DE102013013257A1 - Device with electrochemical storage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine zumindest einen elektrochemischen Speicher umfassende Vorrichtung, die wechselnden Umgebungstemperaturen bzw. Einstrahlverhältnissen ausgesetzt ist. Aufgabe der Erfindung ist es, die dem elektrochemischen Speicher in Form von elektrischer Energie entnehmbare Energiemenge zu optimieren bzw. seine Lebensdauer bei niedrigen, mittleren und hohen Umgebungstemperaturen und Einstrahllasten zu verbessern. Dies geschieht durch Kontrolle der Wärmeströme zwischen elektrochemischem Speicher und Umgebung, beispielsweise durch erfindungsgemäße fluidumströmte Schildelemente, gezielten Einsatz thermischer Isolierung und Wärmeleitung und geeigneten Kombinationen hiervon.The invention relates to a device comprising at least one electrochemical accumulator, which is exposed to changing ambient temperatures or Einstrahlverhältnissen. The object of the invention is to optimize the amount of energy that can be removed from the electrochemical store in the form of electrical energy or to improve its service life at low, medium and high ambient temperatures and irradiation loads. This is done by controlling the heat flows between the electrochemical storage and the environment, for example by fluid-flow shield elements according to the invention, targeted use of thermal insulation and heat conduction and suitable combinations thereof.
Description
Die Erfindung betrifft eine zumindest einen elektrochemischen Speicher umfassende Vorrichtung, die wechselnden Umgebungstemperaturen bzw. Einstrahlverhältnissen ausgesetzt ist.The invention relates to a device comprising at least one electrochemical accumulator, which is exposed to changing ambient temperatures or Einstrahlverhältnissen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die aus dem elektrochemischen Speicher in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung entnehmbare Energiemenge zu optimieren und seine Lebensdauer zu verbessern.The object of the invention is to optimize the amount of energy removable from the electrochemical storage in the form of electrical energy at full discharge and to improve its service life.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These objects are achieved by a device having the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die physikalischen Hintergründe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der Stand der Technik gestalten sich wie folgt:
Die Temperatur eines elektrochemischen Speichers ergibt sich im stationären Zustand aus der Bilanz der wesentlichen Wärmeströme:
The temperature of an electrochemical store results in the steady state from the balance of the significant heat flows:
Dabei bezeichnen: C1: eine Konstante, die geometrische Faktoren, Wärmeübergänge, Wärmeleitfähigkeiten der vom Wärmestrom durchflossenen Materialien etc. beinhaltet; qSt: ist der Wärmeeintrag auf der Speicher-Gehäuseoberfläche infolge Strahlung; qAbw: ist der Wärmeeintrag infolge Abwärme des elektrochemischen Speichers im Betrieb; qSonst: bezeichnet sonstige Wärmequellen/Senken, beispielsweise Abwärme eines in Speichernähe verbauten Motors; TUmgebung: bezeichnet die Umgebungstemperatur sowie TSpeicher: die Speichertemperatur.Where: C1: a constant that includes geometric factors, heat transfer, thermal conductivities of the heat flow-through materials, etc.; q St : is the heat input on the memory housing surface due to radiation; q Abw : is the heat input due to waste heat of the electrochemical storage in operation; q Otherwise : refers to other heat sources / sinks, for example waste heat from a motor installed near the storage tank; T environment : refers to the ambient temperature and T memory : the storage tank temperature.
Unter Vernachlässigung der sonstigen Wärmequellen/Senken können daraus folgende Schlüsse für einen stationären Zustand gezogen werden:
- • Im Betrieb liegt die Speichertemperatur – infolge Abwärme der elektrochemischen Prozesse im Speicher- stets oberhalb der Umgebungstemperatur. Die praktische Speichertemperatur bzw. Temperaturdifferenz zur Umgebung ergibt sich aus der Qualität der Wärmedämmung zwischen Speicher und Umgebung sowie der stationär im Speicher produzierten Abwärmemenge.
- • Wird der Speicher nicht betrieben, liegt die Speichertemperatur bei Wegfall von Einstrahlungsenergie (z. B. nachts) auf dem Niveau der Umgebungstemperatur
- • Liegt eine Einstrahlungssituation (z. B. Sonneneinstrahlung auf das Speichergehäuse) vor, liegt die Speichertemperatur stets oberhalb der Umgebungstemperatur. An wolkenlosen Sommertagen kann auch in gemäßigten Breiten die Temperaturdifferenz zur Umgebung leicht bis zu 20°C oder mehr betragen.
- • During operation, the storage temperature - due to the waste heat of the electrochemical processes in the storage tank - is always above the ambient temperature. The practical storage temperature or temperature difference to the environment results from the quality of the thermal insulation between the storage tank and the surrounding area as well as the waste heat quantity produced in the storage tank.
- • If the storage tank is not operated, the storage tank temperature will be at the level of the ambient temperature if there is no radiation energy (eg at night)
- • If there is an irradiation situation (eg solar radiation on the storage housing), the storage temperature is always above the ambient temperature. On cloudless summer days, even in temperate latitudes, the temperature difference with the surroundings can easily reach 20 ° C or more.
Es ist weiter bekannt, dass die in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung entnehmbare Energiemenge eines elektrochemischen Speichers im Betrieb bei hohen Temperaturen bzw. bei Überschreitung der zulässigen Betriebstemperaturen infolge Überhitzung durch die dann erforderliche Notabschaltung signifikant eingeschränkt wird- eine Nutzung der gespeicherten Restenergie ist dann erst nach Abkühlung unter die zulässige Maximaltemperatur wieder möglich.It is further known that the removable in the form of electrical energy at full discharge amount of energy of an electrochemical storage in operation at high temperatures or exceeding the allowable operating temperatures due to overheating by the then required emergency shutdown is a use of stored residual energy is only then after cooling below the permissible maximum temperature again possible.
Weiter ist bekannt, dass die Lebensdauer eines elektrochemischen Speichers bzw. elektrochemischer Zellen bei hohen, aber im Sinne der zulässigen Betriebstemperatur noch erlaubten, Temperaturen signifikant, z. B. infolge verstärkter Alterung von Komponenten des elektrochemischen Speichers, abnimmt.It is also known that the life of an electrochemical storage or electrochemical cells at high, but within the meaning of the permissible operating temperature still allowed temperatures significantly, z. B. due to increased aging of components of the electrochemical storage decreases.
Nach allgemeiner Konvention gilt das Ende der Lebensdauer eines elektrochemischen Speichers als erreicht, wenn der elektrochemische Speicher nicht mehr in der Lage ist, aus vollgeladenem Zustand und bei Referenztemperaturen bei einem vorgegebenen elektrischen Entladestrom eine vorgegebene Mindestkapazität zu liefern bzw. aus vollgeladenem Zustand eine vorgegebene elektrische Dauerleistung bis zur vollständigen Entladung zu liefern.According to a general convention, the end of the life of an electrochemical storage is considered to be reached when the electrochemical storage is no longer able to deliver a predetermined minimum capacity from fully charged state and reference temperatures at a given electrical discharge current or fully charged state a predetermined continuous electrical power to deliver until complete discharge.
Ein weiteres Problem, das in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung adressiert wird, ist die bekannte Tatsache, dass die einem elektrochemischen Speicher in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung entnehmbare Energiemenge bei niedrigen, aber im Sinne der zulässigen Betriebstemperatur erlaubten, Temperaturen infolge zusätzlicher, zellinterner Widerstandsverluste (Innenwiderstand) signifikant zurückgeht.Another problem addressed in a preferred embodiment of the invention is the well-known fact that the amounts of energy removable at full discharge from an electrochemical storage device are low, but allowable within the permissible operating temperature, due to additional cell internal resistance losses (Internal resistance) decreases significantly.
Erfindungsgemäße elektrochemische Speicher sind in diesem Zusammenhang Primärzellen, Sekundärzellen und Tertiärzellen, insbesondere, aber ohne Beschränkung hierauf, Lithium-Ionen-Primärzellen, Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatorzellen, Blei-Säure-Akkumulatorzellen, Nickel-Cadmium-Akkumulatorzellen und Polymerelektrolytbrennstoffzellen. Bei Tertiärzellen ist ein ggf. erforderlicher Brennstoff- bzw. Oxidatortank ggf. ebenfalls Bestandteil des Speichers.Electrochemical storage devices according to the invention in this context are primary cells, secondary cells and tertiary cells, in particular, but not limited thereto, lithium ion primary cells, lithium ion secondary cells, nickel metal hydride secondary cells, lead acid secondary cells, nickel cadmium secondary cells and polymer electrolyte fuel cells. For tertiary cells, a possibly required fuel or oxidizer tank may also be part of the storage.
Die Lösung der hier geschilderten Problematik erfolgt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die zumindest einen elektrochemischen Speicher zumindest bereichsweise in Form eines Gehäuses, ggf. mit Anbauteilen, umschließt und die Mittel zur Veränderung des Wärmedurchgangswiderstandes bzw. zur Reduzierung des Wärmeeintrags in den Speicher durch Einstrahlung umfasst bzw. die über Mittel zur Beeinflussung des Wärmestroms aus dem Speicher an die Umgebung bzw. aus der Umgebung an den Speicher umfasst.The solution to the problem described here is carried out by the device according to the invention, at least one electrochemical storage at least partially in the form of a housing, if necessary with attachment parts, encloses and the means for changing the heat transfer resistance or for reducing the heat input into the memory by irradiation comprises or comprises means for influencing the heat flow from the memory to the environment from the environment or to the memory.
Der Stand der Technik wird im Folgenden exemplarisch beschrieben anhand eines Lithium-Ionen-Akkumulatorspeichers für ein Elektrofahrrad. Er gilt für ähnliche, auch rein stationär eingesetzte, Speicher analog.The prior art is described below by way of example with reference to a lithium-ion accumulator memory for an electric bicycle. It applies to similar, even purely stationary used, memory analog.
Gemäß dem Stand der Technik besteht ein solcher Speicher aus einem Paket elektrisch verschalteter Akkumulatorzellen, im Folgenden als ”Zellpaket” bezeichnet, wobei die gewünschte Arbeitsspannung des elektrochemischen Speichers durch elektrische Serienschaltung einer zweckmäßigen Anzahl solcher Zellen erreicht wird. Die gewünschte Speicherkapazität wird im Folgenden durch Verwendung von Zellen mit entsprechender Kapazität bzw. einer elektrischen Parallelschaltung jeweils mehrerer Zellen pro Spannungsebene erzielt. Die elektrische Ausführung der Parallel- und Serienschaltung bei Akkumulatorzellen erfolgt in der Regel durch metallische Zellverbinder, die die Pole benachbarter Zellen verbinden und mit einem geeigneten Fügeverfahren (z. B. Schweißen, Löten, Schrauben etc.) an den jeweiligen Zellpolen fixiert werden.According to the prior art, such a memory consists of a packet of electrically connected battery cells, hereinafter referred to as "cell pack", wherein the desired operating voltage of the electrochemical storage is achieved by electrical series connection of a convenient number of such cells. The desired storage capacity is achieved in the following by using cells with appropriate capacity or an electrical parallel connection of a plurality of cells per voltage level. The electrical design of the parallel and series connection in accumulator cells is usually carried out by metallic cell connectors that connect the poles of adjacent cells and fixed with a suitable joining method (eg., Welding, soldering, screws, etc.) to the respective cell poles.
