wärme, das innerhalb der Schale eingeschlossen ist. In einer Form kann der Kern aus Eicosan hergestellt sein, während die Schale aus einem Material auf Polymerbasis hergestellt ist. Eicosan ist ein Gemisch aus Alkanen auf Paraffinbasis, welches eine hohe latente Schmelzwärme (z. B. etwa 240 kJ/kg) aufweist. Außerdem macht der Schmelzpunkt (37°C) von Eicosan dieses ideal für Elektrofahrzeug- und ähnliche Kraftfahrzeuganwendungen, bei denen das Auftreten einer typischen maximalen Batteriezellenübertemperatur von 40°C zu erwarten ist. Solche PCMs auf Paraffinbasis sind ein hervorragender elektrischer Isolator mit einem elektrischen Widerstand zwischen 1013 und 1017 Ohmmeter. Solch ein hoher elektrischer Widerstand unterstützt einen sicheren und zuverlässigen elektrischen Betrieb. Des Weiteren hat sich solch ein MikroPCM unter verschiedenen Batterielade- und Entladezyklen als haltbar erwiesen, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung eines Mikrokapselschadens aufgrund einer Verbiegung durch Druckkraft unter verschiedenen Batteriebetriebstemperaturen. Während andere Materialien wie z. B. paraffinfreie organische PCM-Fettsäuren verwendet werden können, muss darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass ein Schmelzen oder eine ähnliche Phasenänderung in Temperaturbereichen auftreten, die HEV- oder PEV-Batteriesatz-Betriebstemperaturen entsprechen.
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In einer spezielleren Ausführungsform des MikroPCM kann jedes Partikel zwischen etwa 1 Mikrometer im Durchmesser und etwa 100 Mikrometer im Durchmesser aufweisen. In einer weiteren speziellen Form können mehr als ein MikroPCM vorhanden sein. Es kann z. B. ein erstes Mikro-PCM umfasst sein, welches ausgebildet ist, um eine Phasenänderung bei einer ersten (z. B. niedrigeren) Temperatur zu zeigen, während ein zweites MikroPCM umfasst sein kann, welches ausgebildet ist, um eine Phasen-änderung bei einer zweiten (z. B. höheren) Temperatur zu zeigen. In einer Form fällt die erste Temperatur mit der Gefriertemperatur von Wasser (d. h. etwa 0°C) oder einer kälteren zusammen, während die zweite Temperatur bei einer oberen Grenze der Batteriezelle oder einer anderen temperaturempfindlichen Komponente liegt. Im Fall einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann solch eine obere Temperatur etwa 40°C oder mehr betragen. Das Wärmemanagementsystem kann derart ausgebildet sein, dass die das für den Wärmeaustausch verwendete Fluid transportierende Leitung als eine im Wesentlichen passive Vorrichtung mit einem geschlossenen Kreislauf ausgebildet ist. In einer weiteren Option kann eine Kühlplatte, die ein MikroPCM umfasst, in thermischer Verbindung mit dem Wärme erzeugenden Abschnitt des Batteriesatzes angeordnet werden. Auf diese Weise wirkt die Platte als ein zusätzliches Wärmeaustauschmedium. In einer spezielleren Form weist die Kühlplatte einen oder mehrere in ihrer Oberfläche gebildete Kanäle auf; diese Kanäle können mit dem MikroPCM beladen sein. Solch eine Kühlplatte kann (in einer alternativen Konfiguration) als eine selbstständige [engl. stand-along] Wärmeaustauschvorrichtung arbeiten, sodass im Fall einer Funktionsunfähigkeit der flüssigkeits-basierten Kühlung (oder bei ihrem vollständigen Fehlen) zumindest auf einen Teil des Wärmemanagements der Batteriezellen innerhalb des Batteriesatzes eingegangen wird.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Kraftfahrzeugbatteriesatzanordnung vorgesehen. Die Anordnung umfasst einen Batteriesatz, der ausgebildet ist, um eine Antriebskraft an eine Fahrzeugplattform bereitzustellen, wie auch ein Wärmemanagementsystem, um zumindest eines von einer Heizung und einer Kühlung für den Batteriesatz bereitzustellen. Im Spezielleren steht das Wärmemanagementsystem in thermischer Verbindung mit dem Batteriesatz, wobei eine spezielle thermische Wechselwirkung beinhaltet, dass das Wärmemanagementsystem Wärme von einer Wärme erzeugenden Quelle (z. B. einer oder mehreren Batteriezellen) innerhalb des Batteriesatzes entfernt. In solch einer Konfiguration umfasst das Wärmemanagementsystem eine Fluidleitung, die in thermischer Verbindung mit einem Wärme erzeugenden Abschnitt des Batteriesatzes angeordnet ist, sowie ein Fluidmedium, welches zumindest ein MikroPCM enthält.
