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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Batteriesystem für ein Fahrzeug mit einer Batterie eines ersten Typs sowie einer Batterie eines zweiten Typs, wobei der erste Typ vom zweiten Typ verschieden ist. Darüber hinaus beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit einer Anordnung aus einem Verbrennungsmotor und dem oben genannten Batteriesystem sowie einem Fahrzeug mit einem solchen Batteriesystem oder mit einer solchen Anordnung.
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Der Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen wird zunehmend zumindest teilweise elektrifiziert, um insbesondere die von verschiedenen Gesetzgebern vorgegebenen Grenzwerte für den CO2-Ausstoß einhalten zu können. Bislang wird jedoch das Vorhaben der reinen Elektromobilität aus verschiedenen Gründen, vor allem der Kosten, nur schleppend umgesetzt. Eine starke Hybridisierung, also das Vorsehen eines klassischen Verbrennungsmotors in Kombination mit einem Elektromotor, der aus einem Hochvoltbatteriesystem gespeist wird, erwies sich ebenfalls aufgrund der relativ aufwändigen Integration als nicht attraktiv und ist bislang zumeist nur in Fahrzeugen der Luxusklasse verbreitet. Für Fahrzeuge der Ober- und der Mittelklasse wurden bisher schwache Hybridisierungsansätze verfolgt wie ein Start-Stopp-System unter Verwendung einer Blei-Säure-Batterie. Dadurch können zwar notwendige CO2-Einsparungen erreicht werden, gleichzeitig kommt es jedoch zu deutlich höheren Ausfallraten der Blei-Säure-Batterien aufgrund der niedrigen zyklischen Lebensdauer und der stattfindenden Sulfatation im Betrieb, wenn kein Ladungsausgleich erfolgt.
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Mit der Einführung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie stand eine Alternative zur Blei-Säure-Batterie bereit, die im Hinblick auf ihre Zyklenfähigkeit, Ladeeffizienz und Energiedichte der Bleisäurebatterietechnologie deutlich überlegen ist. Der hohe Preis von Lithium-Ionen-Batterien verhindert jedoch die vollständige Verdrängung der Blei-Säure-Batterien aus dem Fahrzeug. Daher wird es als Zwischenlösung zur Optimierung der Systemeigenschaften, insbesondere zur Einhaltung eines akzeptablen Preises, zunächst zu einer Kombination beider Technologien, d. h. der Blei-Säure-Batterietechnologie mit der Lithium-Ionen-Batterietechnologie kommen.
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Eine solche Kombination ist beispielsweise aus der
EP 1 377 477 B1 bekannt. Diese Druckschrift kombiniert eine Batterie auf Lithium-Ionen-Basis mit einer Blei-Säure-Batterie. Die Lithium-Ionen-Batterie besitzt eine hohe Energiedichte und ist daher recht leicht. Sie besitzt jedoch Schwierigkeiten, hohe plötzliche Leistungsanfragen zu befriedigen. Deswegen ist zusätzlich eine Blei-Säure-Batterie vorgesehen, die bei einem hohen Leistungsbedarf schnell Energie abgeben kann.
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Ein wesentliches Problem der Lithium-Ionen-Technologie ist jedoch die relativ große Temperaturempfindlichkeit, die eine Lithium-Ionen-Batterie relativ schnell altern lässt, und das relativ schnelle Aufheizen aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität im Vergleich zur Blei-Säure-Technologie. Wird die Lithium-Ionen-Batterie im Motorraum eingebaut, ist daher ein relativ hoher Aufwand an Kühlung bzw. Isolation vom heißen Verbrennungsmotor notwendig. Bei einer schlechten Isolation der Lithium-Ionen-Batterie kann es aufgrund der Wärmestrahlung des Verbrennungsmotors zu erheblichen thermischen Belastungen kommen. Kurzzeitig können hier Belastungen von bis zu 90° C auftreten. Während bei Blei-Säure-Batterien aufgrund ihrer hohen thermischen Kapazität der Temperaturanstieg in der Batterie eher verhalten ausfällt, kann es bei der Lithium-Ionen-Batterie zu einem deutlichen Temperaturanstieg kommen. Daher ist eine kostenaufwändige Isolation des Batteriesystems vom Motor notwendig. Da der Einbau der Batterie nur in bestimmten Bauräumen möglich ist, kann eine solche Isolation teilweise sehr schwierig umsetzbar sein.