Ein Zellpaket mit solcher elektrischer Verschaltung wird im Allgemeinen durch Angabe des verwendeten Zelltyps und der Anzahl der Serien- und Parallelverschaltungsebenen charakterisiert. Außerdem werden die Nennspannung und die (Gesamt-)Nennkapazität des Zellpaketes genannt.A cell stack with such electrical circuitry is generally characterized by indicating the type of cell used and the number of series and parallel interconnect levels. In addition, the rated voltage and the (total) rated capacity of the cell stack are called.
Beispiel: Die Angabe ”Li-Ion Sanyo UR18650F, 105 3P, 37 V, 7.5 Ah” bezeichnet einen Akkumulatorspeicher basierend auf Li-Ionen-Zellen des Herstellers Sanyo, Typ UR18650F, bei dem 10 Zellen in (S)erie und dazu jeweils 3 Zellen (P)arallel geschaltet wurden. Der Akkumulatorspeicher aus diesem Beispiel besteht somit aus 10(S) × 3(P) = 30 Zellen, hat eine Nennspannung von 37 V und eine Nennkapazität von 7.5 Ah.Example: The indication "Li-Ion Sanyo UR18650F, 105 3P, 37 V, 7.5 Ah" designates a storage battery based on Li-ion cells of the manufacturer Sanyo, type UR18650F, in which 10 cells in (S) erie and in each case 3 Cells (P) were switched in parallel. The accumulator memory of this example thus consists of 10 (S) × 3 (P) = 30 cells, has a rated voltage of 37 V and a rated capacity of 7.5 Ah.
Ein solcherart elektrisch verschaltetes Zellpaket wird in der Regel zum Schutz vor äußeren Einwirkungen in einem möglichst kleinen Gehäuse, das z. B. aus Kunststoff bestehen kann, untergebracht.Such a kind electrically interconnected cell pack is usually used to protect against external influences in the smallest possible housing, the z. B. may consist of plastic housed.
Je nach verwendetem Zelltyp kann ein solches Gehäuse ggf. außerdem eine Elektronikplatine bzw. elektrische Schutzschaltung enthalten, welche den ordnungsgemäßen Betrieb des Zellpakets mittels Sensoren überwacht, für eine gleichmäßige Aufladung der Zellen sorgt und das Zellpaket durch Kontrolle von Schaltelementen zur Zellbalancierung, zur Lasttrennung bzw. Lastregelung vor Überbeanspruchung schützt.Depending on the type of cell used, such a housing may optionally also contain an electronic board or electrical protection circuit which monitors the proper operation of the cell pack by means of sensors, ensures uniform charging of the cells and the cell pack by controlling switching elements for cell balancing, load separation or Load control protects against overstressing.
Übliche Abschaltkonditionen zur Vermeidung einer solchen Überbeanspruchung sind insbesondere: Überschreitung des zulässigen Ladestroms; Überschreitung des zulässigen Entladestroms; Überschreitung der Ladeschlußspannung der einzelnen Zellen; Unterschreitung der Entladeschlußspannung der einzelnen Zellen; Überschreitung der zulässigen Maximal-Betriebstemperatur und Unterschreitung der zulässigen Minimal-Betriebstemperatur.Typical switch-off conditions for avoiding such overuse are in particular: exceeding the permissible charging current; Exceeding the permissible discharge current; Exceeding the end-of-charge voltage of the individual cells; Below the discharge voltage of the individual cells; Exceeding the permissible maximum operating temperature and below the permissible minimum operating temperature.
Häufig sind solche Speicher als vom Fahrzeug bzw. Nutzungsort abnehmbar gestaltet, so dass ein schneller Austausch des Speichers möglich ist bzw. das Wiederaufladen nicht zwingend am Fahrzeug bzw. Nutzungsort erfolgen muss, sondern auch räumlich getrennt davon erfolgen kann.Often, such memory are designed to be removable from the vehicle or place of use, so that a quick replacement of the memory is possible or the recharging does not necessarily have to be done on the vehicle or place of use, but also spatially separated from it.
Ein elektrochemischer Speicher, insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulatorspeicher, wird sowohl durch Lagerung als auch durch Betrieb abgenutzt. Wesentliche Abnutzungserscheinungen sind dabei die Abnahme der pro Entladezyklus in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung entnehmbaren Energiemenge bei einer festgelegten Nennstromdichte (Kapazitätsabnahme) einerseits, sowie die Abnahme der entnehmbaren maximalen elektrischen Dauerleistung – infolge Zunahme des elektrischen Speicher-Innenwiderstandes – andererseits.An electrochemical storage, in particular a lithium-ion storage battery, is worn out both by storage and by operation. Significant signs of wear are the decrease in per cycle discharge in the form of electrical energy at full discharge amount of energy at a specified nominal current density (capacity decrease) on the one hand, and the decrease in the removable maximum continuous electrical power - due to increase in electrical storage internal resistance - on the other.
Für typische Lithium-Ionen-Akkumulatorspeicher gilt beispielsweise, dass die Alterungsgeschwindigkeit, sowohl bei reiner Lagerung bzw. im Ruhezustand als auch im Betrieb, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von ca. 25°C, besonders oberhalb von +40°C, mit weiter steigender Temperatur überproportional stark zunimmt.For typical lithium-ion battery storage, for example, the aging rate, both in pure storage or at rest and during operation, especially at temperatures above about 25 ° C, especially above + 40 ° C, with further increasing temperature disproportionately strong increases.
Es ist weiter bekannt, dass bei solchen Akkumulatorspeichern, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen entladen werden, ein signifikanter Anteil der gespeicherten Energiemenge infolge hoher elektrochemisch bedingter Zell-Innenwiderstände in Form von Wärme verloren geht. Das bedeutet, dass die Effizienz der Energieumwandlung von elektrochemisch gespeicherter in elektrisch verfügbare Energie durch den Temperatureinfluss sinkt. (siehe
Für typische Lithium-Ionen-Akkumulatorspeicher liegt beispielsweise das zulässige Temperaturfenster für den Entladebetrieb zwischen –20°C und +45°C. Die optimale Betriebstemperatur liegt zwischen +15°C und +25°C. Oberhalb von 40°C nimmt die Alterungsgeschwindigkeit stark zu. Unterhalb von +5°C nimmt die in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung entnehmbare Energiemenge durch – reversible-Zunahme der Zell-Innenwiderstände signifikant ab: Ein erheblicher Teil der elektrochemisch gespeicherten Energie wird hier durch hohe Zell-Innenwiderstände beim Entladen direkt in Wärme umgewandelt. Die wesentlichen Zusammenhänge sind schematisch in
Sämtliche im Folgenden dargestellten Figuren dienen der schematischen Darstellung von funktionalen Zusammenhängen ohne Anspruch auf Maßstabstreue.All figures shown below serve the schematic representation of functional relationships without claim to scale.
In
Wie bereits geschildert ist zudem bekannt, dass bei Akkumulatorspeichern, die im oberen Bereich des zulässigen Betriebstemperaturfensters betrieben oder gelagert werden, eine deutliche Verstärkung der Alterungsprozesse einsetzt. Diese Alterungsprozesse schlagen sich u. a. in einer irreversiblen Abnahme der nutzbaren Speicherkapazität bzw. in einer irreversiblen Zunahme der Zell-Innenwiderstände nieder. Im Gegensatz zum Betrieb bei niedrigen Temperaturen handelt es sich dabei wie gesagt um irreversible Prozesse bzw. Verlustmechanismen, d. h. sie können, z. B. durch Absenkung der Betriebstemperatur, nicht mehr eliminiert werden.As already described, it is also known that battery accumulators, which are operated or stored in the upper range of the permissible operating temperature window, significantly increase the aging processes. These aging processes are u. a. in an irreversible decrease in the usable storage capacity or in an irreversible increase in the cell internal resistance. In contrast to the operation at low temperatures, as already stated, these are irreversible processes or loss mechanisms, ie. H. they can, for. B. by lowering the operating temperature, no longer be eliminated.
Es ist daher im Sinne eines wirtschaftlichen Betriebes zweckmäßig, einen Akkumulatorspeicher weder bei vergleichsweise hohen Temperaturen (verstärkte Alterung) zu betreiben oder zu lagern, noch einen Solchen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (Absinken der in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung entnehmbaren Energiemenge bzw. des Umwandlungs-Wirkungsgrads) zu betreiben.It is therefore expedient in terms of economic operation to operate or store a rechargeable battery either at relatively high temperatures (increased aging), nor such a at comparatively low temperatures (decrease in removable in the form of electrical energy at full discharge energy or conversion Efficiency).
Es ist weiter bekannt, dass sich durch Exposition des Speichers gegenüber Sonnen- bzw. Albedostrahlung als zusätzlicher Wärmelast auf der Speicher-Gehäuseoberfläche und ggf. weitere Aufheizung durch abwärmeproduzierende elektrochemische Prozesse während des Speicherbetriebs (Entladen/Laden) Speichertemperaturen einstellen können, die deutlich über der allgemeinen Luft-Umgebungstemperatur und auch über der äußeren Gehäuseoberflächentemperatur liegen.It is also known that by exposure of the memory to solar or Albedo radiation as additional heat load on the memory housing surface and possibly further heating by waste heat-producing electrochemical processes during storage operation (unload / load) can set storage temperatures well above general ambient air temperature and also above the outer housing surface temperature.
Dies führt zu einer temperaturbedingt verstärkter Alterung der Speicherzellen, ggf. in Verbindung mit einem temporären Nutzungsausfalls des gesamten Speichers, wenn die zulässige Betriebstemperatur der Speicherzellen überschritten wird und eine Übertemperatur-Notabschaltung erforderlich wird.This leads to a temperature-induced increase in aging of the memory cells, possibly in conjunction with a temporary loss of use of the entire memory when the permissible operating temperature of the memory cells is exceeded and an overtemperature emergency shutdown is required.
Es wäre daher zweckmäßig, einen solchen elektrochemischen Speicher dergestalt vor zusätzlichen Wärmelasten infolge von Sonnen/Albedoeinstrahlung zu schützen, dass auch bei lang anhaltender Exposition des Speichergehäuses gegenüber der Strahlungsquelle keine bzw. nur eine geringe Durcherhitzung bzw. Temperaturerhöhung des Speichers über die allgemeine Luft-Umgebungstemperatur hinaus erfolgt.It would therefore be expedient to protect such an electrochemical storage from additional heat loads as a result of sun / albedo radiation such that even with long-lasting exposure of the storage housing to the radiation source no or only a slight overheating or temperature increase of the memory on the general air ambient temperature takes place.