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Optional ist eine äußere Schale des Materials aus einem polymeren Material hergestellt. Wie oben stehend erläutert, kann ein Material mit einer hohen latenten Wärme, welches einen inneren Kern bildet, innerhalb der äußeren Schale eingeschlossen sein; dieses Material weist bevorzugt eine latente Schmelzwärme, die bei weniger als etwa 0°C wirksam ist, und eine latente Verdampfungswärme von etwa 40°C auf. Das Erreichen einer Aufnahme oder Abgabe von latenter Wärme kann auch durch das Kombinieren von zwei oder mehreren PCMs, ob in einer gemeinsamen äußeren Schale oder jede als Teil ihrer eigenen einzelnen MikroPCM-Struktur, erreicht werden; in beiden Fällen wird in Erwägung gezogen, dass das Aggregatmaterial thermische verbundstoffähnliche Eigenschaften zeigt. Die Eigenschaften solcher Verbundmaterialien können so maßgeschneidert werden, dass eines von ihnen Phasenänderungen bei einer anderen Temperatur als jener der anderen Materialien durchläuft, aus denen der Verbundstoff besteht.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Batteriesatz, dass ein Fluidmedium mit zumindest einem MikroPCM vorgesehen wird und das Fluidmedium in Wärmeaustauschverbindung mit einer wärmeempfindlichen Komponente innerhalb des Batteriesatzes angeordnet wird. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der in der wärmeempfindlichen Komponente oder dem MikroPCM enthaltenen Wärme zwischen diesen übertragen.
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Die wärmeempfindliche Komponente ist optional eine Batteriezelle. In einer weiteren Option kann eine Kühlplatte umfasst sein, um ein zusätzliches Wärmeaustauschvermögen bereitzustellen. Wie bei dem oben erläuterten Fluid kann die Kühlplatte mit einem oder mehreren MikroPCMs gekoppelt sein, sodass zumindest ein Teil der in einer von der Kühlplatte und der wärmeempfindlichen Komponente enthaltenen Wärme auf die andere übertragen wird. In einer speziellen Form kann/können das eine oder mehrere MikroPCMs durch ein Wärmemanagementsystem mit einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf zirkuliert werden. In einer spezielleren Form kann das System insofern passiv sein, als Pumpen und ähnliche Mittel zum Zirkulieren der das MikroPCM führenden Flüssigkeit nicht notwendig sind. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann das MikroPCM aus vielen verschiedenen MikroPCMs wie z. B. der zuvor erwähnten Verbundstoffform bestehen. Es können z. B. solche unterschiedliche Materialien verwendet werden, um den Wärmeaustausch zwischen diesen und der wärmeempfindlichen Komponente auf ein oder mehrere Temperaturregime maßzuschneidern. Wie oben dargelegt, können MikroPCMs in engem Kontakt mit Batteriezellen als eine Wärmesperre wirken, die wiederum einen reduzierten Leistungsschwund, eine reduzierte Kapazitätsabnahme, eine verbesserte Batterielebensdauer und -haltbarkeit, reduzierte Garantiekosten, eine verbesserte Fahrzeugreichweite und die Verhinderung einer unkontrollierten Wärmezunahme zur Folge hat.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Fahrzeugantriebssystem in der Form eines Batteriesatzes;