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Wegen der großen Temperaturempfindlichkeit werden darüber hinaus umfangreiche Kühlsysteme für Lithium-Ionen-Batteriezellen im Stand der Technik vorgeschlagen. Ein solches Kühlsystem ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 051 897 A1 bekannt.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem für ein Fahrzeug anzugeben, das einfach und kostengünstig eine ausreichende Kühlung bereitstellt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Anordnung aus einem Verbrennungsmotor und einem erfindungsgemäßen Batteriesystem anzugeben, die eine Gefahr einer Überhitzung des Batteriesystems reduziert.
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Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Batteriesystem nach Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche geben Ausführungsformen der Erfindung an.
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Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung ein Batteriesystem für ein Fahrzeug mit einer Batterie eines ersten Typs und einer Batterie eines zweiten Typs, wobei der erste Typ vom zweiten Typ verschieden ist. Erfindungsgemäß sind dabei die Batterie des ersten Typs und die Batterie des zweiten Typs thermisch miteinander gekoppelt, vorzugsweise über direkten körperlichen Kontakt oder über eine Wärmebrücke (etwa eine Folie, ein Blech oder eine Platte, insbesondere aus Metall, wobei die Folie auch aus Kunststoff gebildet sein kann). Auch eine Wärmeübertragung mit Konvektion eines Wärmemediums oder eine Wärmeübertragung durch Abstrahlung ist möglich, um die thermische Kopplung zu realisieren.
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Auf diese Weise kann ein Temperaturausgleich zwischen den beiden Batterien erfolgen, so dass bei einem Ungleichgewicht der Temperaturen die eine Batterie dadurch gekühlt wird, dass die andere Batterie Wärme aufnimmt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Batterie des ersten Typs eine erste spezifische Wärmekapazität und die Batterie des zweiten Typs eine zweite spezifische Wärmekapazität auf, wobei die erste spezifische Wärmekapazität größer ist als die zweite spezifische Wärmekapazität.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Batterie des ersten Typs eine erste (Gesamt-)Wärmekapazität und die Batterie des zweiten Typs eine zweite (Gesamt-)Wärmekapazität aufweist, wobei die erste Wärmekapazität größer ist als die zweite Wärmekapazität.
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In diesem Fall ist insbesondere eine Kühlung der Batterie des zweiten Typs durch die Batterie des ersten Typs möglich, da die Batterie des ersten Typs eine höhere spezifische Wärmekapazität (oder Gesamt-Wärmekapazität) aufweist, als die Batterie des zweiten Typs.
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Die Batterie des ersten Typs ist vorzugsweise eine Batterie mit Zellen, die einen wässrigen Elektrolyten aufweisen. Die Batterie des zweiten Typs ist vorzugsweise eine Batterie mit Zellen, die einen nicht-wässrigen Elektrolyten aufweisen, beispielsweise einen Trocken- oder Festkörperelektrolyten und/oder einen organischen Elektrolyten.
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Insbesondere kann es sich bei der Batterie des ersten Typs um eine Blei-Säure-Batterie und/oder bei der Batterie des zweiten Typs um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Durch eine Verwendung dieser beiden Batteriearten können deren spezifische Vorteile kombiniert werden. Blei-Säure-Batterien sind billig und können schnell große Leistungsmengen abgeben, weisen jedoch eine niedrige zyklische Lebensdauer auf. Lithium-Ionen-Batterien hingegen besitzen eine hohe zyklische Lebensdauer, eine hohe Ladeeffizienz sowie eine große Energiedichte. Sie sind jedoch recht teuer.
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Die Batterie des ersten Typs kann beispielsweise eine erste Oberfläche und die Batterie des zweiten Typs eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die erste und zweite Oberfläche miteinander in Kontakt stehen. Auf diese Weise kann eine besonders einfache thermische Kopplung der beiden Batterien miteinander erfolgen.