Eine dem Stand der Technik entsprechende thermische Rundumisolierung ist dazu prinzipiell nicht in der Lage- ein technisch brauchbarer, effizienter und wirtschaftlich interessanter Schutz vor allmählicher Durcherhitzung des elektrochemischen Speichers infolge Einstrahlungslasten ist nach dem Stand der Technik nicht verfügbar: Gemäß des Standes der Technik wird der geschilderten Problemstellung nur teilweise erfolgreich und mit verschiedenen, sehr spezifischen Ansätzen begegnet. Die verschiedenen Ansatzmöglichkeiten entsprechend des Standes der Technik werden im Folgenden mit ihren Vor- und Nachteilen geschildert:A prior art thermal all-round insulation is in principle not able to a technically useful, efficient and economically interesting protection against gradual heating of the electrochemical storage due to irradiation loads is not available in the prior art: According to the prior art, the described Problem solved only partly successful and met with different, very specific approaches. The various approaches according to the prior art are described below with their advantages and disadvantages:
Thermische RundumisolierungThermal all-round insulation
Es sind Akkumulatorspeicher bekannt, die über eine den Speicher allseitig umschließende thermische Isolierung verfügen, wodurch der Wärmestrom von bzw. zur Umgebung reduziert und die Angleichung der Speichertemperatur an die Umgebungstemperatur verlangsamt wird.There are known accumulator memory, which have a memory on all sides enclosing thermal insulation, whereby the heat flow from or to the environment is reduced and the alignment of the storage temperature is slowed down to ambient temperature.
Dieser Aufbau ist für den Entladebetrieb bei niedrigen Außentemperaturen bzw. im Winter zweckmäßig, da somit das Auskühlen eines nach dem Aufladen in einem warmen Raum im Kern noch warmen Akkumulatorspeichers im Außenbetrieb verlangsamt wird. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil mit einer Reduzierung der Kerntemperatur des Speichers stets auch eine Reduzierung der in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung nutzbaren Energiemenge verbunden ist.This structure is useful for unloading at low outdoor temperatures or in winter, since thus the cooling of a still warm after charging in a warm room in the core accumulator memory is slowed down in outdoor mode. This is particularly advantageous because With a reduction in the core temperature of the memory, a reduction in the amount of energy that can be used in the form of electrical energy at full discharge is always associated.
In der Praxis macht sich eine solche Auskühlung z. B. bei Lithium-Ionen-Akkumulatorspeichern bei Speicherkerntemperaturen von unter 15°C, insbesondere von unter 5°C, durch einen signifikanten Verlust der in elektrischer Form bei Vollentladung entnehmbaren Energiemenge bemerkbar.In practice, such a cooling z. As in lithium-ion battery storage at storage core temperatures of below 15 ° C, especially below 5 ° C, noticeable by a significant loss of removable in electrical form at full discharge amount of energy.
Nachteilig bei einer solchen Lösung stellt sich der Betrieb bei gehobenen Umgebungstemperaturen dar, da die Abführung der beim Laden bzw. Entladen im Speicher entstehenden Abwärme an die Umgebung durch die thermische Rundum-Isolierung auch dann ebenfalls verlangsamt wird, was zu einer deutlichen Erhöhung der Speicherkerntemperatur führen kann – verbunden mit der Gefahr eines temporären Nutzungsausfalls durch Überhitzung und ggf. Notwendigkeit der Übertemperatur-Notabschaltung und verbunden mit einer deutlich erhöhten Alterungsgeschwindigkeit des Speichers.The disadvantage of such a solution is the operation at elevated ambient temperatures, since the discharge of the heat generated during charging or discharging in the store waste heat is also slowed down by the thermal insulation around also, resulting in a significant increase in the storage core temperature can - combined with the risk of temporary loss of use due to overheating and possibly the need for over-temperature emergency shutdown and associated with a significantly increased rate of aging of the memory.
Matrix mit PhasenwechselmaterialMatrix with phase change material
Weiter sind aus
Eine solche Ausführung ist vor allem bei hohen Außentemperaturen bzw. im Sommer zweckmäßig, da somit das Überhitzen des Akkumulatorspeichers, was mit einer Erhöhung der Alterungsgeschwindigkeit bzw. der Gefahr des temporären Nutzungsausfalls wegen Überhitzung verbunden ist, im Rahmen der absolut verfügbaren ”Wärmespeicherkapazität” des verwandten Phasenwechselmaterials, begrenzt wird.Such an embodiment is particularly useful at high outdoor temperatures or in the summer, as thus the overheating of the accumulator memory, which is associated with an increase in the rate of aging or the risk of temporary loss of use due to overheating, in the context of the absolutely available "heat storage capacity" of the related Phase change material is limited.
Nicht gelöst wird durch diesen Lösungsansatz das Problem der Aufheizung infolge direkter Sonnen- bzw. indirekter Albedoeinstrahlung auf das Speichergehäuse: Eigene Experimente haben gezeigt, dass alleine durch die Aufheizung eines handelsüblichen Speichergehäuses durch Strahlung an einem sonnigen Tag auch ohne Lade-/Entladevorgänge bzw. damit verbundene Abwärmeproduktion leicht Speichertemperaturen von mehr als 50°C erreicht werden können. Wurde die absolut verfügbare Schmelzenthalpie des Phasenwechselmaterials bereits durch diesen Energieeintrag aufgezehrt, ergibt sich, insbesondere beim folgenden Betrieb mit Abwärmeproduktion, auch aus diesem Konzept kein zusätzlicher Nutzungsvorteil mehr.Not solved by this approach, the problem of heating due to direct solar or indirect albedo radiation on the storage enclosure: Own experiments have shown that alone by the heating of a commercially available storage enclosure by radiation on a sunny day without loading / unloading or so associated waste heat production easily storage temperatures of more than 50 ° C can be achieved. If the absolutely available enthalpy of fusion of the phase change material has already been consumed by this input of energy, this concept, in particular during the subsequent operation with waste heat production, no longer results in any additional use advantage.
Weiter liegt auf der Hand, dass ein solcher Aufbau keine Vorteile beim Betrieb bei niedrigen Temperaturen aufweist und der Speicher konstruktionsbedingt durch die Phasenwechselmaterial-Kohlenstoff-Matrix mit zusätzlichem Gewicht und zusätzlichem Bauraumbedarf belastet wird, was die Herstellkosten treibt und die Handhabungsfreundlichkeit bei entnehmbaren Speichern beeinträchtigt.Further, it is obvious that such a structure has no advantages in operation at low temperatures and the memory is structurally burdened by the phase change material carbon matrix with additional weight and additional space requirements, which drives the manufacturing costs and affects the ease of handling removable storage.
Vergrößerung der verbauten SpeicherkapazitätIncrease the installed storage capacity
Weiter sind Akkumulatorspeicher bekannt, bei denen das Problem der geringeren, in Form von elektrischer Energie bei Vollentladung nutzbaren Energiemenge bei niedrigen Temperaturen, bzw. das Problem der schnelleren Alterung bei hohen Temperaturen dadurch kompensiert wird, dass die im Akkumulatorpack verbaute elektrochemische Speicherkapazität deutlich erhöht wird, so dass Alterungs- und Kapazitätsverluste bei der normalen Nutzung und während der üblichen Nutzungsdauer ob dieser vorhandenen Überschusskapazität kaum bemerkbar sind.Further, accumulator memory are known in which the problem of lower, usable in the form of electrical energy at full discharge amount of energy at low temperatures, or the problem of faster aging at high temperatures is compensated by the accumulated in the accumulator pack electrochemical storage capacity is significantly increased, so that aging and capacity losses during normal use and during normal service life are barely noticeable in terms of this existing surplus capacity.
Problematisch bei dieser Lösung sind die höheren Herstellkosten, sowie eine signifikante Gewichts- und Volumenzunahme des Speichers, was ebenfalls die Herstellkosten treibt und die Handhabungsfreundlichkeit bei entnehmbaren Speichern beeinträchtigt.The problem with this solution is the higher manufacturing costs, as well as a significant increase in weight and volume of the memory, which also drives the manufacturing costs and affects the ease of handling removable storage.
Aktive Kühlung bzw. HeizungActive cooling or heating
Weiter sind Akkumulatorspeicher bekannt, die durch aktive Kühlung, beispielsweise unter Verwendung von Peltierelementen oder eines elektrisch getriebenen Kühlkreislaufes, bzw. durch aktive Heizung, beispielsweise unter Verwendung von elektrisch betriebenen Heizschlangen, eine Überhitzung bzw. Unterkühlung des elektrochemischen Speichers verhindern.Next accumulator are known, which prevent overheating or undercooling of the electrochemical storage by active cooling, for example using Peltier elements or an electrically driven cooling circuit, or by active heating, for example, using electrically operated heating coils.
Problematisch bei dieser Lösung ist, neben deutlich höheren Herstellkosten, der zusätzliche Energieverbrauch durch die aktiven Temperierungselemente, der sich negativ auf die Entladeeffizienz bzw. die in elektrischer Form bei Vollentladung entnehmbare Energiemenge niederschlagen kann.The problem with this solution, in addition to significantly higher production costs, the additional energy consumption by the active Temperierungselemente, which can be reflected on the discharge efficiency or removable in electrical form at full discharge energy amount.
Vorgenannte Schwächen des Standes der Technik werden durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst bzw. optimiert. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The aforementioned weaknesses of the prior art are achieved or optimized by a device according to the invention. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.
Im Weiteren erfolgt die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Referenz zu einem rechtshändigen kartesischen Koordinatensystem wie folgt:
- • Die positive z-Achse verläuft parallel zum Schwerkraftvektor der Erdgravitation und ist diesem entgegengerichtet. Sie verläuft also in einer vertikalen Richtung.
- • Die positive x-Achse verläuft im Falle einer mobilen Anwendung parallel zur Fahrtrichtung und ist dieser entgegengerichtet. Sie verläuft also in einer horizontalen Richtung.
- • Die positive y-Achse verläuft entsprechend der rechtshändigen Form des Koordinatensystems senkrecht zu den beiden vorgenannten Achsen. Sie verläuft also ebenso in einer horizontalen Richtung.
- • The positive z-axis is parallel to the gravitational vector of earth gravity and is directed counter to it. So it runs in a vertical direction.
- • In the case of a mobile application, the positive x-axis runs parallel to the direction of travel and is in the opposite direction. So it runs in a horizontal direction.
- • The positive y-axis is perpendicular to the two aforementioned axes according to the right-handed shape of the coordinate system. So it also runs in a horizontal direction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gem. Anspruch 1 ist schematisch in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (
In einer besonders bevorzugten Ausführung beträgt dieser erste Abstand (
Die ersten Schildelemente können mit dem ersten Außenteil eine Einheit bilden bzw. in ein erstes Außenteil integriert sein, als Anbauteil an das erste Außenteil ausgestaltet sein oder als Anbauteil an ein erstes Innenteil ausgeführt sein.The first shield elements may form a unit with the first outer part or be integrated into a first outer part, be designed as an attachment to the first outer part or be designed as an attachment to a first inner part.
Die Anbindung der ersten plattenförmigen Schildelemente (
Typische geeignete Befestigungselemente sind z. B: Schrauben, Bolzen, Stifte, Haken, Druckknöpfe, Klettverbundflächen, Saugnapfelemente, Nieten, Stege, Zylinder und weitere Formteile, die durch Formschluss, Adhäsion, Magnetkraft, Klebe- oder Schweissverfahren zumindest zwei an das Befestigungselement anliegende Bauelemente verbinden.Typical suitable fasteners are z. B: screws, bolts, pins, hooks, snaps, Velcro, suction cup elements, rivets, webs, cylinders and other moldings that connect by positive engagement, adhesion, magnetic force, bonding or welding process at least two adjacent to the fastener components.