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2 ist eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines Abschnittes eines Batteriemoduls, welches den Batteriesatz von 1 bildet, wobei das Modul Komponenten für einen Flüssigmedium-Wärmeaustausch mit den Batteriezellen innerhalb des Moduls umfasst;
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3 ist ein Diagramm einer Dynamischen Differenz-Thermoanalyse (DSC), welches die Phasenänderungseigenschaften einer Masse eines MikroPCM mit Laborqualität zeigt, das Eicosan als das Material mit einer hohen latenten Wärme verwendet;
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4 ist ein Diagramm, das Wärmetests eines MikroPCM, welches Eicosan als das Material mit einer hohen latenten Wärme verwendet, in einer Klimakammer zeigt;
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5 zeigt eine optionale Kühlplatte mit darin gebildeten Vertiefungen, welche eine Nasskuchenform des MikroPCM aufnehmen können;
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6 zeigt, wie in einem Fluidmedium suspendierte MikroPCMs dazu gebracht werden können, durch die Kanäle einer Kühlmittelplatte hindurch zu gelangen; und
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7 zeigt einen schematischen geschlossenen Fluidmedium-Strömungspfadkreis und seine Wechselwirkung mit einem Batteriesatz.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Zuerst Bezug nehmend auf 1 ist ein Fahrzeugantriebssystem, welches mehrere Batteriesätze 10 (auch als Batteriemodule bekannt) verwendet, in einer Teilexplosionsdarstellung gezeigt. Abhängig von der gewünschten Leistungsabgabe können mehrere Batteriesätze 10 kombiniert sein, um ein Batterieteilstück 100 zu definieren; solche können derart ausgerichtet sein, dass sie durch einen gemeinsamen Sockel 200 getragen sind, der auch als Träger für Kühlmittelschläuche 300 dienen kann, die in Konfigurationen verwendet werden können, in denen eine zusätzliche Kühlung erwünscht sein kann. Eine Stirnwand 400 kann eine primäre Trägerstruktur definieren, die als eine Grenzfläche für die Kühlmittelschläuche 300 fungieren kann, sowie eine Batterietrenneinheit in dem Fall beherbergen kann, in dem eine Batteriewartung erforderlich ist. Zusätzlich zum Bereitstellen eines Trägers für das Batterieteilstück 100 können der Sockel 200 und die Stirnwand 400 andere Module, wie z. B. ein Spannungs-, Strom- und Temperaturmessmodul 500 tragen. Es ist die Anordnung einzelner Batteriezellen 35 (nachfolgend in größerem Detail erläutert) in Bezug auf die Batteriesätze 10, wie auch die Abdeckung derselben durch ein Spannungs- und Temperatur-Submodul 600 gezeigt. In einem typischen Beispiel kann der Batteriesatz 16 etwa zweihundert einzelne Batteriezellen 35 umfassen. Weitere Merkmale wie z. B. ein manuelles Service-Trennelement 700, eine Isolierung 800 und eine Abdeckung 900 vervollständigen Fahrzeugantriebssystem 1.