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Die Batterie des ersten Typs und/oder die Batterie des zweiten Typs kann Mittel zur mechanischen Kopplung der Batterie des ersten Typs mit der Batterie des zweiten Typs aufweisen. Diese Mittel können insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Formschlussverbindung zwischen der Batterie des ersten Typs und der Batterie des zweiten Typs herzustellen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Batterie in eine Hinterschneidung der anderen Batterie hineingeschoben wird. Auch eine Schwalbenschwanzkopplung oder eine T-Nut-Kopplung kann vorgesehen sein. In diesem Falle würde eine Batterie einen Schwalbenschwanz oder ein T-Stück aufweisen, der bzw. das in eine entsprechend geformte Nut der anderen Batterie hineingeschoben wird. Auch eine Feder-Nut-Verbindung ist denkbar. Ebenfalls können Ausnehmungen an der einen Batterie vorgesehen sein und dazu komplementäre Vorsprünge an der anderen Batterie.
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In einer Ausführungsform sind die Batterie des ersten Typs und die Batterie des zweiten Typs über eine elektrische Verbindung miteinander thermisch gekoppelt. Die elektrische Verbindung kann neben Kabeln auch weitere elektromechanische Elemente, wie z. B. Schütze oder Sicherungen bzw. elektronische Komponenten wie z. B. Halbleiterschalter, beinhalten. Bei der elektrischen Verbindung kann es sich z. B. um ein Batteriekabel handeln. Auch auf diese Weise ist eine einfache thermische Kopplung der beiden Batterien miteinander möglich. Indem Elemente, die aus anderen Gründen eh im Fahrzeug vorhanden sein müssen, zur thermischen Kopplung verwendet werden, können Kosten gespart werden.
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Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung eine Anordnung aus einem Verbrennungsmotor und einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, bei der die Batterie des ersten Typs im Verhältnis zum Verbrennungsmotor und zur Batterie des zweiten Typs derart angeordnet ist, dass sie die Batterie des zweiten Typs vor einer Wärme des Verbrennungsmotors schützt. Dabei kann die Batterie des ersten Typs insbesondere zwischen dem Verbrennungsmotor und der Batterie des zweiten Typs angeordnet sein.
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Auf diese Weise kann die Batterie des ersten Typs die Batterie des zweiten Typs beispielsweise gegenüber einer Wärmestrahlung des Verbrennungsmotors isolieren. Zumindest kann die Batterie des ersten Typs erreichen, dass die bestrahlte Oberfläche der Batterie des zweiten Typs kleiner ausfällt.
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Die Batterie des ersten Typs und die Batterie des zweiten Typs weisen eine elektrische Kapazität auf, die jeweils mehr als 5%, 10%, 20% oder vorzugsweise mehr als 30% oder 40% der Summe der Kapazitäten der Batterie des ersten Typs und des zweiten Typs beträgt. Somit ist die Gesamtkapazität der beiden Batterien zusammen auf beide Batterietypen verteilt.
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Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem und/oder einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Weitere Vorteile und Details von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Dabei zeigen
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
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3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
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4 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems und
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5 eine Ausführungsforme einer erfindungsgemäßen Anordnung aus einem Verbrennungsmotor und einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
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In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche und wirkungsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen benannt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. Die gezeigte erste Ausführungsform A1 weist eine Batterie eines ersten Typs 1a und eine Batterie eines zweiten Typs 2a auf. Bei der Batterie des ersten Typs 1a kann es sich insbesondere um eine Blei-Säure-Batterie und bei der Batterie des zweiten Typs 2a insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Die Blei-Säure-Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass ihre spezifische Wärmekapazität größer als die spezifische Wärmekapazität der Lithium-Ionen-Batterie ist. Auf diese Weise kann die Lithium-Ionen-Batterie mit Hilfe der Blei-Säure- Batterie gekühlt werden. Die Batterie des ersten Typs 1a ist mit der Batterie des zweiten Typs 2a über Metallstreben 3 thermisch und elektrisch gekoppelt. Eine zusätzliche thermische Wärmekopplung entsteht dadurch, dass sich zwei Oberflächen der beiden Batterien 1a und 2a berühren.