Typische geeignete verschiebliche Befestigungselemente sind z. B. Teleskopelemente, Zahnstangen bzw. Zahnradelemente, Hydraulikzylinder, Scherengestelle, Scherenelemente o. ä.Typical suitable sliding fasteners are z. B. telescopic elements, racks or gear elements, hydraulic cylinders, scissors racks, scissors elements o. Ä.
Ein erstes plattenförmiges Schildelement (
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine zweite Oberfläche (
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine erste Oberfläche (
In einer besonders bevorzugten Ausführung besitzt eine dritte Oberfläche (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes plattenförmiges Schildelement (
Ein erster Strömungskanal (
Weiter ist ein erster Strömungskanal (
In
Weiter ist dargestellt ein erster Fluidstrom (
Weiter sind dargestellt das verwendete Referenz-Koordinatensystem bzw. die verwendete Koordinatensystemebene (
An der erfindungsgemäßen Vorrichtung (
- • Eine erste Strahlungsquelle (
2.09 ) wirft elektromagnetische Strahlung auf eine dritte Oberfläche (2.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.13 ) und heizt diese Oberfläche, und damit mittelbar das gesamte plattenförmige Schildelement (2.13 ), so weit auf, bis sich Einstrahlungsleistung von der ersten Strahlungsquelle (2.09 ), die Abstrahlungsleistungen der Oberflächen (2.16 ), (2.17 ) von (2.13 ), Remissionsleistung der Oberfläche (2.16 ), Wärmeleitungseffekte und die Wärmeabfuhr durch das umgebende Atmosphärenfluid (Konvektion) am ersten plattenförmigen Schildelement (2.13 ) in einer Wärmebilanz die Waage halten. Der Wärmeeintrag durch Sonneneinstrahlung auf z. B. Kunststoffoberflächen ist unter Umständen erheblich: Temperaturen auf Oberflächen analog zu dritten Oberflächen (2.16 ) von > 50°C bei Atmosphären-Umgebungstemperaturen von 25°C (im Schatten gemessen) sind an wolkenlosen Tagen auch in gemäßigten Breiten keine Seltenheit. - • In unmittelbarer Nähe einer zweiten Oberfläche (
2.17 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.13 ) bzw. einer dritten Oberfläche (2.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.16 ) heizt sich das anliegende Umgebungsatmosphärenfluid, z. B. Umgebungsluft, entsprechend der jeweiligen lokalen Oberflächentemperatur eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.13 ) auf und steigt infolge Dichteabnahme in z-Richtung des Referenz-Koordinatensystems (2.07 ) auf, wodurch spontan durch natürliche Konvektion ein stationärer erster Fiuidstrom (2.24 ) bzw. ein zweiter stationärer Fiuidstrom (2.25 ) entsteht, wobei die Fluidströme Wärme aus einem ersten Wärmestrom (2.22 ) bzw. aus einem dritten Wärmestrom (2.21 ) von einer zweiten Oberfläche (2.17 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.13 ) bzw. von einer dritten Oberfläche (2.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.13 ) abführt und durch die Temperaturdifferenz zur Umgebungsatmosphäre bzw. durch von unten bzw. von der Seite in einem ersten Einströmbereich (2.19 ) nachströmendes, kühleres Umgebungsatmosphärenfluid bzw. Umgebungsluft in Gang gehalten werden, solange eine geeignete Temperaturdifferenz besteht. Insbesondere bilden sich dadurch in einem ersten Strömungskanal (2.14 ) stationäre Strömungsverhältnisse mit zumindest einer nach oben bzw. gegen den Schwerkraftvektor (2.08 ) gerichteten Strömungskomponente eines ersten Fluidstroms (2.24 ) aus. Bei geeigneter Dimensionierung der nicht figürlich dargestellten Schildelement-Befestigungselemente, des Kanalquerschnitts eines ersten Strömungskanals (2.14 ) und geeigneter Wahl der Ein- und Ausströmgeometrie an den ersten Einströmbereichen (2.19 ) bzw. ersten Ausströmbereichen (2.20 ) wird die Übertragung der auf eine dritte Oberfläche (2.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (2.16 ) eingestrahlten Strahlungswärme hin zu einer ersten Oberfläche (2.18 ) eines ersten Außenteils (2.12 ), und damit mittelbar hin zu einem ersten elektrochemischen Speicher (2.11 ) deutlich reduziert. Zudem dient ein erster Fluidstrom (2.24 ) weiter der Abführung von Abwärme aus einem zweiten Wärmestrom (2.23 ) hin zur Umgebungsatmosphäre: Die Ausbildung einer kovektiv bedingten ersten Fluidströmung (2.24 ) erfolgt prinzipiell auch bei alleinigem Auftreten einer Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsatmosphäre und einer ersten Oberfläche (2.18 ) eines ersten Aussenteils (2.12 ).
- • a first radiation source (
2:09 ) throws electromagnetic radiation onto a third surface (2.16 ) of a first plate-shaped shield element (2.13 ) and heats this surface, and thus indirectly the entire plate-shaped shield element (2.13 ), until the irradiation power from the first radiation source (2:09 ), the radiation power of the surfaces (2.16 )2.17 ) from (2.13 ), Remission performance of the surface (2.16 ), Heat conduction effects and the heat dissipation by the surrounding atmospheric fluid (convection) at the first plate-shaped shield element (FIG.2.13 ) balance in a heat balance. The heat input by solar radiation on z. B. Plastic surfaces may be significant: Temperatures on surfaces analogous to third surfaces (2.16 ) of> 50 ° C at atmospheric ambient temperatures of 25 ° C (measured in the shade) are not uncommon on cloudless days even in temperate latitudes. - • In the immediate vicinity of a second surface (
2.17 ) of a first plate-shaped shield element (2.13 ) or a third surface (2.16 ) of a first plate-shaped shield element (2.16 ) heats the applied ambient atmosphere fluid, z. B. ambient air, according to the respective local surface temperature of a first plate-shaped shield element (2.13 ) and increases due to density decrease in the z-direction of the reference coordinate system (2:07 ), whereby a stationary first Fiuidstrom spontaneously by natural convection (2.24 ) or a second stationary Fiuidstrom (2.25 ), wherein the fluid streams heat from a first heat flow (2.22 ) or from a third heat flow (2.21 ) from a second surface (2.17 ) of a first plate-shaped shield element (2.13 ) or from a third surface (2.16 ) of a first plate-shaped shield element (2.13 ) and by the temperature difference to the ambient atmosphere or by from below or from the side in a first inflow (2.19 ) nachströmendes, cooler ambient atmosphere fluid or ambient air are kept in motion, as long as a suitable temperature difference exists. In particular, this forms in a first flow channel (2.14 ) stationary flow conditions with at least one upwards or against the gravity vector (2:08 ) directed flow component of a first fluid stream (2.24 ) out. With suitable dimensioning of the non-illustrated shield element fastening elements, the channel cross-section of a first flow channel (2.14 ) and a suitable choice of the inflow and outflow geometry at the first inflow regions (2.19 ) or first outflow areas (2.20 ), the transfer to a third surface (2.16 ) of a first plate-shaped shield element (2.16 radiated radiant heat toward a first surface (2.18 ) of a first outer part (2.12 ), and thus indirectly to a first electrochemical storage (2.11 ) significantly reduced. In addition, a first fluid flow (2.24 ) further the removal of waste heat from a second heat flow (2.23 ) to the ambient atmosphere: the formation of a covective first fluid flow (2.24 ) takes place in principle even when a temperature difference between ambient atmosphere and a first surface (2.18 ) of a first outer part (2.12 ).
Dadurch wird das Problem der Überhitzung eines elektrochemischen Speichers infolge äußerer Strahlungslast, insbesondere der Sonneneinstrahlung, mit passiven Mitteln, d. h. ohne zusätzlichen Verbrauch an elektrischer Energie, entschärft.As a result, the problem of overheating of an electrochemical storage due to external radiation load, in particular solar radiation, with passive means, d. H. without additional consumption of electrical energy, defused.
Im Folgenden wird diese Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels geschildert:In the following, this embodiment of the device according to the invention will be described with reference to a concrete exemplary embodiment:
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Eine im Folgenden beschriebenes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung (
Die Längsachsen der einzelnen Rundzellen verlaufen parallel zur x-Achse des Referenz-Koordinatensystems (
Die Verbindung des ersten bzw. zweiten Zellverbinderblechs mit den einzelnen Polen der Akkumulatorzellen erfolgt durch ein Punktschweißverfahren mit 2 Schweisspunkten pro Einzelzellpol. Das erste Zellpaket ist auf der Pluspolseite durch ein erstes Kupferkabel mit 2.5 mm2 Querschnitt und einer 0.5 mm dicken Kunststoffmantelisolation mit einem äußeren Lade- bzw. Lastkreis verbunden. Das Zellpaket ist auf der Minuspolseite durch ein zweites Kupferkabel identischer Geometrie mit demselben äußeren Lade- bzw. Lastkreis verbunden.The connection of the first and second cell connector sheet to the individual poles of the battery cells is carried out by a spot welding method with 2 welding points per single cell pole. The first cell packet is connected on the positive pole side by a first copper cable with 2.5 mm 2 cross section and a 0.5 mm thick plastic jacket insulation with an external charging or load circuit. The cell stack is connected on the negative pole side by a second copper cable of identical geometry to the same external load or load circuit.
Das erste und das zweite Kupferkabel sind mit ihren ersten bzw. zweiten Zellverbinderblechen mittels eines Punktschweißverfahrens verbunden. Das Zellpaket ist allseitig, mit max. 1 mm Abstand zur Innenwandung, umschlossen von einem quaderförmigen ersten Aussenteil (
Die Zusammenhänge werden im Weiteren beschrieben anhand
Ein quaderförmiges, das Zellpaket allseitig umschließende, erste Aussenteil (
Die Außenabmessungen des ersten Aussenteils (
Am seitlichen Umfang des ersten Aussenteils (
Die Abmessungen der ersten plattenförmigen Schildelemente (
Die Verbindung der ersten, plattenförmigen Schildelemente (
Auf einer der ersten Sockelscheibe (
Die am Umfang des ersten Aussenteils (
Das erste pyramidenstumpfförmige Schalenelement (
Die Pyramidenstumpfhöhe des Schalenelements beträgt 20 mm, Steigung der Flanken 30° und die Wanddicke des pyramidenstumpfförmigen Schalenelements beträgt 0.1 mm. Die Pyramidenstumpfbasis beträgt 76 × 76 mm. Das pyramidenstumpfförmige Schalenelement ist aus Aluminiumblech hergestellt.The truncated pyramid height of the shell element is 20 mm, slope of the flanks 30 ° and the wall thickness of the truncated pyramidal shell element is 0.1 mm. The truncated pyramid basis is 76 × 76 mm. The truncated pyramidal shell element is made of aluminum sheet.