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Zusätzlich zu der zuvor erwähnten Batterietrenneinheit können andere Leistungselektronikkomponenten einschließlich eines Batteriemanagementsystems oder ähnliche Steuergeräte für das Batterieteilstück 100 verwendet werden. In flüssiggekühlten Batteriesätzen (wie dem hierin offenbarten) sind solche Elektronikkomponenten nicht gekühlt, ungeachtet dessen, dass sie sehr nahe an den vielen Batteriesätzen 10 angeordnet sind. Infolgedessen können solche Wärme erzeugende Komponenten in der Nähe befindliche Sätze 10 aufheizen und dadurch eine uneinheitliche Degradation der Zellen 35 und eine damit einhergehende Unausgewogenheit zwischen denselben erzeugen. Da die meisten dieser Leistungselektronikkomponenten oben und am Ende des Batteriesatzes 10 angeordnet sind, kann ein MikroPCM der vorliegenden Erfindung, das auf Kühlplatten 30 (nachfolgend in größerem Detail erläutert) zwischen solchen Komponenten und den Zellen 35 der Batteriesätze 10 angeordnet ist, als Kühlkörper wirken, um die erzeugte Wärme durch ein Mittel auf Luft- oder Flüssigkeitsbasis konvektiv aufzunehmen und anschließend abzuleiten.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine Ausführungsform eines Abschnittes des Batteriesatzes 10 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Ein Endrahmen 15 und ein sich wiederholender Rahmen 20 bilden die Basis für die Struktur des Batteriesatzes. Der Endrahmen 15 kann einen Randabschnitt 25 aufweisen, der eine Kühlplatte 30 umgibt, welche Rippen für zusätzliche Stabilität umfassen kann. Es gibt Batteriezellen 35, Kühlrippen 40 und Schaum-Isolatortafeln 45, wobei die letzten beiden Merkmale in größerem Detail in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. ______________ mit dem Titel BATTERY THERMAL INTERFACES WITH MICROENCAPSULATED PHASE CHANGE MATERIALS FOR ENHANCED HEAT EXCHANGE PROPERTIES, die an demselben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, sich im Besitz des Anmelders der vorliegenden Erfindung befindet und hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist, und der zuvor erwähnten Anmeldung mit dem Titel BATTERIES WITH PHASE CHANGE MATERIALS erläutert sind. Die Endrahmen 15 und die sich wiederholenden Rahmen 20 sind typischerweise aus einem leichten, nicht leitfähigen Material wie z. B. Kunststoffen (z. B. Polypropylen, Nylon 6-6) und anderen kostengünstigen Materialien hergestellt. Die Rahmen 15, 20 können zur strukturellen Festigkeit faserverstärkt sein, falls erwünscht. Eine isolierende Tafel 50 ist zwischen der Batteriezelle 35 und der Kühlplatte 30 angeordnet, um die Batteriezelle 35 zu schützen. In einer bevorzugten Form ist die isolierende Tafel 50 aus einem Kunststoff oder einem ähnlichen Material hergestellt und ist an der Kühlplatte 30 fixiert. Zwischen der isolierenden Tafel 50 und der Kühlplatte 30 befindet/n sich ein oder mehrere Thermistoren (nicht gezeigt), um die Batteriezellen 35-Temperatur zu überwachen. In einem Batteriemodul 10 können sich viele Thermistoren befinden, z. B. einer für jede isolierende Tafel 50/Kühlplatte 30/Batteriezellen 35-Grenzfläche. Es werden zusätzliche Komponenten wie z. B. Paketplatten, innere Spannungsverbindungsplatten oder dergleichen (von denen keine gezeigt ist) verwendet, um dabei hilfreich zu sein, den zusammengebauten Batteriesatz 10 zu bilden.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 6 und 7 kann das MikroPCM in einer bevorzugten Form in einem flüssigen Kühlmittel suspendiert sein, welches allgemein durch einen geschlossenen Fluidmedium-Strömungspfadkreis 1000 und im Spezielleren durch eine oder mehrere Kühlrippe/n 40 hindurch zirkuliert werden kann, die einen Abschnitt des Batteriesatzes 10 ausmachen. In dieser Konfiguration kann die Suspension (die ein Glykol/Wasser-Gemisch, z. B. in einem 50/50-Verhältnis enthalten kann) dazu gebracht werden, von einem Einlass 40A durch den Kühlströmungspfad 40C hindurch zu einem Auslass 40B zu gelangen, wobei der Strömungspfad 