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Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems ist in 2 illustriert. Die zweite Ausführungsform A2 umfasst wiederum eine Batterie eines ersten Typs 1b und eine Batterie eines zweiten Typs 2b. Die Batterie des zweiten Typs 2b ist auf einem Trägerelement 4 mit Hilfe von Schrauben 5 und Muttern 6 befestigt. Bei dem Trägerelement 4 kann es sich beispielsweise um einen Teil der Karosserie des Fahrzeugs handeln. Die Batterie des ersten Typs 1b weist Mittel M1 zur mechanischen Kopplung der Batterie des ersten Typs 1b mit der Batterie des zweiten Typs 2b auf. Die Batterie des zweiten Typs 2b weist hierzu komplementäre Mittel zur mechanischen Kopplung M2 der Batterie des ersten Typs mit der Batterie des zweiten Typs auf. Bei dem Mittel M1 handelt es sich im Prinzip um einen Vorsprung, der in die Ausnehmung der Mittel M2 eingeschoben werden kann. Die Mittel M2 stellen also eine Hinterschneidung bereit. Mit Hilfe der Mittel M1 und M2 können die Batterie des ersten Typs 1b und die Batterie des zweiten Typs 2b mechanisch miteinander schnell und einfach verbunden werden. Die Batterie des ersten Typs 1b kann beispielsweise einfach in die Batterie des zweiten Typs 2b eingeschoben werden.
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Die 3 verdeutlicht ein alternatives Konzept zur mechanischen Kopplung einer Batterie des ersten Typs 1c mit einer Batterie des zweiten Typs 2c. Bei der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems A3 weist die Batterie des ersten Typs 1c als Mittel zur mechanischen Kopplung M3 einen Schwalbenschwanz auf, der in eine entsprechend geformte Nut des Mittels M4 der Batterie des zweiten Typs 2c eingreift. Zur Verdeutlichung des Kopplungsprinzip sind die Abstände zwischen der Batterie des ersten Typs 1c und der Batterie des zweiten Typs 2c übertrieben dargestellt. In der Realität wird natürlich ein möglichst geringer Abstand zwischen den beiden Batterien angestrebt, um eine möglichst gute thermische Kopplung zu erreichen.
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Eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems ist in 4 gezeigt. Die vierte Ausführungsform A4 weist wieder eine Batterie eines ersten Typs 1d und eine Batterie eines zweiten Typs 2d auf. Als Mittel zur mechanischen Kopplung M5 besitzt die Batterie des ersten Typs 1d ein T-Stück. Dieses T-Stück greift in eine entsprechende T-Nut der Batterie des zweiten Typs 2d ein, die als Mittel M6 gekennzeichnet ist.
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Die 5 stellt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung aus einem Verbrennungsmotor 7 und einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems dar. Das Batteriesystem weist wieder eine Batterie des ersten Typs 1e und eine Batterie des zweiten Typs 2e auf. Die Batterie des ersten Typs 1e ist dabei derartig zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und der Batterie des zweiten Typs 2e angeordnet, dass die Batterie des ersten Typs 1e die Batterie des zweiten Typs 2e vor einer Wärme des Verbrennungsmotors 7 schützt. Die Pfeile 8 sollen eine Wärmestrahlung des Verbrennungsmotors 7 darstellen. Wie der 5 zu entnehmen ist, trifft diese Wärmestrahlung auf die Batterie des ersten Typs 1e, bei der es sich insbesondere um eine Blei-Säure-Batterie handeln kann. Da eine solche Blei-Säure-Batterie eine höhere spezifische Wärmekapazität als eine Lithium-Ionen-Batterie aufweist, kann die Blei-Säure-Batterie die Wärmestrahlung wesentlich besser verkraften als eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Batterie des ersten Typs 1e wirkt also als eine Art Isolator gegen die Wärmestrahlung 8 des Verbrennungsmotors 7.
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Durch die Erfindung kann es zu einer Reduzierung der thermischen Belastung einer Batterie und dadurch zu einer Erhöhung ihrer Lebensdauer in einem Fahrzeug kommen gerade bei einem gemeinsamen Einbau der Batterie im Motorraum zusammen mit einem Verbrennungsmotor.
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Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen. An den beschriebenen Ausführungsformen können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Insbesondere können die Merkmale einzelner Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um so weitere für den Anwendungszweck optimierte Ausführungsformen bereitzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- A1
- erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems
- A2
- zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems
- A3
- dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems
- A4
- vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems
- B1
- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung
- M1–M6
- Mittel zur mechanischen Kopplung
- 1a–1e
- Batterie eines ersten Typs
- 2a–2e
- Batterie eines zweiten Typs
- 3
- elektrische und thermische Verbindung
- 4
- Trägerelement
- 5
- Schraube
- 6
- Mutter
- 7
- Verbrennungsmotor
- 8
- Wärmestrahlung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1377477 B1 [0004]
- DE 102008051897 A1 [0006]