Der Schutz horizontaler, nach oben weisender Oberflächen erfindungsgemäßer Vorrichtungen, beispielsweise von Deckeln, erfolgt im Prinzip stets analog durch die Bereitstellung einer abschattenden Schildfläche mit zumindest bereichsweise eine vertikale (z-)Richtungskomponente enthaltenden Oberflächenverlauf und der Vermeidung von Ansammlungen erwärmten Atmosphärenfluids in nach oben geschlossenen Schildflächenbereichen durch geeignete Durchbrüche zur Umgebungsatmosphäre.The protection of horizontal, upwardly facing surfaces of devices according to the invention, for example covers, is always analogous in principle by providing a shading shield surface with at least partially a vertical (z) direction component containing surface course and the avoidance of accumulations of heated atmospheric fluid in upwardly closed shield surface areas through suitable breakthroughs to the ambient atmosphere.
Im Anschluss an dieses Ausführungsbeispiel wird im Folgenden eine weitere besonders bevorzugte Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschildert:
Es ist bekannt, dass manche elektrochemische Speicher, beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen aufgrund ihres geometrischen Aufbaus eine stark anisotrope Wärmeleitung aufweisen. So liegt beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit bei üblichen Lithium-Ionen-Rundzellen in Richtung der Zylinderachse (siehe auch
It is known that some electrochemical stores, for example lithium-ion accumulator cells, have a highly anisotropic heat conduction due to their geometric structure. For example, the thermal conductivity of conventional lithium-ion cylindrical cells is in the direction of the cylinder axis (see also
Dies ist dem schichtförmigen Aufbau solcher Zellen, z. B. auf Basis eines Wickelkerns, geschuldet, wobei die Wärmeleitung entlang der (axialen) elektrischen Leiterführung (
Besonders für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignete Akkumulatorzellen sind die Bauformen: Pouchzelle mit gegenüberliegenden Ableitern, sowie die Bauform Rundzelle. Prismatische Bauformen und Pouchzellen mit nebeneinander liegenden Ableitern sind brauchbar, aber etwas weniger gut geeignet.Especially for use in a device according to the invention suitable accumulator cells are the types: Pouch cell with opposing arresters, as well as the design round cell. Prismatic designs and pouch cells with adjacent arresters are useful, but less well suited.
Der Abtransport der beim elektrochemischen Umwandlungsprozess von chemischer in elektrische Energie (Entladen) bzw. von elektrischer in chemische Energie (Laden) in den Akkumulatorzellen anfallende Abwärme erfolgt daher innerhalb der Zellen bevorzugt in Richtung der Zellpole, d. h. z. B. bei Rundzellen in axialer Richtung (
In einer besonders bevorzugten Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vom Umstand der stark anisotropen Wärmeleitung und der Existenz einer Vorzugs-Wärmeleitungsrichtung in elektrochemischen Zellen, insbesondere in Akkumulatorzellen, besonders bevorzugt Li-Ion-Akkumulatorzellen, Gebrauch gemacht. Die Beschreibung dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt im Folgenden anhand von
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Wesentlichen symmetrisch zu einer y-Mittelachse und einer x-Mittelachse (Strichpunktlinien) dargestellt; die Ausführungen zu den einzelnen Bereichen gelten ggf. für die jeweils symmetrisch dazu angeordneten Bereiche analog.In a particularly preferred embodiment or development of the device according to the invention is the circumstance of strongly anisotropic Heat conduction and the existence of a preferred direction of heat conduction in electrochemical cells, in particular in battery cells, more preferably Li-ion battery cells, made use of. The description of this variant of the device according to the invention is given below with reference to FIG
The device according to the invention is shown substantially symmetrically with respect to a Y-center axis and an X-center axis (dashed-dotted lines); The remarks on the individual areas may apply analogously to the respective symmetrically arranged areas.
Diese besonders bevorzugte Ausführung (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in dieser Ausführung (
Ein erstes Außenteil (
Die Anbindung erster plattenförmiger Schildelemente (
Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass erste plattenförmige Schildelemente (
Die ersten Strömungskanäle (
Weiter sind erste Strömungskanäle (
Die Ausrichtung eines ersten elektrochemischen Speichers (
Weiter umfasst ein erstes Außenteil (
In
Weiter ist dargestellt ein erster Fluidstrom (
Die erfindungsgemäße konstruktive Ausführung von Bereichen mit hohem Wärmedurchgangswiderstand, beispielsweise (
Die konstruktive Ausführung des thermischen Isolierungsmaterials und der Isolierungsdicke für die Ausführung eines zweiten Bereichs (
Weiter sind in
Geeignete erste Verschlusselemente (
An dieser Ausführung (
- • Eine erste Strahlungsquelle (
4.09 ) wirft elektromagnetische Strahlung auf eine dritte Oberfläche (4.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (4.13 ) und heizt diese Oberfläche, und damit mittelbar das gesamte plattenförmige Schildelement (4.13 ), so weit auf, bis sich die Einstrahlungsleistung von der ersten Strahlungsquelle (4.09 ), die Abstrahlungsleistungen der Oberflächen (4.16 ), (4.17 ) von (4.13 ), die Remissionsleistung der Oberfläche (4.16 ), Wärmeleitungseffekte und die Wärmeabfuhr durch das umgebende Atmosphärenfluid (Konvektion) am ersten plattenförmigen Schildelement (4.13 ) in einer Wärmebilanz die Waage halten. Der Wärmeeintrag auf z. B. Kunststoffoberflächen durch Sonneneinstrahlung ist ggf. erheblich: Oberflächentemperaturen (4.16 ) von > 50°C bei Atmosphären-Umgebungstemperaturen von 25°C (im Schatten gemessen) sind an wolkenlosen Tagen auch in gemäßigten Breiten keine Seltenheit. - • In unmittelbarer Nähe einer zweiten Oberfläche (
4.17 ) bzw. einer dritten Oberfläche (4.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (4.13 ) heizt sich die anliegende Umgebungsluft bzw. das anliegende Umgebungsatmosphärenfluid entsprechend der jeweiligen lokalen Oberflächentemperatur eines ersten plattenförmigen Schildelements (4.13 ) auf und steigt infolge Dichteabnahme in z-Richtung des Referenz-Koordinatensystems (4.07 ) auf, wodurch spontan durch Konvektion eine stationäre erste Fluidströmung (4.24 ) bzw. eine stationäre zweite Fluidströmung (4.25 ) entsteht, die Wärme aus einem ersten Wärmestrom (4.22 ) bzw. aus einem dritten Wärmestrom (4.21 ) von einer zweiten Oberfläche (4.17 ) bzw. von einer dritten Oberfläche (4.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (4.13 ) abführt und die durch die Temperaturdifferenz der heißeren Oberflächen zur Umgebungsatmosphäre und durch von unten bzw. von der Seite auf Höhe der ersten Einströmbereiche (4.19 ) nachströmende, kühlere Umgebungsluft bzw. kühleres Umgebungsatmosphärenfluid in Gang gehalten wird. Insbesondere bilden sich dadurch in einem ersten Strömungskanal (4.14 ) stationäre Strömungsverhältnisse mit zumindest einer nach oben bzw. gegen den Schwerkraftvektor gerichteten Strömungskomponente eines ersten Fluidstroms (4.24 ) aus, die bei geeigneter Dimensionierung der ersten Abstandshalter (4.26 ), eines ersten Kanalquerschnitts (4.14 ) und geeigneter Wahl der Ein- und Ausströmgeometrie bzw. der ersten Einströmbereiche (4.19 ) und ersten Ausströmbereiche (4.20 ) eines ersten Strömungskanals (4.14 ) die Wärmeübertragung der auf eine dritte Oberfläche (4.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (4.16 ) eingestrahlten Strahlungswärme hin zu einer ersten Oberfläche (4.18 ) eines ersten Außenteils (4.12 ) und damit mittelbar hin zu einem elektrochemischen Speicher (4.11 ) deutlich reduziert. Zudem dient ein erster Fluidstrom (4.24 ) weiter der Abführung von Abwärme aus einem zweiten Wärmestrom (4.23 ) hin zur Umgebungsatmosphäre: Die Ausbildung einer kovektiv bedingten ersten Fluidströmung (4.24 ) erfolgt prinzipiell auch bei alleinigem Auftreten einer Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsatmosphäre und einer ersten Oberfläche (4.18 ) eines ersten Aussenteils (4.12 ). - • Die Abgabe von Abwärme aus einem ersten elektrochemischen Speicher (
4.11 ) bzw. aus einem ersten Innenteil (4.32 ) an die Umgebungsatmosphäre erfolgt nun hauptsächlich über eine erste Oberfläche (4.18 ) eines ersten Außenteils und über einen oder mehrere erste Strömungskanäle (4.14 ) an konvektiv bedingte erste Fluidströme (4.24 ). Die Wärmeabgabe von Abwärme aus einem ersten elektrochemischen Speicher (4.32 ) über einen vierten Wärmestrom (4.38 ) bzw. über einen zweiten Bereich (4.33 ) eines ersten Außenteils hinweg ist, insbesondere bei gemäßigten oder hohen Temperaturen, infolge des hohen Wärmedurchgangswiderstandes dieses Bereichs vergleichsweise gering. Es ergeben sich damit durch diese Ausführung (4.10 ) der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei gemäßigten und hohen Temperaturen keine nennenswerten Nachteile gegenüber der Ausführungsvariante nach2 - • Bei Entladebetrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen hingegen werden bei der hier geschilderten Ausführung (
4.10 ) der erfindungsgemäßen Vorrichtung erste Strömungskanäle (4.14 ) durch erste Verschlusselemente (4.35 ), beispielsweise durch den Strömungskanal entlang der ersten Bereiche niedrigen Wärmedurchgangswiderstandes (4.34 ) ausfüllende Formteile mit hohem Wärmedurchgangswiderstand, verschlossen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhält sich dann wie ein rundum thermisch isolierter bzw. von Bereichen mit hohem Wärmedurchgangswiderstand umgebener elektrochemischer Speicher, der sich im Betrieb durch seine eigene Abwärme leicht auf einem deutlich höheren Betriebstemperaturniveau als die Atmosphären-Umgebungstemperatur halten kann.