40C die Form vieler, im Wesentlichen paralleler, einzelner Pfade oder Kanäle annehmen kann, wie insbesondere in 6 gezeigt. In einer Form können viele Kühlrippen 40 innerhalb einer stapelartigen Konfiguration des Batteriesatzes 10 angeordnet sein. Wie oben erwähnt, kann die Anordnung der Kühlplatten 30 um den Umfang des Batteriesatzes 10 (wie z. B. an einem oder mehreren der gegenüberliegenden Enden davon, wie z. B. in 2 gezeigt) herum eine besonders zweckdienliche Möglichkeit darstellen, um einen zusätzlichen Wärmetransfer als Möglichkeit bereitzustellen, uneinheitliche Wärmebedingungen zu verhindern. Unter spezieller Bezugnahme auf 7 ist ein geschlossener Fluidmedium-Strömungspfadkreis 1000 gezeigt, welcher thermisch mit dem Fahrzeugantriebssystem 1 in Wechselwirkung steht, welches wiederum aus zahlreichen Batteriesätzen 10 besteht. In einer Form fungiert der Strömungspfad 1000 als ein Kühlkreis (z. B. in Fällen, in denen eine zusätzliche Kühlung der Batteriezellen 35 oder ähnlicher Geräte in den Batteriesätzen 10 erforderlich ist), während der Strömungspfad 1000 in einer weiteren Form als ein Heizkreis fungieren kann (z. B. in Fällen, in denen die Batteriezellen 35 oder ähnliche Geräte in den Batteriesätzen oder -modulen 10 für einen längeren Zeitraum Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt waren). Der Strömungspfad 1000 kann eine Leitung oder eine ähnliche [engl.: elated] Rohrleitung 1100 umfassen, um das Fluidmedium zu befördern, und kann eine optionale Pumpe 1200 und Ventile (nicht gezeigt) verwenden. Fachleute auf dem Gebiet werden einsehen, dass in einer rein passiven Ausgestaltung des Strömungspfades 1000 die Pumpe 1200 nicht vorhanden sein würde; sowohl die aktive als auch die passive Version befinden sich innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung. Es können auch zusätzliche Baugruppen wie z. B. Radiatoren, Kühler und diesbezügliche Wärmeaustauschergeräte (von denen keines gezeigt ist) als Teil des Strömungspfades 1000 verwendet werden.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 ist ein Abschnitt einer repräsentativen Kühlplatte 30 gezeigt. Wie oben angegeben, können Vorrichtungen wie die Kühlplatte 30 (sowie die Schaum-Isolatortafel 45) verwendet werden, um einen zusätzlichen Wärmetransfer zu der durch die Kühlrippen 40 und den Strömungspfad 1000 hindurch zirkulierenden, mit MikroPCM infundierten Flüssigkeit bereitzustellen. Solch ein zusätzlicher Wärmetransfer kann besonders in Fällen nützlich sein, in denen ein Gebiet innerhalb des Batteriesatzes 10 verschiedene Grade an Wärmetransfer erfordern kann. Die Kühlplatte 30 als solche kann als massivere Version der Schaum-Isolatortafel 45 betrachtet werden. In einer allgemein der Schaum-Isolatortafel 45 ähnlichen Weise rührt ein Vorteil des Koppelns des MikroPCM mit der Kühlplatte 30 von seiner Nähe zu den Wärme erzeugenden Zellen 35 her.
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Die Ausgestaltung der Kühlplatte 30 ist derart, dass einzelne darin gebildete Kanäle 30A verwendet werden können, um zuzulassen, dass die Platte 30 als ein thermischer Verbundwerkstoff wirkt, wobei (falls Bedarf besteht) verschiedene Kanäle 30A darin angeordnete verschiedentlich maßgeschneiderte MikroPCMs aufweisen können. In einer Form können die thermischen Phasenänderungseigenschaften (z. B. entweder von fest zu flüssig oder von flüssig zu fest) so gestaltet sein, dass sie bei zwei verschiedenen Temperaturen auftreten. Auf diese Weise können Gebiete, von denen zu erwarten ist, dass sie anderen thermischen Umgebungen als ihre Nachbarn ausgesetzt sind, MikroPCMs mit latenten Wärmeeigenschaften umfassen, die für spezielle Temperaturregime maßgeschneidert sind. In einer Form kann ein MikroPCM (welches z. B. in einem oder mehreren der Kanäle 30A angeordnet sein kann) derart hergestellt sein, dass es seine Phasenänderung bei einer niedrigen Temperaturgrenze (z. B. etwa –10°C) aufweist, und ein anderes MikroPCM, dass es seine Phasenänderung bei einer