- • a first radiation source (
4:09 ) throws electromagnetic radiation onto a third surface (4.16 ) of a first plate-shaped shield element (4.13 ) and heats this surface, and thus indirectly the entire plate-shaped shield element (4.13 ), until the irradiation power from the first radiation source (4:09 ), the radiation power of the surfaces (4.16 )4.17 ) from (4.13 ), the remission power of the surface (4.16 ), Heat conduction effects and the heat dissipation by the surrounding atmospheric fluid (convection) at the first plate-shaped shield element (FIG.4.13 ) balance in a heat balance. The heat input on z. B. Plastic surfaces due to solar radiation may be significant: surface temperatures (4.16 ) of> 50 ° C at atmospheric ambient temperatures of 25 ° C (measured in the shade) are not uncommon on cloudless days even in temperate latitudes. - • In the immediate vicinity of a second surface (
4.17 ) or a third surface (4.16 ) of a first plate-shaped shield element (4.13 ) heats the adjacent ambient air or the surrounding ambient atmosphere fluid according to the respective local surface temperature of a first plate-shaped shield element (4.13 ) and increases due to density decrease in the z-direction of the reference coordinate system (4:07 ), whereby spontaneously by convection a stationary first fluid flow (4.24 ) or a stationary second fluid flow (4.25 ) arises, the heat from a first heat flow (4.22 ) or from a third heat flow (4.21 ) from a second surface (4.17 ) or from a third surface (4.16 ) of a first plate-shaped shield element (4.13 ) and by the temperature difference of the hotter surfaces to the ambient atmosphere and from below or from the side at the level of the first inflow areas (4.19 ) is maintained in flowing, cooler ambient air or cooler ambient atmosphere fluid in motion. In particular, this forms in a first flow channel (4.14 ) stationary flow conditions with at least one upward or against the gravity vector directed flow component of a first fluid flow (4.24 ), which, with suitable dimensioning of the first spacers (4.26 ), a first channel cross-section (4.14 ) and a suitable choice of the inlet and Ausströmgeometrie or the first inflow (4.19 ) and first outflow areas (4.20 ) of a first flow channel (4.14 ) heat transfer to a third surface (4.16 ) of a first plate-shaped shield element (4.16 radiated radiant heat toward a first surface (4.18 ) of a first outer part (4.12 ) and thus indirectly to an electrochemical storage (4.11 ) significantly reduced. In addition, a first fluid flow (4.24 ) further the removal of waste heat from a second heat flow (4.23 ) to the ambient atmosphere: the formation of a covective first fluid flow (4.24 ) takes place in principle even when a temperature difference between ambient atmosphere and a first surface (4.18 ) of a first outer part (4.12 ). - The dissipation of waste heat from a first electrochemical store (
4.11 ) or from a first inner part (4:32 ) to the ambient atmosphere now takes place mainly via a first surface (4.18 ) of a first outer part and via one or more first flow channels (4.14 ) to convective first fluid streams (4.24 ). The heat transfer of waste heat from a first electrochemical storage (4:32 ) via a fourth heat flow (4:38 ) or over a second area (4:33 ) of a first outer part is, in particular at moderate or high temperatures, due to the high thermal resistance of this area comparatively low. It thus result from this embodiment (4.10 ) of the device according to the invention at moderate and high temperatures no significant disadvantages compared to the embodiment according to2 - • When unloading at low ambient temperatures, however, in the embodiment described here (
4.10 ) of the device according to the invention first flow channels (4.14 ) by first closure elements (4:35 ), for example, through the flow channel along the first regions of low thermal resistance (4:34 ) filling moldings with high thermal resistance, closed. The device according to the invention then behaves like an all-round thermally insulated or surrounded by regions with high thermal resistance electrochemical storage, which can easily hold in operation by its own waste heat at a much higher operating temperature than the atmospheric ambient temperature.
Dadurch wird nun zusätzlich das Problem der Auskühlung beim Entladebetrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen, zumindest auf dem Niveau des Standes der Technik, entschärft.As a result, the problem of cooling during unloading operation at low ambient temperatures, in addition to the level of the prior art, is now defused.
Da die ersten Verschlusselemente (
Dadurch ist ggf. ein schnelleres Aufladen bei ggf. vergleichsweise reduzierter Alterungsgeschwindigkeit des elektrochemischen Speichers möglich.As a result, a faster charging is possibly possible with a possibly reduced aging rate of the electrochemical storage.
Ausführungsbeispielembodiment
Eine im folgenden Beispiel und anhand von
In
Die Vorrichtung in
Die Verbindung der Zellverbinderbleche mit den einzelnen Polen der Akkumulatorzellen erfolgt durch ein Punktschweißverfahren mit 2 Schweisspunkten pro Zellpol. Die Anbindung des ersten Zellpaketes an einen äußeren Lade- bzw. Lastkreis erfolgt durch zwei geeignete, nicht dargestellte Kupferkabel mit 2.5 mm2 Querschnitt und einer 0.5 mm dicken Kunststoffmantelisolation, die aus dieser Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach unten herausgeführt und an Plus- und Minuspol mit einem ebenfalls nicht abgebildeten äußeren Lade- bzw. Lastkreis verbunden werden.The connection of the cell connector plates with the individual poles of the battery cells is carried out by a spot welding method with 2 Welding points per cell pole. The connection of the first cell stack to an external charging or load circuit is carried out by two suitable, not shown copper cable with 2.5 mm 2 cross-section and a 0.5 mm thick plastic sheath insulation, which led out of this embodiment of the device according to the invention down and at plus and minus pole with be connected to an external load or load circuit also not shown.
Dieser erste elektrochemische Speicher (
Die nicht näher beschriebene Kabelführung der beiden Kupferkabel erfolgt durch zweckmäßige, nicht näher beschriebene Öffnungen an der Unterseite des ersten Kunststoffgehäuses.The cable guide of the two copper cables not described in more detail by appropriate, unspecified openings on the underside of the first plastic housing.
Dieses erste Außenteil (
Am seitlichen Umfang des ersten Außenteils (
Die äußeren Abmessungen betragen für die ersten plattenförmigen Schildelemente (
Die Verbindung der ersten plattenförmigen Schildelemente (
Die am Umfang des ersten Aussenteils (
Diese Fluidströmung ist eine dem Schwerkraftvektor (
Weiter abgebildet ist ein erstes Verschlusselement (
Im Anschluss an dieses Ausführungsbeispiel wird im Folgenden eine weitere besonders bevorzugte Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschildert:
Es ist bekannt, dass die beim Entladen anfallende Abwärme eines elektrochemischen Speichers mit zunehmender spezifischer Strombelastung (und nachlassender Umwandlungseffizienz) zunimmt. Wird ein elektrochemischer Speicher zur Versorgung des Antriebs eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrrades, verwendet, liegt, mit gewissen Einschränkungen, ein Zusammenhang zwischen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und Strombelastung des elektrochemischen Speichers vor.Following on from this exemplary embodiment, a further particularly preferred embodiment or development of the device according to the invention is described below:
It is known that the waste heat of an electrochemical store arising during discharging increases with increasing specific current load (and decreasing conversion efficiency). Becomes a used electrochemical storage for supplying the drive of a vehicle, such as an electric bicycle, there is, with certain restrictions, a relationship between vehicle speed and current load of the electrochemical storage ago.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung bzw. Ausführung (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Wesentlichen symmetrisch zu einer y-Mittelachse und einer x-Mittelachse (Strichpunktlinien) dargestellt; die Ausführungen zu einzelnen Bereichen gelten ggf. für die jeweils symmetrisch dazu angeordneten Bereiche analog.In a particularly preferred development or embodiment (
The device according to the invention is shown substantially symmetrically with respect to a Y-center axis and an X-center axis (dashed-dotted lines); the comments on individual areas may apply analogously to the respective symmetrically arranged areas.
Die Einbaulage dieser Ausführung (
Weiter ist die Einbaulage dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Fahrzeug besonderes bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die xy-Ebene des Referenz-Koordinatensystems (
Eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass erste, zumindest bereichsweise vertikal verlaufende, Strömungskanäle (analog zu
In
Weiter sind dargestellt die Vorzugs-Wärmeleitungsrichtung (
Weiter sind dargestellt die aus einem ersten plattenförmigen Schildelement (
Weiter dargestellt sind nach außen gerichtete, ggf. einer ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle (
Diese besonders bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchströmung der Strömungskanäle zumindest zeitweise und zumindest bereichsweise durch Atmosphärenfluid sowohl in horizontaler Richtung durch einen dritten Fluidstrom (
An dieser besonders bevorzugten Ausführung (
- • Die Gesamtvorrichtung (
6.10 ) wird von einer ersten Strahlungsquelle (6.09 ) mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt. Diese Strahlung trifft die Gesamtvorrichtung u. a. auf einer dritten Oberfläche (6.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (6.13 ), das einen dahinter liegenden ersten Bereich (6.34 ) vor der Strahlung, zumindest bereichsweise und,im Wellenlängenbereich von 100 nm oder darüber, zumindest teilweise, intransparent abschirmt. - • Diese dritte Oberfläche (
6.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (6.13 ) strahlt einen Teil der von der Strahlungsquelle (6.09 ) einfallenden elektromagnetischen Strahlung direkt durch Remission ab. Der nicht remittierte Strahlungsanteil wird an der Oberfläche (6.16 ) absorbiert und in Wärme umgewandelt. - • Durch diesen Vorgang wird das betroffene erste plattenförmige Schildelement (
6.13 ) aufgeheizt. Infolge des hohen Wärmedurchgangswiderstands der zugehörigen zweiten Abstandshalter (6.27 ) ist die Wärmeübertragung vom betroffenen ersten plattenförmigen Schildelement (6.13 ) an die übrige Vorrichtung durch Wärmeleitung vernachlässigbar klein. Die Temperatur des betroffenen ersten plattenförmigen Schildelements (6.13 ) steigt dabei signifikant über die Temperatur der Umgebungsatmosphäre an. - • In unmittelbarer Nähe einer zweiten Oberfläche (
6.17 ) bzw. einer dritten Oberfläche (6.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (6.13 ) heizt sich die anliegende Umgebungsluft bzw. das anliegende Umgebungsatmosphärenfluid entsprechend der jeweiligen lokalen Oberflächentemperatur eines ersten plattenförmigen Schildelements (6.13 ) auf und steigt infolge Dichteabnahme in z-Richtung des Referenz-Koordinatensystems (6.07 ) auf, wodurch spontan durch Konvektion eine stationäre erste Fluidströmung (6.24 ) bzw. eine stationäre zweite Fluidströmung (6.25 ) entsteht, die Wärme aus einem ersten Wärmestrom (6.22 ) bzw. aus einem dritten Wärmestrom (6.21 ) von einer zweiten Oberfläche (6.17 ) bzw. von einer dritten Oberfläche (6.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (6.13 ) abführt und die durch die Temperaturdifferenz der heißeren Oberflächen zur Umgebungsatmosphäre und durch von unten bzw. von der Seite auf Höhe der nicht dargestellten ersten Einströmbereiche nachströmende, kühlere Umgebungsluft bzw. kühleres Umgebungsatmosphärenfluid in Gang gehalten wird. - Insbesondere bilden sich dadurch in einem ersten Strömungskanal (vgl.
4 -4.14 ) stationäre Strömungsverhältnisse mit zumindest einer nach oben bzw. gegen den Schwerkraftvektor gerichteten Strömungskomponente eines ersten Fluidstroms (vgl.4 –4.24 ) aus, die bei geeigneter Dimensionierung der zweiten Abstandshalter (6.27 ), eines ersten Kanalquerschnitts (4.14 ) und geeigneter Wahl der Ein- und Ausströmgeometrie bzw. der ersten Einströmbereiche (vgl.4 –4.19 ) und ersten Ausströmbereiche (vgl.4 –4.20 ) eines ersten Strömungskanals (vgl.4 –4.14 ) die Wärmeübertragung der auf eine dritte Oberfläche (6.16 ) eines ersten plattenförmigen Schildelements (vgl.4 –4.16 ) eingestrahlten Strahlungswärme hin zu einer ersten Oberfläche (6.18 ) eines ersten Außenteils (6.12 ) und damit mittelbar hin zu einem elektrochemischen Speicher (6.11 ) deutlich reduziert. - • Die Ausbildung einer kovektiv bedingten ersten Fluidströmung (
4.24 ) erfolgt prinzipiell auch bei alleinigem Auftreten einer Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsatmosphäre und einer ersten Oberfläche (6.18 ) eines ersten Aussenteils (6.12 ). Analog dazu wird also Abwärme (6.23 ) aus dem Betrieb des elektrochemischen Speichers (6.11 ) infolge Ladens oder Entladens über eine durch die Abwärme relativ zur Umgebungsatmosphäre aufgeheizte zweite Oberfläche (6.18 ) an das Atmosphärenfluid im ersten Strömungskanal (vgl.4 –4.43 ) abgegeben, so dass auch hier ein Abwärmeabtransport durch spontan einsetzende natürliche Konvektionsströmung erfolgt. - • Bei Bewegung des Fahrzeugs entlang der Fahrzeuglängsachse relativ zur Umgebungsatmosphäre tritt nun zusätzlich eine horizontale, zumindest bereichsweise in x-Richtung des Referenz-Koordinatensystems (
6.07 ) verlaufende relative Atmosphärenbewegung (Fahrtwind) in Form dritter Fluidströme auf (6.42 ). Die Anströmung der zweiten Strömungskanäle (6.43 ) durch dritte Fluidströme (6.42 ) bzw. das Vorbeiströmen von dritten Fluidströmen (6.42 ) an den dritten Oberflächen (6.16 ) der ersten plattenförmigen Schildelemente (6.13 ) führt zu zusätzlichen, als ”erzwungene Konvektion” bekannten Wärmeübergangsprozessen der dritten Wärmeströme (6.21 ) an den dritten Oberflächen (6.16 ), der ersten Wärmeströme (6.22 ) an den zweiten Oberflächen (6.17 ) und der zweiten Wärmeströme (6.23 ) an den ersten Oberflächen (6.18 ) hin zum jeweils an den Oberflächen vorbeistreichenden Umgebungsatmosphärenfluid. - • Dadurch wird also auch der Vorgang der Abgabe von Abwärme aus dem Betrieb des ersten elektrochemischen Speichers an die Umgebungsatmosphäre über zweite Wärmeströme (
6.23 ) deutlich verbessert bzw. die bei gegebenen Umgebungstemperaturen realisierbaren zweite (Ab)Wärmeströme (6.23 ) deutlich erhöht und die Aufheizung der ersten Oberflächen (6.18 ), und damit mittelbar des ersten elektrochemischen Speichers (6.11 ), infolge elektromagnetischer Strahlung aus der Strahlungsquelle (6.09 ) minimiert. - • Liegen Umgebungstemperaturen bzw. Einstrahlbedingungen vor, bei denen eine verstärkte Abwärmeabfuhr aus einem ersten elektrochemischen Speicher (
6.11 ) über einen zweiten (Ab)Wärmestrom (6.23 ) unerwünscht ist, beispielsweise im Winter, werden die zweiten Strömungskanäle (6.43 ) durch geeignete erste Verschlusselemente (6.35 ), besonders bevorzugt elastische Formeinsatzteile mit hohem Wärmedurchgangswiderstand, zumindest bereichsweise, besonders bevorzugt entlang der zweiten Oberflächen (6.18 ), verschlossen: Dadurch wird eine einerthermischen Rundumisolierung des ersten elektrochemischen Speichers (6.11 ) vergleichbare Wärmeleitungssituation erzielt.
- • The overall device (
6.10 ) is from a first radiation source (6:09 ) is exposed to electromagnetic radiation. This radiation strikes the entire device, inter alia, on a third surface (6.16 ) of a first plate-shaped shield element (6.13 ), which has a first area (6:34 ) in front of the radiation, at least partially, and in the wavelength range of 100 nm or above, at least partially, intransparent shields. - • This third surface (
6.16 ) of a first plate-shaped shield element (6.13 ) radiates part of the radiation source (6:09 ) incident electromagnetic radiation directly by remission. The non-remitted radiation component is at the surface (6.16 ) and converted into heat. - By this process, the affected first plate-shaped shield element (
6.13 ) heated. Due to the high thermal resistance of the associated second spacers (6.27 ) is the heat transfer from the affected first plate-shaped shield element (6.13 ) to the rest of the device by heat conduction negligibly small. The temperature of the affected first plate-shaped shield element (6.13 ) increases significantly above the temperature of the ambient atmosphere. - • In the immediate vicinity of a second surface (
6.17 ) or a third surface (6.16 ) of a first plate-shaped shield element (6.13 ) heats the adjacent ambient air or the surrounding ambient atmosphere fluid according to the respective local surface temperature of a first plate-shaped shield element (6.13 ) and increases due to density decrease in the z-direction of the reference coordinate system (6:07 ), whereby spontaneously by convection a stationary first fluid flow (6.24 ) or a stationary second fluid flow (6.25 ) arises, the heat from a first heat flow (6.22 ) or from a third heat flow (6.21 ) from a second surface (6.17 ) or from a third surface (6.16 ) of a first plate-shaped shield element (6.13 ) and is maintained by the temperature difference of the hotter surfaces to the ambient atmosphere and by from below or from the side at the level of the first inflow, not shown inflowing, cooler ambient air or cooler ambient atmosphere fluid in motion. - In particular, this forms in a first flow channel (see.
4 -4.14 ) stationary flow conditions with at least one upward or against the gravity vector directed flow component of a first fluid flow (see.4 -4.24 ), which, with suitable dimensioning of the second spacers (6.27 ), a first channel cross-section (4.14 ) and a suitable choice of the inlet and Ausströmgeometrie or the first inflow (see.4 -4.19 ) and first outflow areas (cf.4 -4.20 ) of a first flow channel (see.4 -4.14 ) heat transfer to a third surface (6.16 ) of a first plate-shaped shield element (see.4 -4.16 radiated radiant heat toward a first surface (6.18 ) of a first outer part (6.12 ) and thus indirectly to an electrochemical storage (6.11 ) significantly reduced. - • The formation of a covective first fluid flow (
4.24 ) takes place in principle even when a temperature difference between ambient atmosphere and a first surface (6.18 ) of a first outer part (6.12 ). Similarly, waste heat (6.23 ) from the operation of the electrochemical store (6.11 ) due to charging or discharging via a heated by the waste heat relative to the ambient atmosphere second surface (6.18 ) to the atmospheric fluid in the first flow channel (see.4 -4:43 ), so that also takes place here a Abwärmeabtransport by spontaneously occurring natural convection. - When moving the vehicle along the vehicle longitudinal axis relative to the ambient atmosphere, a horizontal, at least partially in the x-direction of the reference coordinate system now also occurs (
6:07 ) running relative atmospheric motion (airstream) in the form of third fluid streams (6:42 ). The flow of the second flow channels (6:43 ) by third fluid streams (6:42 ) or the flow of third fluid streams (6:42 ) on the third surfaces (6.16 ) of the first plate-shaped shield elements (6.13 ) leads to additional, as "forced convection" known heat transfer processes of the third heat flows (6.21 ) at the third surfaces (6.16 ), the first heat flows (6.22 ) on the second surfaces (6.17 ) and the second heat flows (6.23 ) at the first surfaces (6.18 ) to the ambient atmosphere fluid passing past the surfaces. - Thus, the process of discharging waste heat from the operation of the first electrochemical storage to the ambient atmosphere via second heat flows (
6.23 ) significantly improved or at a given ambient temperatures feasible second (Ab) heat flows (6.23 ) and the heating of the first surfaces (6.18 ), and thus indirectly the first electrochemical storage (6.11 ), due to electromagnetic radiation from the radiation source (6:09 ) minimized. - • Are there ambient temperatures or irradiation conditions in which increased waste heat removal from a first electrochemical store (
6.11 ) via a second (off) heat flow (6.23 ) is undesirable, for example in winter, the second flow channels (6:43 ) by suitable first closure elements (6:35 ), particularly preferably elastic mold inserts with high heat transfer resistance, at least in regions, particularly preferably along the second surfaces (6.18 This closes off a thermal all-round insulation of the first electrochemical store (6.11 ) achieves comparable heat conduction situation.
Durch diese besonders bevorzugte Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zusätzlich das Problem der Überhitzung eines elektrochemischen Speichers bei Entladebetrieb und Fahrt unter hohen Umgebungstemperaturen und (Sonnen-)Einstrahllasten adressiert: Durch Verstärkung der Wärmeübertragung an die Umgebungsatmosphäre in zweiten Strömungskanälen (
Ausführungsbeispielembodiment
Diese besonders bevorzugte Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Folgenden anhand des in
Der nicht abgebildete Deckel besteht aus einem den elektrochemischen Speicher (
The lid, not shown, consists of a electrochemical store (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hier im Wesentlichen symmetrisch zu einer der xz-Ebene des Referenz-Koordinatensystems (
Diese besonders bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die symmetrisch zu einer xz-Ebene des Referenz-Koordinatensystems (
In
Das Zellpaket wird durch eine ebenfalls nicht abgebildete Schutzschaltungs-Elektronikplatine, entsprechend der Vorgaben des Zellherstellers, vor Überladung, Unterspannung, Überstrom und Betrieb außerhalb des vom Zellhersteller vorgegebenen Temperaturfensters abgesichert. Die Kontaktierung des Zellpakets nach Außen erfolgt durch ebenfalls nicht dargestellte, an Plus- und Minuspol des Zellpakets befestigte, mit jeweils 0.5 mm Kunststoffmantel nach außen isolierte Kupfer-Lastkabel mit 2.5 mm2 Leitungsquerschnitt. Die Befestigung der Lastkabel an den Polen erfolgt ebenfalls mittels jeweils eines Schweißpunktes.The cell packet is protected by a likewise not shown protection circuit electronic board, according to the specifications of the cell manufacturer, from overcharging, undervoltage, overcurrent and operation outside the temperature window specified by the cell manufacturer. The contacting of the cell packet to the outside by not shown, attached to the positive and negative pole of the cell stack, each with 0.5 mm plastic sheath to the outside insulated copper load cable with 2.5 mm 2 cable cross-section. The attachment of the load cable to the poles is also carried out by means of one welding point.
Abgesehen von den Komponenten des elektrochemischen Speichers und den durch den Schaumstoff ”Styropor” gebildeten, zweiten Bereichen (
In
Weiter sind abgebildet dritte Strömungskanäle (
Die dritten Strömungskanäle (
Weiter dargestellt in
Bei abgeschalteter Energieentnahme aus dem elektrochemischen Speicher (
Bei laufender Energieentnahme aus dem ersten elektrochemischen Speicher (
Bei Umgebungstemperaturen unterhalb von 10°C wird diese Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch zwei passgenaue, nicht in der Abbildung dargestellte, Formteile aus Latexschaum ergänzt. Der erfindungsgemäße Einsatzort dieser passgenauen Formteile sind die dritten Strömungskanäle (
Im Anschluss an dieses Ausführungsbeispiel wird im Folgenden eine weitere besonders bevorzugte Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschildert:
In einer weiteren besonders bevorzugten, hier nicht figürlich dargestellten, Ausführung bzw. Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster elektrochemischer Speicher, ggf. samt Gehäuse, als eine aus der Gesamtvorrichtung entnehmbare Baugruppe ausgestaltet ist.Following on from this exemplary embodiment, a further particularly preferred embodiment or development of the device according to the invention is described below:
In a further particularly preferred, not figuratively illustrated, embodiment or development, the device according to the invention is characterized inter alia in that at least one first electrochemical storage, possibly together with the housing, is configured as an assembly that can be removed from the overall device.