hohen Temperaturgrenze (z. B. etwa 45°C) aufweist. Diese Werte sind rein beispielhaft angeführt; Fachleute auf dem Gebiet werden einsehen, dass die Temperaturen, bei denen die Materialien mit latenter Wärme des MikroPCM auf die speziellen Bedürfnisse des Batteriesatzes 10 maßgeschneidert werden können, und dass alle diese Temperaturbereiche innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Solch eine doppelte Temperaturaktivierung ist dabei hilfreich, die Batteriezellentemperatur 35 über längere Zeiträume und über stark schwankende Temperaturbedingungen aufrechtzuerhalten. In Fällen, in denen größere thermische Ausschläge (z. B. höhere Temperaturen) erfahren werden können, können die durch die Kühlplatte 30 ermöglichte erhöhte Leistung wie auch ein zusätzlicher durch den Strömungspfad 1000 enthaltener Kühlkreis eine zusätzliche Schutzmaßnahme für die Batteriezellen 35 oder andere wärmeempfindliche Komponenten innerhalb des Batteriesatzes 10 bereitstellen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 werden Ergebnisse von DSC-Tests verwendet, um die Phasenänderungseigenschaften einer Masse von MikroPCM-Eicosan mit Laborqualität zu bestimmen. Die in diesem Test verwendete Abtastrate betrug 5°C pro Minute und der Temperaturbereich wurde zwischen –50°C und 80°C gesteuert. Die Spitzen zeigen eine Phasenänderung beim Erwärmen (oben) und Abkühlen (unten) an. Die Spitze auf der oberen Kurve zeigt das Verhalten des Fest/Flüssig-Phasenänderungsübergangs, während die Fläche unter der Spitze die latente Wärme für den Fest/Flüssig-Übergang (d. h. die latente Schmelzwärme) ist; in dem vorliegenden Beispiel ergab sich eine latente Wärme von 185,6 J/kg. Diese Kurve zeigt auch an, dass die Flüssigkeit bei 32,28°C in Erscheinung tritt, und dass Eicosan bei 36,35°C vollständig flüssig ist. Ebenso zeigen die Spitzen unten gemeinsam das Verhalten des Flüssig/Fest-Phasenänderungsübergangs, wobei die linke Spitze den Flüssig/Flüssig-Phasenänderungsübergang zeigt, der dem Eicosan zugeordnet ist, während die rechte Spitze den Flüssig/Fest-Phasenänderungsübergang zeigt. Die Fläche unter diesen Spitzen ist die latente Wärme für den Fest/Flüssig-Übergang; in dem vorliegenden Beispiel ergab sich eine latente Wärme von 190,7 J/kg. Diese Kurve zeigt auch an, dass festes Eicosan bei 35,07°C in Erscheinung tritt und dass es bei 31,67°C vollständig fest ist.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 4 und 5 sind die Ergebnisse der thermischen Tests von MikroPCM-Eicosan gezeigt, die von dem gegenständlichen Erfinder durchgeführt wurden. Im Speziellen wurde der Test in einem Klimakammer-Testaufbau durchgeführt, wobei der Temperaturverlauf zwischen 23°C und 48°C lag. Die untere Kurve (die der Mikro-PCM-Temperatur entspricht) zeigt, dass eine Probe von 12,1 Gramm Eicosan in der Lage war, eine 1 Stunde lang bei ungefähr 37°C zu bleiben, während sie erwärmt wurde.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „vorzugsweise” „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken, oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht. Gleichermaßen werden Ausdrücke wie z. B. „im Wesentlichen” verwendet, um den inhärenten Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Er wird auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelnen Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert werden. Zum Beispiel kann eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder eine Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet etc. umfassen. Des Weiteren sind Varianten der Begriffe „Kraftfahrzeug” „kraftfahrzeugtechnisch”, „fahrzeugtechnisch” oder dergleichen so gemeint, dass sie allgemein auszulegen sind, sofern nicht der Kontext anderes verlangt. Als solches wird eine Bezugnahme auf ein Kraftfahrzeug so zu verstehen sein, dass sie Personenkraftwagen, Busse, Motorräder und weitere ähnliche Arten von Verkehrsmittel umfasst, sofern nicht im Kontext Spezielleres wiedergegeben ist.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