Besonderer Vorteil dieser Variante ist, dass die den elektrochemischen Speicher umfassende, entnehmbare Baugruppe nicht innerhalb der Gesamtvorrichtung geladen werden muss, sondern an einem anderen Ort geladen werden kann. Dies ist insbesondere beim Einsatz als mobiler Speicher für z. B. ein Elektrofahrrad zur Steigerung der Benutzungsfreundlichkeit und Handhabbarkeit des Produktes von besonderer Bedeutung.A particular advantage of this variant is that the removable assembly comprising the electrochemical storage does not have to be charged within the overall apparatus, but can be loaded at another location. This is especially when used as a mobile storage for z. As an electric bicycle to increase the ease of use and manageability of the product is of particular importance.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung (
Die Gesamtvorrichtung (
Besonderes Merkmal dieser besonders bevorzugten Ausführung ist die Gestaltung der Schnittstellen zwischen erstem Innenteil (
Das bedeutet also, dass ein erstes Innenteil in zumindest zwei unterschiedlichen Montagepositionen mit einem ersten Außenteil, besonders bevorzugt durch Formschluss, kompatibel ist.This means that a first inner part in at least two different mounting positions with a first outer part, more preferably by positive engagement, is compatible.
Diese besonders bevorzugte Ausführung (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hier im Wesentlichen symmetrisch zu einer y-Mittelachse und einer x-Mittelachse (Strichpunktlinien) dargestellt; die Ausführungen zu einzelnen Bereichen gelten ggf. für die jeweils symmetrisch dazu angeordneten Bereiche analog.The device according to the invention is shown here substantially symmetrically with respect to a y-center axis and an x-center axis (dashed-dotted lines); the comments on individual areas may apply analogously to the respective symmetrically arranged areas.
Weiter sind dargestellt ein erstes Innenteil (
Erstes Aussenteil (
Weiter erfolgt die Interaktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Umgebungsatmosphäre in der ersten Montageposition über nicht dargstellte erste Fluidströme mit vertikaler Geschwindigkeitskomponente, die bei Auftreten einer Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungsatmosphäre und ersten plattenförmigen Schildelementen (
Diese erste Montageposition (
In
Die Interaktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung (
Diese zweite Montageposition (
Das Zusammenwirken des ersten Aussenteils (
Beim Zusammenwirken des ersten Aussenteils (
Beim Zusammenwirken des ersten Aussenteils (
In einer besonders bevorzugten, figürlich nicht dargestellten, Ausführung erfolgt die Kontaktierung des ersten elektrochemischen Speichers mit einem äußeren Verbraucher- bzw. Ladekreis über drehsymmetrische, besonders bevorzugt im Bereich der Drehachse angeordnete Kontaktierungselemente, wie z. B. über Klinkenstecker, Hohlstecker o. ä. Dadurch wird eine vergleichbare elektrische Kontaktierung in den verschiedenen Montagepositionen sichergestellt.In a particularly preferred, figuratively not shown, execution of the contacting of the first electrochemical memory with an external load or charging circuit via rotationally symmetrical, particularly preferably arranged in the region of the axis of rotation contacting elements such. B. over jack, hollow plug o. Ä. This ensures a comparable electrical contact in the various mounting positions.
In einer weiteren besonders bevorzugten, nicht detailliert dargestellten, Variante umfasst diese Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zudem fünfte Bereiche (
Die erste Montageposition (
Durch diese besonders bevorzugte Ausführung wird, unter Beibehaltung der bereits geschilderten Vorteile der einzelnen Ausführungen, eine deutliche Vereinfachung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt: Die Einstellung für den Betrieb bei hohen bzw. niedrigen Temperaturen erfolgt dynamisch durch den Benutzer und die Auswahl einer von zumindest zwei Montagepositionen nach klimatischen Kriterien. Die Mitführung zusätzlicher Verschlusselemente entfällt.This particularly preferred embodiment, while maintaining the already described advantages of the individual embodiments, a significant simplification of the device according to the invention achieved: The setting for operation at high or low temperatures is done dynamically by the user and the selection of one of at least two mounting positions climatic criteria. The entrainment of additional closure elements is eliminated.
Ausführungsbeispielembodiment
Diese besonders bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Folgenden anhand des in den
Die beiden Baugruppen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind jeweils symmetrisch bezüglich zu zur xz-Ebene und zu zur yz-Ebene des Referenz-Koordinatensystems (
Diese besonders bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst einen nicht näher beschriebenen ersten elektrochemischen Speicher aus Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen des Typs ”Pouchzelle” (
Erste Baugruppe: Dieser erste elektrochemische Speicher (
Die Abmessungen der vierten Bereiche (
Die erste Baugruppe muss zum Laden des elektrochemischen Speichers aus der Gesamtvorrichtung (
Zweite Baugruppe: Die zweite Baugruppe wird gebildet durch ein erstes Aussenteil (
Die zweiten Abstandshalter (
Weiter umfasst das erste Aussenteil (
Die Außenabmessungen eines ersten Aussenteils (
In
Diese erste Montageposition (
Weiter ist in
Diese zweite Montageposition (
Die Auswahl und Umsetzung der ersten bzw. zweiten Montageposition erfolgt durch den Benutzer anhand der o. g. klimatischen Kriterien.The selection and implementation of the first and second mounting position is carried out by the user on the basis of o. G. climatic criteria.
Im Anschluss an dieses Ausführungsbeispiel wird im Folgenden eine weitere besonders bevorzugte Ausführung bzw. Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschildert:
In einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung bzw. Ausführung (
In a further particularly preferred development or embodiment (
Die Gesamtvorrichtung (
Besonderes Merkmal dieser besonders bevorzugten Ausführung (
Particular feature of this particularly preferred embodiment (
Diese besonders bevorzugte Ausführung wird als isometrische Ansicht ohne Deckel im Folgenden anhand der
Die beiden dort dargestellten Baugruppen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind jeweils symmetrisch bezüglich zu zur xz-Ebene und zu zur yz-Ebene des Referenz-Koordinatensystems (
In
Die zweite Baugruppe umfasst ein erstes Innenteil (
Weiter dargestellt sind in den
Die beiden Baugruppen, bzw. das erste Aussenteil (
In einer ersten Montageposition (
Eine vertikale Durchströmung der dritten Strömungskanäle (
In einer zweiten Montageposition (
Vorteilhaft bei dieser Variante ist unter anderem eine Vereinfachung des Herstellaufwandes, was zur Kostensenkung der Herstellkosten und damit der Wirtschaftlichkeit des Produktes beiträgt.An advantage of this variant is, inter alia, a simplification of the manufacturing effort, which contributes to the cost reduction of the manufacturing costs and thus the profitability of the product.
Im Anschluss an dieses Ausführungsbeispiel werden im Folgenden weitere besonders bevorzugte Ausführungen bzw. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschildert:
Eine weitere, nicht figürlich dargestellte, besonders bevorzugte Weiterbildung bzw. Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten plattenförmigen Schildelemente verschieblich entlang des Normalenvektors ihrer Hauptflächen gestaltet sind. Eine solche Verschieblichkeit gestattet die Manipulation des Strömungsquerschnitts der dritten Strömungskanäle und kann beispielsweise durch Ersatz zweiter Abstandshalter konstanter Länge durch: Teleskopartige Befestigungselemente, Scherenelemente oder Scherengestelle, erfolgen.Following on from this exemplary embodiment, further particularly preferred embodiments or developments of the device according to the invention are described below:
Another, not illustrated, particularly preferred embodiment or embodiment of the device according to the invention is characterized in that the first plate-shaped shield elements are designed to be displaceable along the normal vector of their main surfaces. Such a displaceability allows the manipulation of the flow cross section of the third flow channels and, for example, by replacing second spacers constant length by: Telescope-like fasteners, scissor elements or scissors racks done.
Dadurch ist das Maß der Durchströmung der dritten Strömungskanäle durch Variation ihres hydraulischen Durchmessers variabel einstellbar.As a result, the degree of flow through the third flow channels is variably adjustable by varying their hydraulic diameter.
In einer besonders bevorzugten Ausführung kann der Abstand zwischen den ersten Bereichen und den plattenförmigen Schildelementen in der Bandbreite von 0 mm–25 mm, besonders bevorzugt stufenlos, eingestellt werden.In a particularly preferred embodiment, the distance between the first regions and the plate-shaped shield elements in the range of 0 mm-25 mm, particularly preferably continuously, can be adjusted.
Weiter gestattet eine solche Verschieblichkeit der ersten plattenförmigen Schildelemente bei der Ausbildung analog zu
In einer weiteren, ebenfalls nicht figürlich dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Weiterbildung eines ersten Innenteils (
Diese Variante ist besonders geeignet für klimatische Regionen, in denen, z. B. jahreszeitbedingt nennenswerte Temperaturunterschiede der Umgebungsatmosphäre auftreten, in denen jedoch keine nennenswerte Einstrahlungsbelastung vorliegt, beispielsweise infolge regelmäßiger Bewölkung oder infolge typischen Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung in unklimatisierten Innenräumen oder bei Nacht.This variant is particularly suitable for climatic regions in which, for. B. seasonally significant differences in temperature of the ambient atmosphere occur, but in which there is no significant exposure to radiation, for example as a result of regular clouding or as a result of typical operation of the device according to the invention in unclimatiated interiors or at night.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 20060063066 A1 [0037] US 20060063066 A1 [0037]
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Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102013013257.6A DE102013013257A1 (en) | 2013-08-09 | 2013-08-09 | Device with electrochemical storage |
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DE102013013257.6A DE102013013257A1 (en) | 2013-08-09 | 2013-08-09 | Device with electrochemical storage |
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DE102013013257.6A Withdrawn DE102013013257A1 (en) | 2013-08-09 | 2013-08-09 | Device with electrochemical storage |
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DE (1) | DE102013013257A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017112032A (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 株式会社豊田自動織機 | Battery pack |
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US20060063066A1 (en) | 2004-08-06 | 2006-03-23 | Seungdon Choi | Battery system containing phase change material-containing capsules in interior configuration thereof |
-
2013
- 2013-08-09 DE DE102013013257.6A patent/DE102013013257A1/en not_active Withdrawn
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US20060063066A1 (en) | 2004-08-06 | 2006-03-23 | Seungdon Choi | Battery system containing phase change material-containing capsules in interior configuration thereof |
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JP2017112032A (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 株式会社豊田自動織機 | Battery pack |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0010500000 Ipc: H01M0010655600 |
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R084 | Declaration of willingness to licence | ||
R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |