DE102013225582A1 - Batteriesystem mit auslösbarem Wärmespeicher - Google Patents

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Savina Trendafilova
Michael Herr
Jan Lohbreier
Marc Heydemann
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere Lithium-Batteriesystem, welches mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise eine Lithium-Batteriezelle, ein Lithium-Batteriemodul und/oder ein Lithium-Batteriepack, umfasst. Um die Funktionalität, den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers beziehungsweise einer Fahrzeugkomponente zu verbessern, umfasst das Batteriesystem mindestens einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie und mindestens eine Auslöseeinrichtung zur Auslösung einer Freigabe von in dem Wärmespeicher gespeicherter Wärmeenergie. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für ein derartiges Batteriesystem.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Betriebsverfahren hierfür.
  • Stand der Technik
  • Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien werden in elektrochemischen und hybriden Antriebssträngen mit einer sehr hohen Dynamik betrieben. Während kurzzeitiger Spitzenbelastungen, zum Beispiel beim Beschleunigen, beispielsweise einer so genanten Boostunterstützung, und/oder beim Bremsen, beispielsweise bei einer Rekuperation der Bremsenergie, kann dabei durch die Batterie eine hohe Leistung in sehr kurzer Zeit erbracht beziehungsweise aufgenommen werden. Obwohl der Lade- und Entladewirkungsgrad dabei sehr hoch und bei etwa 95 Prozent liegen kann, kann dies, insbesondere aufgrund des Innenwiderstands, zu einer nicht vernachlässigbaren Abwärme beziehungsweise einer signifikanten Erwärmung der Batterie beziehungsweise der Zellen führen.
  • Lithium-Ionen-Batterien und -Zellen werden optimalerweise innerhalb eines bestimmten Temperaturspeicherfensters betrieben.
  • Ab Betriebstemperaturen von über 40 °C kann sich die Lebensdauer einer Batterie reduzieren. Beispielsweise in den Sommermonaten, können jedoch Außentemperaturen von über 40 °C herrschen.
  • Auch kann die Funktion und Lebensdauer einer Batterie im Betrieb bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise von unter etwa 0 °C, leiden. Bei Temperaturen von unter etwa 0 °C kann zum einen der Innenwiderstand der Batterie stark ansteigen und die Leistungsfähigkeit der Batterie mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich abnehmen. Zum anderen kann gemäß dem Gesetz von Arrhenius bei niedrigen Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit sinken. Dadurch kann sich wiederum mit sinkender Temperatur die Be- und Entladerate und damit die abrufbare Leistung einer Batterie beziehungsweise eines elektrochemischen Energiespeichers verringern. Insbesondere können sich dabei einige chemische Prozesse stark verlangsamen und dazu führen, dass Lithium auf der Elektrode abgeschieden wird, was auch als „Lithium Plating“ bezeichnet wird und zu einer dauerhaften Schädigung, beispielsweise einer reduzierten Kapazität, führen kann. Grade eine Kombination von einem Abruf einer hohen Leistung bei einer verzögerten Lithium-Einlagerung, kann dabei eine Gefahr für kalt betriebene Batterien darstellen.
  • Zudem sollte optimalerweise der Temperaturgradient innerhalb einer Batteriezelle und zwischen Batteriezellen fünf bis zehn Kelvin nicht überschreiten.
  • Zur Kühlung von Batteriezellen in Batteriepacks werden meist thermische Kontaktplatten beziehungsweise Kühlplatten verwendet, auf denen die Batteriezellen platziert werden. Die Wärme gelangt dabei in erster Linie über die Gehäusewände der Zellen zum Zellboden und wird von dort in die thermische Kontaktplatte abgeführt. Über einen Kühlkreislauf kann die Wärme sodann von der thermischen Kontaktplatten abgeführt werden. Diese thermischen Kontaktplatten können ebenso zum Erwärmen der Batteriezellen genutzt werden, beispielsweise wenn die Umgebungstemperatur deutlich unter –10°C absinkt.
  • Die Druckschrift DE 10 2007 045 164 A1 beschreibt einen Latentwärmespeicher für einen Verbrennungsmotor.
  • Die Druckschrift DE 20 2010 007 146 U1 beschreibt ein Elektrofahrzeug mit einem Fahrgastraum, wobei ein Speichermedium eines ersten Latentwärmespeicher dafür vorgesehen ist, dem Fahrgastraum Wärmeenergie zu entziehen und ein Speichermedium eines zweiten Latentwärmespeichers dafür vorgesehen ist, dem Fahrgastraum Wärmeenergie zuzuführen.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 015 557 A1 beschreibt eine Wärmemanagement-Vorrichtung zum Ableiten von Wärmeenergie von einer Sekundärbatteriezelle.
  • Die Druckschriften DE 10 2010 038 308 A1 , DE 10 2007 010 751 A1 und WO 2008/104356 A1 beschreiben Batterien mit einer Vergussmasse.
  • Die Druckschrift WO 2010/040520 A2 beschreibt eine Batterie mit einem Modulgehäuse, welches eine im Schadensfall schockabsorbierend wirkende Struktur bildet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Batteriesystem, welches mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine Batteriezelle, ein Batteriemodul und/oder ein Batteriepack, umfasst. Zum Beispiel kann das Batteriesystem ein Lithium-Batteriesystem sein. Dabei kann der mindestens eine elektrochemische Energiespeicher insbesondere eine Lithium-Batteriezelle, ein Lithium-Batteriemodul und/oder ein Lithium-Batteriepack sein. Beispielsweise kann das Batteriesystem ein Lithium-Ionen-Batteriesystem sein. Dabei kann der mindestens eine elektrochemische Energiespeicher eine Lithium-Ionen-Zelle, ein Lithium-Ionen-Batteriemodul und/oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack, zum Beispiel ein Lithium-Ionen-Akkumulator, sein. Beispielsweise kann das Batteriesystem für den Einsatz in einem Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug ausgelegt sein.
  • Weiterhin umfasst das Batteriesystem insbesondere mindestens einen latenten Wärmespeicher (Latentwärmespeicher) und/oder thermochemischen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie (thermische Energie) und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie sowie mindestens eine Auslöseeinrichtung zur Auslösung einer Freigabe von in dem Wärmespeicher gespeicherter Wärmeenergie. Der mindestens eine latente und/oder thermochemische Wärmespeicher kann dabei insbesondere ein auslösbarer Wärmespeicher sein.
  • Unter einem Wärmespeicher, welcher zur Speicherung von Wärmeenergie und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie ausgelegt ist beziehungsweise unter einem auslösbaren Wärmespeicher, kann beispielsweise ein Wärmespeicher verstanden werden, welcher insofern die Temperatur von einer zur Wärmespeicherung für den Wärmespeicher charakteristischen Temperatur, zum Beispiel 40 °C, auf eine Temperatur, zum Beispiel 30 °C, absinkt, welche unter der für den Wärmespeicher zur Wärmespeicherung charakteristischen Temperatur, zum Beispiel 40 °C, liegt und sich insbesondere noch innerhalb eines für den Wärmespeicher zum Beibehalten der Wärmespeicherung charakteristischen Temperaturspeicherfensters, zum Beispiel von ≥ –10 °C bis ≤ 40 °C, befindet, die Wärmeenergie weiter gespeichert hält.
  • Insbesondere kann der Wärmespeicher dabei die gespeicherte Wärmeenergie nicht direkt beziehungsweise ohne Auslösung wieder freigeben, sondern – insbesondere ohne Auslösung – zumindest für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise mindestens einige Minuten, Stunden, Tage oder Monate, weiter gespeichert halten.
  • Zum Beispiel kann der Wärmespeicher dabei die gespeicherte Wärmeenergie, insbesondere im Wesentlichen (nur), bei einer Auslösung, insbesondere durch die Auslöseeinrichtung, beispielsweise einer impulsartigen Auslösung, wieder frei geben.
  • Die Auslösung kann dabei insbesondere impulsartig sein. Beispielsweise kann die Auslösung durch einen mechanischen Impuls und/oder einen elektrischen Impuls und/oder einen Kälteimpuls, beispielsweise auf eine Temperatur unterhalb des Temperaturspeicherfensters, zum Beispiel unterhalb –10 °C, erfolgen.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform ist der mindestens eine Wärmespeicher ein latenter Wärmespeicher.
  • Unter einem latenten Wärmespeicher, welcher auch als Latentwärmespeicher bezeichnet werden kann, kann insbesondere eine Einrichtung verstanden werden, welche thermische Energie, insbesondere verborgen und verlustarm, vorzugsweise über lange Zeit und/oder mit vielen Wiederholzyklen, speichern kann. Zu diesem Zweck können latente Wärmespeicher die Enthalpie reversibler, sprich umkehrbarer, thermodynamischer Zustandsänderungen eines bestimmten Speichermediums, beispielsweise eines so genannten Phasenwechselmaterials, ausnutzen.
  • Insbesondere kann daher der mindestens eine Wärmespeicher mindestens ein Phasenwechselmaterial umfassen.
  • Unter einem Phasenwechselmaterial (Englisch: „Phase Change Material“ (PCM)) kann dabei insbesondere ein Material verstanden werden, dessen latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme, beispielsweise wesentlich, größer ist als die Wärme, die es aufgrund seiner normalen spezifischen Wärmekapazität, insbesondere ohne Phasenumwandlungseffekt, speichern kann.
  • Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig beziehungsweise Erstarren-Schmelzen.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst daher der mindestens eine Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial mit einem fest-flüssig Phasenübergang. Insbesondere kann dabei der Phasenübergang von flüssig nach fest exotherm und der Phasenübergang von fest nach flüssig endotherm sein.
  • Bei einer Wärmeaufnahme, beispielsweise bei einer Temperatur, zum Beispiel bei 60 °C (Wärme T2), welche größer oder gleich der Schmelztemperatur beziehungsweise Lösungstemperatur des Phasenwechselmaterials, zum Beispiel 40 °C, ist, kann dabei das Phasenwechselmaterial geschmolzen/verflüssigt beziehungsweise gelöst beziehungsweise absorbiert werden, wobei viel Wärmeenergie in Form von Schmelzwärme beziehungsweise Lösungswärme aufgenommen werden kann:
    PCM (fest/kristallin) + Wärme T2 → PCM (flüssig/Schmelze)
  • Da der Wärmespeicher insbesondere zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie ausgelegt ist, gibt er die aufgenommene Wärmeenergie im Fall eines Absinkens der Temperatur unter die Schmelztemperatur beziehungsweise Lösungstemperatur, beispielsweise bei einem Absinken auf 30 °C, nicht einfach wieder ab, sondern er kann die Wärmeenergie auch weiter gespeichert halten, zum Beispiel bis – beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt – eine Auslösung, insbesondere durch die Auslöseeinrichtung, erfolgt.
  • Bei einem Phasenwechselmaterial mit einem fest-flüssig Phasenübergang kann dies insbesondere in Form einer unterkühlten und/oder übersättigten, rekristallisierbaren Schmelze und/oder Lösung realisiert werden. Dabei kann der Phasenübergang von flüssig nach fest, bei welchem die aufgenommene und gespeicherte Wärmeenergie wieder abgegeben wird, beispielsweise nur, im Fall einer impulsartigen Auslösung beziehungsweise Belastung, zum Beispiel durch eine impulsartige Einbringung von mechanischer Energie, stattfinden:
    PCM (flüssig/Schmelze) + Impuls → PCM (fest/kristallin) + Wärme T1
  • Durch die, insbesondere impulsartige, Auslösung können dabei Kristallisationskeime erzeugt und so das Verfestigen beziehungsweise Erstarren ausgelöst werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Auslöseeinrichtung einen mechanischer Schalter. Gegebenenfalls kann die mindestens eine Auslöseeinrichtung dabei ein mechanischer Schalter sein. Insbesondere kann dabei die Auslösung durch einen mechanischen Impuls erfolgen.
  • Beispielsweise kann dabei die mindestens eine Auslöseeinrichtung einen, insbesondere auslösbaren, spannbaren Stift umfassen oder sein. Zum Beispiel kann der Stift ein Bolzen sein, der durch eine Feder, beispielsweise eine Druckfeder, spannbar ist und mithilfe einer, beispielsweise mechanisch oder elektrisch lösbaren, Verriegelung, beispielsweise einer Schelle, in einer definierten Position haltbar ist. Der Stift, beispielsweise Bolzen, kann dabei in entspannter Stellung den mindestens einen Wärmespeicher, zum Beispiel einen dessen Speichermaterial, beispielsweise Phasenwechselmaterial, enthaltenden Behälter, berühren und insbesondere in gespannter Stellung beabstandet davon sein. Gespeicherte Wärmeenergie kann dabei durch Lösen der Verriegelung und insbesondere schlagartiges Berühren des mindestens einen Wärmespeichers, zum Beispiel des Behälters, durch den Stift/Bolzen, freisetzbar sein. So können vorteilhafterweise stärkere Impulse beziehungsweise Stöße zur Freisetzung von gespeicherter Wärmeenergie realisiert werden.
  • Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Auslöseeinrichtung einen piezoelektrischen Aktor. Gegebenenfalls kann die mindestens eine Auslöseeinrichtung dabei ein piezoelektrischer Aktor sein. Insbesondere kann dabei die Auslösung durch einen elektromechanischen Impuls erfolgen.
  • Zum Beispiel kann dabei der piezoelektrische Aktor an dem mindestens einen Wärmespeicher, beispielsweise einem dessen Speichermaterial, beispielsweise Phasenwechselmaterial, enthaltenden Behälter, angebracht sein. Zum Beispiel kann der piezoelektrische Aktor durch einen Klebeprozess angebracht sein. Gespeicherte Wärmeenergie kann dabei durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an den Aktor und beispielsweise durch In-Schwingung-Versetzen des mindestens einen Wärmespeichers, zum Beispiel des Behälters, freisetzbar sein. So können vorteilhafterweise schwächere Impulse beziehungsweise Stöße zur Freisetzung von gespeicherter Wärmeenergie auf besonders einfache Weise realisiert werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Auslöseeinrichtung ein Peltier-Element. Gegebenenfalls kann die mindestens eine Auslöseeinrichtung ein Peltier-Element sein. Insbesondere kann dabei die Auslösung durch einen Kälteimpuls erfolgen.
  • Zum Beispiel kann das Peltier-Element in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen Wärmespeicher beziehungsweise dem mindestens einen Phasenwechselmaterial stehen. Gespeicherte Wärmeenergie kann dabei durch zumindest partielles Kühlen des mindestens einen Wärmespeichers beziehungsweise von dessen Speichermaterial, beispielsweise Phasenwechselmaterials, insbesondere innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von Sekunden, auf eine niedrige Temperatur, beispielsweise –50 °C, insbesondere welche unterhalb des Temperaturspeicherfensters des Wärmespeichers beziehungsweise Phasenwechselmaterials, zum Beispiel von ≥ –10 °C bis ≤ 40 °C, liegt, freisetzbar sein.
  • Diverse Phasenwechselmaterialien mit unterschiedlichen Betriebspunkten können für diese Anwendung verwendet werden. Beispielsweise kann das mindestens eine Phasenwechselmaterial ausgewählt sein aus einer Gruppe spezieller Salz und/oder Paraffine.
  • Zum Beispiel kann das mindestens eine Phasenwechselmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Salze, insbesondere der Alkali- und/oder Erdalkalisalze, zum Beispiel Nitrate, der Carbonsäuren, der Carbonsäurederivate, insbesondere der Amide und/oder Carboxylate, insbesondere der Alkali- und/oder Erdalkalicarboxylate, der aromatischen Kohlenwasserstoffe, der Paraffine und Mischungen davon.
  • Beispielsweise kann das mindestens eine Phasenwechselmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Ba(OH)2 8H2O (Bariumoktahydrat), Acetamid, MgNO3 LiNO3 6H2O, NaOH H2O, Naphtalen, Stearinsäure, Palmitinsäure, Myristinsäure, Na2S2O3 5H2O, Mg(NO3)2 6H2O / MgCl2 H2O, (Na(CH3COO)3H2O) (Natriumacetat-Trihydrat) und Mischungen davon.
  • Gegebenenfalls kann der mindestens eine Wärmespeicher beziehungsweise das mindestens eine Phasenwechselmaterial einen Keimbildner, insbesondere in einer geringen Menge, enthalten. Gegebenenfalls kann so ein gleichmäßigeres Phasenwechselverhalten innerhalb des Materials erzielt werden.
  • Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist der mindestens eine Wärmespeicher ein thermochemischer Wärmespeicher.
  • Ein thermochemischer Wärmespeicher, welcher auch als chemischer Wärmespeicher bezeichnet werden kann, kann insbesondere die Enthalpie reversibler, chemischer Reaktionen, so zum Beispiel auf Chemisorption beruhende Absorptions- und Desorptionsprozesse, ausnutzen. Thermochemische Wärmespeicher können vorteilhafterweise noch höhere Energiedichte ermöglichen.
  • Insbesondere kann daher der mindestens eine Wärmespeicher dabei mindestens ein Sorptionsmaterial umfassen.
  • Unter einem Sorptionsmaterial kann dabei insbesondere ein Material verstanden werden, an dem ein Stoff, beispielsweise Wasserdampf, unter Freisetzung von Wärmeenergie adsorbiert und unter Aufwendung von Wärmeenergie wieder desorbiert werden kann.
  • Beispielsweise kann das mindestens eine Sorptionsmaterial Silicagel umfassen oder sein.
  • Die mindestens eine Auslöseeinrichtung kann dabei beispielsweise ein stellbares Ventil oder eine stellbare Klappe umfassen oder sein. Die Auslösung kann dabei durch Öffnen des Ventils beziehungsweise der Klappe und/oder Zuführung eines von dem mindestens einen Sorptionsmaterial adsorbierbaren Stoffes zu dem mindestens einen Sorptionsmaterial erfolgen.
  • Latente und thermochemische Wärmespeicher können vorteilhafterweise in einem, durch das eingesetzte Speichermaterial festgelegten, Temperaturbereich viel Wärmeenergie in relativ wenig Masse über lange Zeiträume und mit vielen Wiederholungszyklen verlustarm speichern.
  • Dadurch, dass der Wärmespeicher die gespeicherte Wärmeenergie erst bei einer Auslösung, insbesondere durch die Auslöseeinrichtung, – und insbesondere nicht ohne Auslösung, beispielsweise durch einfaches Unterschreiten einer Phasenwechseltemperatur – wieder frei geben kann, wird zudem vorteilhafterweise ermöglicht die Wärmeenergie zu einem späteren Zeitpunkt gezielt einzusetzen und wieder nutzbar zu machen.
  • Durch den Wärmespeicher kann dabei zum einen vorteilhafterweise von dem elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise der Lithium-Batteriezelle, dem Lithium-Batteriemodul und/oder dem Lithium-Batteriepack, insbesondere während dessen Betriebs, abgegebene Wärmeenergie aufgenommen und gespeichert werden.
  • Zum anderen kann durch den Wärmespeicher vorteilhafterweise auch Wärmeenergie aus der Umgebung aufgenommen und gespeichert werden. Dies kann insbesondere in heißen Klimaregionen und/oder im Sommer sehr vorteilhaft sein.
  • In beiden Fällen können dadurch vorteilhafterweise Überhitzungsprobleme des elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise der Lithium-Batteriezelle, des Lithium-Batteriemodul und/oder des Lithium-Batteriepack, verringert oder sogar vermieden und auf diese Weise die Lebensdauer und Sicherheit des Batteriesystems verbessert werden.
  • Darüber hinaus kann durch den Wärmespeicher vorteilhafterweise auch Wärmeenergie von, insbesondere anderen, Fahrzeugkomponenten, wie Motor und/oder Fahrgastzelle, aufgenommen und gespeichert werden. Dies ermöglicht, die aufgenommene Wärmeenergie für den elektrochemischen Energiespeicher und/oder die, insbesondere anderen, Fahrzeugkomponenten, zu nutzen. So können vorteilhafterweise das Batteriesystem und beispielsweise auch, insbesondere andere, Fahrzeugkomponenten von dem Wärmespeicher profitieren.
  • Dadurch, dass in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie gezielt freigesetzt werden kann, wird wiederum zum einen ermöglicht, dem elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise der Lithium-Batteriezelle, dem Lithium-Batteriemodul und/oder dem Lithium-Batteriepack, gezielt Wärmeenergie zu zuführen und diesen, beispielsweise bei beziehungsweise vor Betriebsbeginn, vor niedrigen Temperaturen zu schützen und insbesondere durch Aufwärmen in einen optimalen Betriebszustand zu bringen. Dies kann insbesondere in kälteren Klimaregionen und/oder im Winter und/oder nach längeren Standzeiten sehr vorteilhaft sein.
  • Darüber hinaus kann die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie auch gezielt dazu eingesetzt werden, insbesondere andere, Fahrzeugkomponenten, wie Motor und/oder Fahrgastzelle, zu erwärmen. So können vorteilhafterweise auch, insbesondere andere, Fahrzeugkomponenten, beispielsweise bei kälteren Temperaturen, von dem Wärmespeicher profitieren.
  • Vorteilhafterweise kann schon die Abwärme, welche der elektrochemische Energiespeicher, beispielsweise die Lithium-Batteriezelle, das Lithium-Batteriemodul und/oder das Lithium-Batteriepack, im Betrieb generiert ausreichend sein, um den Wärmspeicher zu regenerieren und insbesondere wieder mit Wärmeenergie aufzuladen. Ein Zuführen von zusätzlicher Energie ist daher nicht zwingend erforderlich.
  • Der mindestens eine Wärmespeicher kann somit vorteilhafterweise zur Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere der Lithium-Batteriezelle, des Lithium-Batteriemoduls und/oder des Lithium-Batteriepacks, und/oder, insbesondere zusätzlich, zur Temperierung von mindestens einer Fahrzeugkomponente eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann der mindestens eine Wärmespeicher des Batteriesystems dabei auch ein Wärmespeicher einer, insbesondere anderen, Fahrzeugkomponente sein.
  • Insgesamt wird so vorteilhafterweise ermöglicht, den elektrochemischen Energiespeicher sowie gegebenenfalls, insbesondere andere, Fahrzeugkomponenten effektiv in einem dafür optimalen Temperaturfenster zu betreiben. So können wiederum vorteilhafterweise die Funktionalität, der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers und damit des Batteriesystems sowie gegebenenfalls auch von, insbesondere anderen, Fahrzeugkomponenten erhöht und insbesondere Verlustleistungen vermindert und gegebenenfalls zusätzliche Temperiersysteme, wie Batteriethermomanagementsysteme, Heizelemente und Standheizungen, entlastet beziehungsweise unter Umständen sogar obsolet werden. Beispielsweise kann durch ein leistungsfähiges Thermomanagement eine für eine Lebensdauer von zehn Jahren hinreichende thermische Konditionierung des Batteriesystems realisiert werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batteriesystem weiterhin eine Temperaturmesseinrichtung. Dabei kann insbesondere die mindestens eine Auslöseeinrichtung beim Unterschreiten eines vorbestimmten, insbesondere durch die Temperaturmesseinrichtung gemessenen, Temperaturgrenzwertes aktivierbar sein. Bei einer Aktivierung kann die Auslöseeinrichtung insbesondere die Wärmeabgabe aus dem Wärmespeicher auslösen.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem. Das Verfahren kann beispielsweise den Verfahrensschritt: Messen der Temperatur des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers oder von dessen Umgebung, insbesondere durch eine Temperaturmesseinrichtung, umfassen. Weiterhin kann das Verfahren den Verfahrensschritt: Aktivieren mindestens einer Auslöseeinrichtung zur Auslösung einer Freigabe von in mindestens einem Wärmespeicher gespeicherter Wärmeenergie, beispielsweise wenn die, insbesondere durch die Temperaturmesseinrichtung, gemessene Temperatur einen vorbestimmten Temperaturgrenzwert unterschreitet, umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Wärmespeicher einen Wärmespeicherbehälter auf. Der Wärmespeicherbehälter kann insbesondere das Speichermedium des Wärmespeichers, beispielsweise das mindestens eine Phasenwechselmaterial beziehungsweise Sorptionsmaterial, enthalten.
  • Um das Potential des Wärmespeichers optimal auszunutzen und möglichst viel Wärmeenergie aufzunehmen, kann es insbesondere sinnvoll sein diesen so nah wie möglich an den mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere die Batteriezelle/n, heranzuführen.
  • Insbesondere kann daher der Wärmespeicherbehälter an einem oder mehreren elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Batteriezelle/n, anliegen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batteriesystem mindestens eine Schutzverpackung für den mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher. Die Schutzverpackung kann dabei insbesondere zum teilweisen oder vollständigen Verpacken des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers ausgelegt sein. Beispielsweise kann die mindestens eine Schutzverpackung in Form einer, insbesondere teilweisen oder vollständigen, Ummantelung und/oder Umwicklung des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers ausgebildet sein.
  • Dabei kann die mindestens eine Schutzverpackung zum Verpacken eines Batteriemoduls ausgelegt sein. Beispielsweise können dabei durch die mindestens eine Schutzverpackung mehrere, beispielweise alle, Batteriezellen eines Batteriemoduls beziehungsweise Stacks, insbesondere gemeinsam, verpackbar oder verpackt sein.
  • Die mindestens eine Schutzverpackung kann jedoch ebenso zum Verpacken einer, insbesondere einzelnen, Batteriezelle ausgelegt sein.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsformen umfasst beziehungsweise enthält die mindestens eine Schutzverpackung den mindestens einen Wärmespeicher. Dabei kann die Schutzverpackung gleichermaßen als Wärmespeicherbehälter dienen.
  • Beispielsweise kann das Batteriesystem mindestens eine Schutzverpackung umfassen, die mit dem mindestens einen Wärmespeicher gefüllt ist. Vorteilhafterweise kann dabei der mindestens eine Wärmespeicher auch als mechanischer Absorber, insbesondere Schockabsorber, und/oder Brandinhibitor und/oder Brandhemmer dienen. Beispielsweise kann dabei der mindestens eine Wärmespeicher als, insbesondere schockabsorbierendes, Gel ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die mindestens eine Schutzverpackung dabei noch zusätzlich einen mechanischen Absorber, insbesondere Schockabsorber, beispielsweise ein Gel und/oder einen aushärtenden beziehungsweise ausgehärteten, beispielsweise gasdurchlässigen/perforierten und/oder feuerfesten, Schaum, umfasst. So kann der elektrochemische Energiespeicher vorteilhafterweise gleichermaßen thermisch stabilisiert und vor mechanischen Beschädigungen, insbesondere der Separatormembran, beispielsweise im Fall eines Unfalls, und/oder vor einer Beschädigung durch Feuer geschützt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Batteriesystem mindestens eine Schutzverpackung umfassen, die mit einem mechanischen Absorber, insbesondere Schockabsorber, gefüllt oder daraus ausgebildet ist. Der mechanische Absorber kann dabei ebenfalls als Brandinhibitor und/oder Brandhemmer dienen.
  • Gegebenenfalls kann die mindestens eine Schutzverpackung eine teilweise oder vollständige Umspritzung, beispielsweise einer (einzelnen) Batteriezelle oder eines Batteriemoduls, mit einem aushärtenden beziehungsweise ausgehärteten, insbesondere gasdurchlässigen/perforierten und/oder feuerfesten, Schaum sein. Ein gasdurchlässiger beziehungsweise perforierter Schaums kann vorteilhafterweise eine Überduckausgasung zulassen. Durch einen feuerfesten Schaum kann vorteilhafterweise eine weitere Brandschutzfunktion vorgesehen werden.
  • Die mindestens eine Schutzverpackung kann jedoch auch eine, insbesondere teilweise oder vollständige, Ummantelung, beispielsweise für eine (einzelne) Batteriezelle oder ein Batteriemodul, sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung weist die mindestens eine Schutzverpackung eine innere und eine äußere (Verpackungs-)Lage, beispielsweise aus Kunststoff, auf und/oder ist die mindestens eine Schutzverpackung doppelwandig ausgestaltet. Dabei kann der mindestens eine Wärmespeicher und/oder der mindestens eine mechanische Absorber, zum Beispiel gelförmig, zwischen der inneren und der äußeren Lage beziehungsweise zwischen den Wandungen angeordnet sein. Beispielsweise kann die mindestens eine Schutzverpackung dabei als teilweise oder vollständige Umwicklung beziehungsweise Ummantelung ausgebildet sein.
  • Insbesondere kann die mindestens eine Schutzverpackung beziehungsweise der Wärmespeicherbehälter in Form einer Verkapselung, beispielsweise einer Mikroverkapselung (Englisch: „Micro-encapsulation“ beziehungsweise „Molecule-Encapsulation“), und/oder in Form einer Blasen aufweisenden Folie, zum Beispiel ähnlich einer Luftpolsterverpackungsfolie, ausgestaltet sein, insbesondere worin der mindestens eine Wärmespeicher verkapselt ist. So kann vorteilhafterweise die Oberfläche pro Volumen und damit die thermische Wärmeübertragung erhöht werden. Zudem kann so eine schockabsorbierende Wirkung erzielt werden.
  • Der Wärmespeicher und/oder der mechanische Absorber können dabei ebenfalls als Brandinhibitor und/oder Brandhemmer dienen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung ist die mindestens eine Schutzverpackung aus einem feuerfesten Kunststoff ausgebildet. So kann vorteilhafterweise eine weitere Brandschutzfunktion vorgesehen werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Schutzverpackung eine innere und eine äußere (Verpackungs-)Lage aus feuerfestem Kunststoff aufweisen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung umfasst der mindestens eine Wärmespeicher und/oder der mindestens eine mechanische Absorber ein brandinhibierendes, brandhemmendes und/oder brandlöschendes Mittel. So kann vorteilhafterweise eine weitere Brandschutzfunktion vorgesehen werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batteriesystem mindestens eine Anpressplatte und/oder mindestens ein Spannband für eine Pressverbindung von mehreren elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere Batteriezellen. Insbesondere kann dabei der mindestens eine Wärmespeicher an oder in der mindestens einen Anpressplatte und/oder dem mindestens einen Spannband angeordnet oder ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise Wärme über eine große Oberfläche aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden, was den Wärmetransport begünstigt. Auch ermöglicht dies vorteilhafterweise den Wärmespeicher groß auszuführen, so dass eine ausreichende Masse zur Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Beispielsweise kann an einer oder beiden Stirnseiten eines Batteriemoduls eine derartige Anpressplatte befestigbar oder befestigt sein. Die Anpressplatte/n kann insbesondere aus Aluminium oder Stahl ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Anpressplatte/n eine Materialstärke von ≤ 10 mm aufweisen. Damit stellt eine Anpressplatte vorteilhafterweise einen guten Wärmeleiter dar. Dies ermöglicht vorteilhafterweise den Wärmespeicher auch auf der von den Batteriezellen abgewandten Seite der Anpressplatte anzuordnen und insbesondere über die Anpressplatte thermisch zu laden beziehungsweise zu entladen.
  • Gegebenenfalls kann das Spannband selbst als Fläche zur Wärmeübertragung genutzt werden. Beispielsweise kann dies durch einen Sandwichverbund, beispielsweise mit einer äußeren Stahlhülle und/oder durch ein, einen kohlenstoffverstärkten Kunststoff (CFK) umfassendes Spannband, realisiert werden.
  • Gegebenenfalls kann der Wärmespeicher auch an den Seitenfläche beziehungsweise den herkömmlicherweise “freien“ Flächen der Batteriezellen eines Batteriemoduls befestigbar oder befestigt sein.
  • Das Batteriesystem kann insbesondere ein Thermomanagementsystem aufweisen. Das Thermomanagementsystem kann insbesondere ein Kreislaufsystem zur Temperierung mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst daher das Batteriesystem ein Batteriekreislaufsystem, insbesondere zur Temperierung von mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher. Beispielsweise kann das Batteriekreislaufsystem zur Temperierung von zwei oder mehr elektrochemischen Energiespeichern ausgelegt sein. Dabei kann das Batteriekreislaufsystem sowohl zur Erwärmung als auch zur Kühlung ausgelegt sein. Gegebenenfalls kann das Batteriekreislaufsystem daher auch als Kühlkreislauf bezeichnet werden.
  • Das Batteriekreislaufsystem kann beispielsweise einen Flüssigkeitskreislauf, zum Beispiel Wasserkreislauf oder Ölkreislauf, oder einen Gaskreislauf, beispielsweise Luftkreislauf, aufweisen. Das Medium des Batteriekreislaufsystems kann dabei ein Fluid, beispielsweise ein flüssiges Medium beziehungsweise eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder Öl oder ein Flüssigkeitsgemisch, oder ein gasförmiges Medium, zum Beispiel Luft, sein.
  • Insbesondere kann das Batteriekreislaufsystem für ein flüssiges Medium ausgelegt sein.
  • Es ist jedoch ebenso möglich Luft als Medium zu verwenden. Zum Beispiel kann das Batteriekreislaufsystem einen Luftkreislauf aufweisen beziehungsweise als Lufttemperierung beziehungsweise Luftkühlung ausgelegt ist. So kann vorteilhafterweise eine einfache und kostengünstige Temperierung für Batterien realisiert werden. Die Luft kann dabei – vorteilhafterweise durch geringen technischen Aufwand – zum Beispiel aus einer klimatisierbaren beziehungsweise klimatisierten Fahrgastzelle entnommen werden und stellt somit eine gute Alternative zu flüssigen Medien dar.
  • Insbesondere kann das Batteriekreislaufsystem mindestens eine Temperiereinrichtung zur Temperierung von mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher umfassen. Die Temperiereinrichtung kann dabei beispielsweise eine Temperierplatte (thermische Kontaktplatte), beispielsweise eine so genannte Kühlplatte, sein. Zum Beispiel kann die Temperiereinrichtung zur Temperierung eines Batteriemoduls aus mehreren Batteriezellen beziehungsweise einer Untereinheit (SubUnit) davon ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Batteriekreislaufsystem mindestens zwei derartige Temperiereinrichtungen umfassen. Dementsprechend kann das Batteriesystem beispielsweise mindestens zwei Batteriemodule, insbesondere jeweils aus mehreren Batteriezellen, umfassen. Die Temperiereinrichtung/en können dabei (jeweils) in thermischem Kontakt mit einem Batteriemodul, insbesondere aus mehreren Batteriezellen, stehen oder bringbar sein.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung ist der mindestens eine Wärmespeicher an das Batteriekreislaufsystem (thermisch) koppelbar oder gekoppelt und/oder anbindbar oder angebunden. Beispielsweise kann der mindestens eine Wärmespeicher in das Batteriesystem einbindbar beziehungsweise eingebunden sein. Beispielsweise können an das Batteriekreislaufsystem mindestens zwei Wärmespeicher (thermisch) koppelbar oder gekoppelt und/oder anbindbar oder angebunden, beispielsweise darin einbindbar oder eingebunden, sein.
  • Zum Beispiel kann dabei der mindestens eine Wärmespeicher, beispielsweise der das Speichermaterial des mindestens einen Wärmespeichers enthaltende Wärmespeicherbehälter, indirekt, beispielsweise über einen Wärmetauscher, mit dem Kreislauf des Batteriekreislaufs (thermisch) verbindbar oder verbunden beziehungsweise koppelbar oder gekoppelt sein.
  • Der mindestens eine Wärmespeicher, beispielsweise der das Speichermaterial des mindestens einen Wärmespeichers enthaltende Wärmespeicherbehälter, kann jedoch auch direkt mit dem Kreislauf des Batteriekreislaufsystems verbindbar oder verbunden, beispielsweise daran schließbar oder angeschlossen beziehungsweise darin einbindbar beziehungsweise eingebunden, sein.
  • Insbesondere kann der mindestens eine Wärmespeicher in dem Batteriekreislaufsystem der mindestens einen Temperiereinrichtung nachgeschaltet sein. Zum Beispiel kann der mindestens eine Wärmespeicher an einen Auslass (Outlet) der mindestens einen Temperiereinrichtung, beispielsweise Temperierplatte, angeschlossen sein. So kann der Wärmespeicher vorteilhafterweise von dem elektrochemischen Energiespeicher abgeführte Wärme aus einem aus der Temperiereinrichtung ausströmenden Medium aufnehmen. Insofern das Batteriesystem mindestens zwei Wärmespeicher umfasst, können diese jeweils einer Temperiereinrichtung nachgeschaltet beziehungsweise jeweils an einen Temperiereinrichtungsauslass anschließbar beziehungsweise angeschlossen sein.
  • Das Batteriekreislaufsystem kann gegebenenfalls mindestens zwei, beispielsweise parallele, Teilkreisläufe umfassen. Dabei kann in jeden Teilkreislauf mindestens ein Wärmespeicher eingebunden sein. Zum Beispiel kann in jeden Teilkreislauf mindestens ein Wärmespeicher und mindestens eine Temperiereinrichtung zur Temperierung mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers eingebunden sein. Dabei können die Wärmespeicher den Temperiereinrichtungen beispielsweise nachgeschaltet sein.
  • In das Batteriekreislaufsystem kann weiterhin ein Wärmeübertrager, welcher auch als Wärmetauscher bezeichnet werden kann, einbindbar oder eingebunden sein. Der Wärmeübertrager kann insbesondere zum Abführen von Wärmeenergie ausgelegt sein. Insofern nach dem Durchlaufen des mindestens einen Wärmespeichers noch ein Wärmeüberschuss vorhanden sein sollte, kann dieser vorteilhafterweise von dem Wärmeübertrager abgegeben werden. Der Wärmeübertrager kann dem beziehungsweise den Wärmespeichern beispielsweise nachgeschaltet sein.
  • Optional kann in das Batteriekreislaufsystem weiterhin ein Heizelement einbindbar oder eingebunden sein. Gegebenenfalls kann das Heizelement zur Abgabe von Wärmeenergie zuschaltbar sein beziehungsweise zugeschaltet werden. Optional kann dem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, zum Beispiel den Batteriezellen, daher von dem Heizelement abgegebene Wärmeenergie über das Medium des Kreislaufsystems, und zum Beispiel über die Temperiereinrichtung, beispielsweise Temperierplatte, zuführbar sein beziehungsweise zugeführt werden. Das Heizelement kann beispielsweise dem beziehungsweise den Wärmespeichern beispielsweise nachgeschaltet sein.
  • Gegebenenfalls kann das Batteriesystem beziehungsweise das Batteriekreislaufsystem eine Kältequelle aufweisen. Die Kältequelle kann dabei, insbesondere im Betrieb, in thermischem Kontakt mit dem mindestens einen Wärmespeicher stehen. Beispielsweise kann, insbesondere im Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers, die Kältequelle in thermischem Kontakt mit dem Wärmespeicherbehälter und/oder der Schutzverpackung stehen. Beispielsweise kann die Kältequelle ein Peltier-Element und/oder Kühlrippen und/oder ein beziehungsweise der Kühlkreislauf sein.
  • Vorzugsweise ist der mindestens eine Wärmespeicher, welcher beispielsweise ein einzelner großer Wärmespeicher oder eine Vielzahl von Wärmespeichern sein kann, in Summe so groß ausgelegt, dass kein zusätzliches Heizelement zum Erwärmen des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise der Zellen, benötigt wird.
  • Insbesondere kann der mindestens eine Wärmespeicher in Summe, dazu ausgelegt sein, so viel Wärmeenergie aufzunehmen, dass – zusätzlich zu dem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher – weitere Komponenten, insbesondere mindestens eine, insbesondere weitere, Fahrzeugkomponente mit der Wärmeenergie des mindestens einen Wärmespeichers, beispielsweise partiell oder komplett, versorgbar sein beziehungsweise versorgt werden kann. Beispielsweise kann eine Fahrzeugkomponente, zum Beispiel eine Fahrgastzelle und/oder ein Motor, mit Wärmeenergie des mindestens einen Wärmespeichers versorgbar sein oder versorgt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher der mindestens eine Wärmespeicher des Batteriesystems zusätzlich zur Temperierung, beispielsweise Erwärmung, von mindestens einer Fahrzeugkomponente, beispielsweise Kraftfahrzeugkomponente, zum Beispiel einer Fahrgastzelle und/oder eines Motors und/oder einer Standheizung, ausgelegt und/oder ist der mindestens eine Wärmespeicher ein Wärmespeicher einer Fahrzeugkomponente, zum Beispiel einer Fahrgastzelle, beispielsweise einer Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung, und/oder eines Motors und/oder einer Standheizung.
  • Insbesondere kann das Batteriekreislaufsystem an ein Fahrzeugkreislaufsystem zur Temperierung einer oder mehrere Fahrzeugkomponenten (thermisch) koppelbar oder gekoppelt und/oder anbindbar oder angebunden sein. Gegebenenfalls kann das Batteriekreislaufsystem in das Fahrzeugkreislaufsystem einbindbar oder eingebunden sein.
  • Das Fahrzeugkreislaufsystem kann beispielsweise einen Wärmeübertrager, welcher auch als Wärmetauscher bezeichnet werden kann, umfassen. Der Wärmeübertrager kann beispielsweise ein Wärmeübertrager einer Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung sein.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das Fahrzeugkreislaufsystem einen Temperierkreislauf, zum Beispiel Kühlwasserkreislauf, insbesondere eines Motors, zum Beispiel Verbrennungsmotors, umfassen.
  • Dabei können insbesondere der Wärmeübertrager, beispielsweise der Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung, und/oder der Temperierkreislauf, beispielsweise des Motors, in das Fahrzeugkreislaufsystem einbindbar oder eingebunden sein.
  • Der Temperierkreislauf, beispielsweise des Motors, kann dabei dem Wärmeübertrager, beispielsweise der Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung, vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein.
  • Beispielsweise kann der mindestens eine Wärmespeicher an das Fahrzeugkreislaufsystem direkt oder indirekt (thermisch) anbindbar beziehungsweise angebunden sein.
  • Beispielsweise kann die Anbindung des Batteriekreislaufsystems dabei direkt an das Fahrzeugkreislaufsystem zum Beispiel den Temperierkreislauf, beispielsweise Kühlwasserkreislauf, des Motors, erfolgen. Dabei kann der Temperierkreislauf des Motors beispielsweise über einen Wärmeübertrager (beziehungsweise Wärmetauscher) mit der Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung, verbunden oder verbindbar sein.
  • Die Anbindung des Batteriekreislaufsystems an das Fahrzeugkreislaufsystem kann jedoch auch indirekt, beispielsweise über einen Wärmetauscher beziehungsweise den mindestens einen Wärmespeicher erfolgen. Dabei kann der mindestens eine Wärmespeicher insbesondere auch als Wärmetauscher ausgelegt sein beziehungsweise dazu dienen. So kann das Batteriekreislaufsystem beispielsweise an das Fahrzeugkreislaufsystem koppelbar sein oder gekoppelt werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung ist das Batteriekreislaufsystem über (den) mindestens einen Wärmespeicher beziehungsweise mindestens zwei Wärmespeicher an das Fahrzeugkreislaufsystem (thermisch) koppelbar oder gekoppelt. Dabei können das Batteriekreislaufsystem und das Fahrzeugkreislaufsystem beispielsweise gegenläufig durch den beziehungsweise die Wärmespeicher geführt sein.
  • Gegebenenfalls kann auch ein spezieller Kreislauf hierfür vorgesehen sein, welcher eigenständig mit anbindbar oder angebunden oder wahlweise mit zuschaltbar oder zugeschaltet ist. So kann vorteilhafterweise eine Fahrzeug-Sonderausstattung (SA) bereitgestellt werden.
  • Durch eine Anbindung des mindestens einen Wärmespeichers an die Standheizung kann vorteilhafterweise die Fahrzeugbatterie entlastet werden.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann beispielsweise den Verfahrensschritt: Speichern von Wärmeenergie in dem mindestens einen Wärmespeicher, umfassen. Dabei kann in dem mindestens einen Wärmespeicher beispielsweise Wärmeenergie gespeichert werden, welche beim Betrieb des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise von einer oder mehreren Batteriezellen, entsteht. Die beim Betrieb des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers entstehende Wärme kann dabei beispielsweise durch die Temperiereinrichtung, zum Beispiel Temperierplatte, und/oder das Batteriekreislaufsystem, von dem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher abgeführt und dem mindestens einen Wärmespeicher zugeführt werden. Gegebenenfalls kann dabei in dem mindestens einen Wärmespeicher auch Wärmeenergie gespeichert werden, welche beim Betrieb einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten, beispielsweise eines Motors und/oder einer Fahrzeugklimaanlage, entsteht. Insofern beim Betrieb des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers (beziehungsweise der Fahrzeugkomponente/n) mehr Wärmeenergie entsteht als in dem mindestens einen Wärmespeicher gespeichert werden kann, so kann überschüssige Wärmeenergie gegebenenfalls über einen Wärmeübertrager, beispielsweise des Batteriekreislaufsystems, nach Außen abgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann beispielsweise weiterhin den Verfahrensschritt: Freisetzen von in dem mindestens einen Wärmespeicher gespeicherter Wärmeenergie, umfassen. Durch die aus dem mindestens einen Wärmespeicher freigesetzte Wärmeenergie kann beispielsweise der mindestens eine elektrochemische Energiespeicher, beispielsweise mittels der Temperiereinrichtung, beispielsweise Temperierplatte, und/oder insbesondere des Batteriekreislaufsystems, und/oder mindestens eine Fahrzeugkomponente, beispielsweise eine Fahrgastzelle beziehungsweise ein Wärmeübertrager, zum Beispiel einer Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung, und/oder ein Motor, zum Beispiel Verbrennungsmotor, beziehungsweise ein Temperierkreislauf, beispielsweise eines Motors, zum Beispiel Verbrennungsmotors, erwärmt werden. Dabei kann die aus dem mindestens einen Wärmespeicher freigesetzte Wärmeenergie durch die Temperiereinrichtung, beispielsweise Temperierplatte, und/oder insbesondere durch das Batteriekreislaufsystem von dem mindestens einen Wärmespeicher abgeführt und dem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher zugeführt werden. Beispielsweise insofern in dem mindestens einen Wärmespeicher mehr Wärmeenergie gespeichert beziehungsweise freisetzbar ist als zur Erwärmung des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers benötigt wird, kann überschüssige Wärmeenergie einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten, beispielsweise der Fahrgastzelle beziehungsweise der Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung, und/oder dem Motor beziehungsweise dem Temperierkreislauf, beispielsweise des Motors, zugeführt werden. Insbesondere kann dabei die Wärmeenergie (zunächst) dem Motor zugeführt werden. Die übrige Wärmeenergie kann dann der Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung zugeführt werden.
  • Zur Speicherung von Wärmeenergie in dem mindestens einen Wärmespeicher und zur Freisetzung von Wärmenergie aus dem mindestens einen Wärmespeicher kann vorteilhafterweise dasselbe Kreislaufsystem, beispielsweise das Batteriekreislaufsystem und/oder das Fahrzeugkreislaufsystem, genutzt werden. Dabei kann in dem mindestens einen Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie an das strömende Medium des Kreislaufsystems abgegeben werden beziehungsweise abgebbar sein. Das Medium kann dabei zum Beispiel wiederum die von dem mindestens einen Wärmespeicher abgegebene Wärmeenergie, beispielsweise über die Temperiereinrichtung, beispielsweise Temperierplatte, dem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, zum Beispiel den Batteriezellen, zuführen. Beispielsweise kann dem mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, zum Beispiel den Batteriezellen, dabei von dem mindestens einen Wärmespeicher abgegebene Wärmeenergie über das Medium des Kreislaufsystems, und zum Beispiel über eine Temperiereinrichtung, beispielsweise Temperierplatte, zugeführt werden beziehungsweise zuführbar sein.
  • Im Fall von niedrigen Außentemperaturen, insbesondere unterhalb eines optimalen Betriebstemperaturfensters beziehungsweise unterhalb einer kritischen Temperaturuntergrenze, und insbesondere beim Kaltstart, beispielsweise nach längeren Standzeiten, zum Beispiel wenn ein Kraftfahrzeug längere Zeit ungenutzt war, können herkömmlicherweise das Batteriesystem und/oder eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten, beispielsweise der Motor, unter Umständen auf Temperaturen unterhalb des dafür optimalen Betriebstemperaturfensters und/oder sogar unterhalb der dafür kritischen Temperaturuntergrenze, abkühlen. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem kann jedoch in diesen Fällen vorteilhafterweise in dem mindestens einen Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt und damit das Batteriesystem, insbesondere der mindestens eine elektrochemische Energiespeicher, beispielsweise die Batteriezellen, und/oder sonstige Batteriekomponenten, und/oder eine oder mehrere, insbesondere andere, Fahrzeugkomponenten, beispielsweise der Motor und/oder die Fahrgastzelle, erwärmt werden. Gegebenenfalls kann dabei die aus dem mindestens einen Wärmespeicher freigesetzte Wärmeenergie einem fahrzeugeigenen Wärmetauscher zugeführt werden.
  • Bei einem Elektrofahrzeug kann der mindestens eine Wärmespeicher insbesondere zur Temperierung, beispielsweise zur Beheizung, der Fahrgastzelle, ausgelegt sein. So kann vorteilhafterweise die Batterieleistung, zum Beispiel bei einem Kaltstart, geschont werden. Dabei kann der mindestens eine Wärmespeicher insbesondere an einen (fahrzeugeigenen) Wärmetauscher, insbesondere einer Fahrgastzellentemperiereinrichtung, beispielsweise Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung, koppelbar oder gekoppelt beziehungsweise anschließbar oder angeschlossen sein. Dabei kann beispielsweise ein kalter Luftstrom, welcher – beispielsweise über das Fahrzeug- aus der Umgebung ansaugbar ist beziehungsweise angesaugt wird, durch den an den mindestens einen Wärmespeicher koppelbaren oder gekoppelten beziehungsweise anschließbaren oder angeschlossenen Wärmetauscher erhitzbar sein oder erhitzt werden und insbesondere als warmer Luftstrom der Fahrgastzelle zuführbar sein beziehungsweise zugeführt werden.
  • Bei einem Hybridfahrzeug kann der mindestens eine Wärmespeicher insbesondere zur Temperierung, beispielsweise zur Erwärmung, des Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, und/oder zur Temperierung, beispielsweise zur Beheizung, der Fahrgastzelle, und/oder zur Unterstützung einer Standheizung und/oder als Standheizung ausgelegt sein. Beispielsweise kann der mindestens eine Wärmespeicher an einen (fahrzeugeigenen) Wärmetauscher, insbesondere einer Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung, und/oder an den Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, und/oder eine Standheizung anbindbar oder angebunden sein, beispielsweise um diese/n zu erwärmen. Zum Beispiel kann der mindestens eine Wärmespeicher des Batteriesystems an einen (fahrzeugeigenen) Wärmetauscher, insbesondere einer Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung und/oder Standheizung, und an den Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, anbindbar oder angebunden sein. Hierbei kann der Motor beispielsweise vor dem Wärmetauscher oder nach dem Wärmetauscher angesteuert werden beziehungsweise sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Auslöseeinrichtung durch eine, insbesondere programmierbare, Zeitschaltuhr und/oder eine technische Applikation, zum Beispiel durch ein Mobilgerät, beispielsweise ein Mobiltelefon und/oder ein Smartphone und/oder einen Tablet-Computer und/oder eine Fernbedienung und/oder einen Schalter aktivierbar. Insbesondere kann hierdurch die mindestens eine Auslöseeinrichtung nur in vorbestimmten Zuständen des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers und/oder in vorbestimmten Batteriezuständen, beispielsweise insofern die Temperatur des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers unterhalb dessen Betriebstemperatur liegt, und/oder in vorbestimmten Fahrzeugzuständen, aktivierbar sein. Beispielsweise kann eine Aktivierung des mindestens einen Wärmespeichers während unerwünschter Fahrzeugzustände, zum Beispiel während längerer Fahrzeiten, ausgeschlossen sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriesystems und des erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung und den Figuren verwiesen.
  • Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem vollständig von einem Wärmespeicher umgebenen Batteriemodul;
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einer, in einer Wärmespeicher gefüllten Schutzverpackung verpackten Batteriezelle;
  • 3 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem, in einer Wärmespeicher gefüllten, zweilagigen Schutzverpackung verpackten Batteriemodul;
  • 4 eine schematische, perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem Batteriemodul mit einer Anpressplatte, einem Spannband sowie einem daran angeordneten Wärmespeicher;
  • 5a ein Schema zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems während einer Speicherung von Wärmeenergie im Wärmespeicher, wobei das Batteriesystem ein Batteriekreislaufsystem aufweist, welches von einem Kreislaufprozess einer Fahrzeugkomponente getrennt ist;
  • 5b ein Schema zur Veranschaulichung des in 5a gezeigten Batteriesystems während einer Freisetzung von Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher;
  • 6 ein Schema zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem Wärmeübertrager während einer Speicherung von Wärmeenergie im Wärmespeicher;
  • 7 ein Schema zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem Heizelement während einer Freisetzung von Wärmeenergie im Wärmespeicher;
  • 8 ein Schema zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems während einer Freisetzung von Wärmeenergie aus einem Wärmespeicher, wobei das Batteriesystem ein Batteriekreislaufsystem aufweist, das in ein Fahrzeugkreislaufsystem eingebunden ist;
  • 9 ein Schema zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems während einer Freisetzung von Wärmeenergie aus einem Wärmespeicher, wobei das Batteriesystem ein Batteriekreislaufsystem aufweist, welches über Wärmespeicher mit einem Fahrzeugkreislaufsystem mit einem Wärmeübertrager gekoppelt ist; und
  • 10 ein Schema zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems während einer Freisetzung von Wärmeenergie aus einem Wärmespeicher, wobei das Batteriesystem ein Batteriekreislaufsystem aufweist, welches über Wärmespeicher mit einem Fahrzeugkreislaufsystem gekoppelt ist, in welches ein Motor und ein Wärmeübertrager eingebunden sind.
  • 1 zeigt ein Batteriesystem, welches ein Batteriemodul 11 aus mehreren Batteriezellen 10 sowie einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher 20 umfasst. Der Wärmespeicher 20 ist dabei zur Speicherung von Wärmeenergie und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie ausgelegt.
  • 1 veranschaulicht, dass der Wärmespeicher 20 mit einer Auslöseeinrichtung 30 zur Auslösung einer Freigabe von in dem Wärmespeicher 20 gespeicherter Wärmeenergie ausgestattet ist. Die Auslöseeinrichtung 30 kann beispielsweise ein mechanischer Schalter, zum Beispiel ein aulösbar gespannter Stift, oder ein piezoelektrischer Aktor oder ein Peltier-Element sein.
  • 1 zeigt weiterhin, dass der Wärmespeicher 20 ein Speichermaterial 21 umfasst. Das Speichermaterial 21 kann beispielsweise ein Phasenwechselmaterial 21 mit einem fest-flüssig Phasenübergang sein, welches bei einem fest-flüssig Phasenübergang Wärmeenergie, insbesondere in Form von Schmelzwärme, aufnehmen und nach einem Absinken der Temperatur auf eine Temperatur, welche beispielsweise unter die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials 21, jedoch innerhalb eines für das Phasenwechselmaterial 21 charakteristischen Temperaturspeicherfensters liegt, zum Beispiel in Form einer unterkühlten Schmelze, weiter gespeichert halten kann. Durch die Auslöseeinrichtung 30 kann dabei beispielsweise eine die gespeicherte Wärmeenergie freisetzende Kristallisation der unterkühlten Schmelze des Phasenmaterials 21 ausgelöst werden. Beispielsweise kann dies durch einen mechanischen Impuls oder einen Kälteimpuls, zum Beispiel auf eine Temperatur unterhalb des Temperaturspeicherfensters des Phasenwechselmaterials 21, ausgelöst werden. Alternativ dazu kann das Speichermaterial jedoch auch ein thermochemisches Speichermaterial, beispielsweise ein Sorptionsmaterial, sein.
  • Darüber hinaus zeigt 1, dass die Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 11 vollständig von dem Speichermaterial 21 des Wärmespeichers 20 umgeben, beispielsweise umspritzt, sind.
  • 2 zeigt ein Batteriesystem, welches eine einzelne Batteriezelle 10, einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher 20 und eine Auslöseeinrichtung 30 dafür umfasst. 2 veranschaulicht, dass die Batteriezelle 10 einzeln in einer Schutzverpackung 22 verpackt ist. Die Schutzverpackung 22 ist mit dem Speichermaterial 21 des Wärmespeichers 20 gefüllt, welches die einzelne Batteriezelle 10 vollständig umschließt. Dadurch dient die Schutzverpackung 22 auch als Wärmespeicherbehälter.
  • 3 zeigt ein Batteriesystem, welches ein Batteriemodul 11 aus mehreren Batteriezellen 10, einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher 20 und eine Auslöseeinrichtung 30 hierfür umfasst. Dabei sind die Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 11 gemeinsam in einer Schutzverpackung 22a, 22b verpackt, welche mit dem Speichermaterial 21 des Wärmespeichers 20 gefüllt ist und als Wärmespeicherbehälter dient. Im Rahmen der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Batteriemodul 11 jedoch nur teilweise mit der Schutzverpackung umschlossen, beispielsweise umwickelt beziehungsweise ummantelt. Zudem ist die Schutzverpackung 22a, 22b doppelwandig beziehungsweise zweilagig ausgestaltet und weist eine innere 22a und eine äußere 22b Kunststofflage auf, zwischen denen 22a, 22b der Wärmespeicher 20 beziehungsweise dessen Speichermaterial 21 angeordnet ist.
  • Im Rahmen der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen kann der Wärmespeicher 20 vorteilhafterweise auch als mechanischer Absorber, beispielsweise Schockabsorber, dienen und die Batteriezellen 10 vor mechanischen Einwirkungen von Außen schützen. Zudem kann der Wärmespeicher 20 dabei gegebenenfalls als Brandinhibitor und/oder Brandhemmer dienen.
  • Die Schutzverpackung 22; 22a, 22b kann gegebenenfalls aus einem feuerfesten Kunststoff ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Wärmespeicher 20, insbesondere das Speichermaterial 21, ein brandinhibierendes, brandhemmendes und/oder brandlöschendes Mittel umfassen.
  • 4 zeigt ein Batteriesystem, welches ein Batteriemodul 11 aus mehreren Batteriezellen 10 umfasst. 4 veranschaulicht, dass die Batteriezellen 10 dabei einen Stapel bilden, wobei an einer beziehungsweise beiden Stirnseiten des Stapels (Stacks) beziehungsweise an der äußeren Hauptfläche der äußersten Batteriezelle/n 10 eine Anpressplatte 13 anliegt und die stapelförmige Anordnung mit einem Spannband 14 verspannt ist. Es hat sich gezeigt, dass Batteriezellen 10 eine längere Lebensdauer aufweisen können, wenn diese während des Betriebs verpresst sind. Das Spannband 14 kann beispielsweise ein Metallspannband sein. Die Anpressplatte/n 13 können beispielsweise aus Stahl oder Aluminium ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise eine gute Kraftübertragung auf das gesamte Modul 11 realisiert werden.
  • 4 veranschaulicht, dass auf der von den Batteriezellen 10 abgewandten Seite der Anpressplatte/n 13 ein latenter und/oder thermochemischer Wärmespeicher 20 angebracht ist. Die Anpressplatte/n 13 können insbesondere aus einem metallischen Material ausgebildet sein und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. So kann Wärmeenergie gut über die Anpressplatte/n 13 zwischen dem Batteriemodul 11 und dem Wärmespeicher 20 ausgetauscht werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Wärmespeicher 20 auch an den freien Flächen der Batteriezellen 10 anliegen (nicht dargestellt). Auf diese Weisen kann der Wärmespeicher 20 sehr nah an die Batteriezellen 10 herangeführt werden und das Potential des Wärmespeichers 20 optimal genutzt werden.
  • Die 5a bis 10 zeigen schematische Abläufe bei der Wärmeübertragung latenter und/oder thermochemischer Wärmespeicher 20, die in ein Batteriekreislaufsystem, beispielsweise einen Kühlwasserkreislauf, zur Temperierung eines Batteriesystems, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, eingebunden sind.
  • Im Rahmen der in den 8 bis 10 gezeigten Ausführungsformen sind die latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher 20 zusätzlich zu dem Batteriekreislaufsystem an ein Fahrzeugkreislaufsystem 40 zur Temperierung, beispielsweise Beheizung, einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten 41, 42 angebunden beziehungsweise gekoppelt. Beispielsweise kann dabei das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug und die Fahrzeugkomponente/n 41, 42 Kraftfahrzeugkomponenten (Kfz-Komponenten) und das Fahrzeugkreislaufsystem 40 ein Kraftfahrzeugkreislaufsystem (Kfz-Kreislaufsystem) beziehungsweise ein Kraftfahrzeugkomponentenkreislaufsystem (Kfz-Komponentenkreislaufsystem) sein.
  • Insbesondere zeigen die 5a bis 10 schematisch weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Batteriesystemen in Form von Batteriepacks 12. Dabei umfassen die Batteriesysteme 12 jeweils mindestens zwei Batteriemodule 11 (Zell-Modul) aus mehreren Batteriezellen 10. Die Batteriezellen 10 können dabei Terminals 15 aufweisen. Des Weiteren umfassen die Batteriesysteme 12 jeweils mindestens zwei latente und/oder thermochemische, jeweils mit einer Auslöseeinrichtung ausgestattete Wärmespeicher 20, 30. Dabei stehen die Batteriemodule 11 jeweils in thermischem Kontakt mit einer Temperierplatte 16 (thermische Kontaktplatte). Die Wärmespeicher 20, 30 und die Temperierplatten 16 sind dabei in ein Batteriekreislaufsystem 2, 3 eingebunden. Dabei sind die Wärmespeicher 20 jeweils den Temperierplatten 16 nachgeschaltet. Zum Beispiel können die Wärmespeicher 20 jeweils an einen Auslass (Outlet) einer Temperierplatte 16 angeschlossen sein.
  • Die Wärmespeicher 20 können beispielsweise von den Batteriezellen 10 abgeführte Wärmeenergie 1 von einem aus der Temperierplatte 16 ausströmenden Medium beziehungsweise Fluid aufnehmen (Wärmeaufnahme) und/oder darin gespeicherte Wärmeenergie 1 an das strömende Medium beziehungsweise Fluid abgeben (Wärmeangabe), welches diese 1 wiederum über die Temperierplatte 16 den Batteriezellen 10 zuführen kann.
  • Die 5a bis 10 zeigen, dass den Batteriemodulen 11 sowie deren Temperierplatten 16 und Wärmespeicher 20 jeweils einem Teilkreislauf des Batteriekreislaufsystems 2, 3 zugeordnet sein kann. Die Teilkreisläufe können dabei über eine gemeinsame Leitung verbunden sein, welche sich beispielsweise vor den Temperierplatten 16 in die jeweiligen Teilkreisläufe teilen kann, wobei die Teilkreisläufe nach dem Durchlaufen der Wärmetauscher 20, 30 wieder zu der gemeinsamen Leitung zusammengeführt sein können. Die in das Batteriekreislaufsystem 2, 3 eingezeichneten Pfeile zeigen dabei Fluidströme eines durch das Batteriekreislaufsystem 2, 3 beziehungsweise dessen Teilkreisläufe geführten Mediums 2, 3 an.
  • Die 5a und 5b deuten an, dass das Batteriekreislaufsystem 2, 3 ein eigenständiges Kreislaufsystem sein kann. Beispielsweise kann das Batteriekreislaufsystem unabhängig beziehungsweise getrennt von einem anderen Kreislaufsystem, zum Beispiel Fahrzeugkreislaufsystem 40, beispielsweise einer Fahrzeugkomponente, zum Beispiel einer Kraftfahrzeugkomponente, sein.
  • Im Rahmen von 5a wird das Batteriesystem 12 während einer Speicherung von Wärmeenergie in den Wärmespeichern 20, 30 gezeigt, wohingegen 5b das Batteriesystem 12 während einer Freisetzung von Wärmeenergie aus den Wärmespeichern 20, 30 zeigt.
  • 5a veranschaulicht, dass beim Betrieb der Batteriezellen 10 beziehungsweise Batteriemodule 11 Wärmeströme 1 von den Batteriezellen 10 beziehungsweise Batteriemodulen 11 in die Temperierplatten 16 fließen können. In den Temperierplatten 16 kann die Wärmeenergie an das durch das Kreislaufsystem 2, 3 fließende Medium 2, 3 übertragen und das Medium erwärmt 3 werden. Das nach dem Durchfließen der Temperierplatten 16 erwärmte Medium 3 (warmes Medium) gibt die Wärmeenergie 1 in den Wärmespeichern 20, 30 wieder ab, wobei Wärmeströme 1 von dem erwärmten Medium 3 in die Wärmespeicher 20, 30 fließen und das Medium erkaltet 2. Das erkaltete Medium 2 (kaltes Medium) wird dann aus den Teilkreisläufen in der gemeinsamen Leitung zusammengeführt und vor dem erneuten Durchlaufen der Temperierplatten 16 wieder in die Teilkreisläufe überführt.
  • 5b veranschaulicht, dass die in den Wärmespeichern 20, 30 gespeicherte Wärmeenergie 1 zum Erwärmen der Batteriemodule 11 beziehungsweise Batteriezellen 10 des Batteriesystems 12 genutzt werden kann. Dies kann beispielsweise bei einem Kaltstart, insbesondere in einer kalten Klimazone und/oder im Winter, besonders vorteilhaft sein, beispielsweise um die Batteriezellen 10 des Batteriesystems 12 auf eine für deren Betrieb optimale Temperatur aufzuwärmen. Die Wärmespeicher 20, 30 können durch die Auslöseeinrichtung 30 (nicht als solche dargestellt) zur Freisetzung der darin 20, 30 gespeicherten Wärmeenergie ausgelöst werden. 5b illustriert, dass dabei Wärmeströme 1 von den Wärmespeichern 20, 30 in das durch das Batteriekreislaufsystem 2, 3 geleitete Medium 2, 3 fließen und dabei das Medium erwärmen 3 können. Das erwärmte Medium 3 kann dann aus den Teilkreisläufen in der gemeinsamen Leitung zusammengeführt und vor dem Durchlaufen der Temperierplatten 16 wieder in die Teilkreisläufe überführt werden. In den Temperierplatten 16 kann die Wärmeenergie von dem erwärmten Medium 3 an die Batteriezellen 10 übertragen werden, wobei sich das Medium abkühlen 2 kann. Das nach dem Durchfließen der Temperierplatten 16 erkaltete Medium 2 kann dann in den Wärmespeichern 20, 30 Wärmeenergie 1 wieder aufnehmen und erneut erwärmt 3 werden, so dass den Temperierplatten 16 wieder erwärmtes Medium 3 zugeführt werden kann.
  • Die in den 6 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsform, dass das Batteriekreislaufsystem 2, 3, 3a weiterhin einen Wärmeübertrager 17 umfasst. Der Wärmeübertrager 17 ist dabei den Wärmespeichern 20, 30 in dem Batteriekreislaufsystem 2, 3, 3a nachgeschaltet.
  • 6 veranschaulicht, dass beim Betrieb der Batteriezellen 10 beziehungsweise Batteriemodule 11 Wärmeströme 1 von den Batteriezellen 10 beziehungsweise Batteriemodulen 11 in die Temperierplatten 16 fließen können. In den Temperierplatten 16 kann die Wärmeenergie an das durch das Batteriekreislaufsystem 2, 3, 3a fließende Medium 2, 3, 3a übertragen und das Medium erwärmt 3 werden. Das nach dem Durchfließen der Temperierplatten 16 erwärmte Medium 3 kann die Wärmeenergie 1 in den Wärmespeichern 20, 30 wieder abgeben, wobei Wärmeströme 1 von dem erwärmten Medium 3 in die Wärmespeicher 20, 30 fließen können und sich die Temperatur des Medium verringern 3a kann. Das nur noch leicht erwärmte Medium 3a kann dann aus den Teilkreisläufen in dem Wärmeübertrager 17 zusammengeführt werden, wobei durch den Wärmeübertrager 17 Wärmeströme 1 nach Außen abgeführt werden können und sich das Medium abkühlen 2 kann. Das erkaltete Medium 2 kann dann über die gemeinsame Leitung wieder in die Teilkreisläufe überführt werden, so dass es in den Temperierplatten 16 erneut Wärmeenergie 1 von den Batteriezellen 10 aufnehmen und sich erneut erwärmen 3 kann. Alternativ dazu kann der Wärmeübertrager 17 auch in der gemeinsamen Leitung des Batteriekreislaufsystems 2, 3, 3a angeordnet sein.
  • Die in den 7 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von den in den 5a und 5b sowie 6 gezeigten Ausführungsformen, dass das Batteriesystemkreislaufsystem 2, 3, 3a weiterhin ein (optionales) Heizelement 18 aufweist. Das Heizelement 18 ist dabei den Wärmespeichern 20, 30 in dem Batteriekreislaufsystem 2, 3, 3a nachgeschaltet. Das Heizelement 18 ist dabei in der gemeinsamen Leitung angeordnet. Alternativ dazu können die beiden Teilkreisläuse auch – analog zu der in 6 gezeigten Ausführungsform – in dem Heizelement 18 zusammengeführt werden.
  • 7 veranschaulicht, dass Wärmeströme 1 von den Wärmespeichern 20, 30 in das durch das Batteriekreislaufsystem 2, 3, 3a geleitete Medium 2, 3 fließen und dabei das Medium leicht erwärmen 3a können. Das leicht erwärmte Medium 3a kann dann aus den Teilkreisläufen in der gemeinsamen Leitung zusammengeführt und durch das Heizelement 18 weiter erwärmt 3 werden. Das erwärmte Medium 3 kann dann über die Teilkreisläufe den Temperierplatten 16 zugeführt werden. In den Temperierplatten 16 kann die Wärmeenergie von dem erwärmten Medium 3 an die Batteriezellen 10 übertragen werden, wobei sich das Medium abkühlen 2 kann. Das nach dem Durchfließen der Temperierplatten 16 erkaltete Medium 2 kann dann in den Wärmespeichern 20, 30 wieder Wärmeenergie 1 aufnehmen und erneut leicht erwärmt 3a werden.
  • Die in den 8 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsform, dass das Batteriekreislaufsystem 2, 3 in ein Fahrzeugkreislaufsystem 40 einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten eingebunden ist. Dabei ist es sowohl möglich, dass die Wärmespeicher 20, 30 des Batteriesystems 12 auch von einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten als auch dass Wärmespeicher des Fahrzeugkreislaufsystems 40 von dem Batteriesystem 12 genutzt werden. Auf diese Weise kann in den Wärmespeichern 20, 30 gespeicherte Wärmeenergie 1 auch zum Erwärmen der Fahrzeugkomponenten genutzt werden. Zudem kann so auch Wärmeenergie der Fahrzeugkomponenten dazu genutzt werden, die Wärmespeicher 20, 30 wieder thermisch aufzuladen.
  • Die in den 9 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsform, dass das Batteriekreislaufsystem 2, 3 über die Wärmespeicher 20, 30 mit einem Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’ einer Fahrzeugkomponente 41, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs, zum Beispiel eines reinen E-Fahrzeugs, gekoppelt ist. Gegebenenfalls kann das Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’ auch in den Batteriekreislauf 2, 3 eingebunden sein. Die Fahrzeugkomponente 41 kann dabei zum Beispiel eine Klimaanlage beziehungsweise eine Heizung für die Fahrgastzelle (Fahrgastraum/Fahrzeugkabine) des Fahrzeugs sein und einen Wärmeübertrager 41 (beziehungsweise Wärmetauscher) aufweisen. So kann vorteilhafterweise überschüssige Wärmeenergie der Wärmespeicher 20, 30 an den (fahrzeugeigenen) Wärmeübertrager 41 abgegeben und genutzt werden, beispielsweise um die Fahrgastzelle zu beheizen. Auch ermöglicht dies Wärmeenergie der Batteriezellen 10 über die Temperierplatte 16 an den Wärmeübertrager 41 und dadurch an die Fahrgastzelle beziehungsweise die Umgebung abzugeben.
  • 9 illustriert, dass das Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’ zwei Teilkreisläufe aufweist, welche jeweils mit einem Wärmespeicher 20, 30 des Batteriesystems 12 thermisch gekoppelt sind. Dabei können die Kreisläufe 2, 3; 40, 2’, 3’ des Batteriesystems 12 und des Fahrzeugs beispielsweise gegenläufig durch die Wärmespeicher 20, 30 geführt sein.
  • 9 veranschaulicht, dass die Wärmespeicher 20, 30 – zusätzlich zu der im Rahmen von 5b erläuterten Wärmeübertragung auf das Medium 2, 3 des Batteriekreislaufsystems 2, 3 – auch Wärmeenergie auf ein Medium 2’, 3’ des Fahrzeugkreislaufsystems 40, 2’, 3’ übertragen können. Dabei können auch Wärmeströme 1 von den Wärmespeichern 20, 30 in das durch das Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’ geleitete Medium 2’, 3’ fließen und dabei das Medium erwärmen 3’. Das erwärmte Medium 3’ kann dann aus den Teilkreisläufen des Fahrzeugkreislaufsystems 40, 2’, 3’ über eine gemeinsamen Leitung zusammengeführt und in den Wärmeübertrager 41 geleitet werden. In dem Wärmeübertrager 41 kann dann ein Wärmestrom 1 von dem erwärmten Medium 3’ auf einen kälteren Luftstrom 4, beispielsweise aus der Umgebung, übertragen werden, wobei der Luftstrom 4 erwärmt 5 und das Medium abgekühlt 2’ werden kann. Der erwärmte Luftstrom 4 kann dann beispielsweise an die Fahrgastzelle abgegeben werden. Nach dem Durchlaufen des Wärmeübertragers 41 kann das erkaltete Medium 2’ dann wieder in die Teilkreisläufe des Fahrzeugkühlsystems 40, 2’, 3’ überführt werden, so dass das erkaltete Medium 2’ erneut in den Wärmespeichern 20, 30 des Batteriesystems 12 erwärmt werden kann.
  • Die in 10 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 9 gezeigten Ausführungsform, dass in das Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’, 3a’, beispielsweise im Fall eines Hybrid-Fahrzeugs, mehrere Kraftfahrzeugkomponenten 41, 42 eingebunden sind. Beispielsweise kann in das Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’, 3a’ – zusätzlich zu einem Wärmeübertrager 41, beispielsweise einer Fahrzeugklimaanlage und/oder Fahrgastzellenheizung, – eine weitere Kraftfahrzeugkomponente 42, zum Beispiel ein Motor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, eingebunden sein. Die weitere Kraftfahrzeugkomponente 42, insbesondere der Motor, kann dabei dem Wärmeübertrager 41 vorgeschaltet oder gegebenenfalls auch nachgeschaltet (nicht dargestellt) sein. Beispielsweise kann die weitere Kraftfahrzeugkomponente 42, insbesondere der Motor 42, in der gemeinsamen Leitung der Teilkreisläufe des Fahrzeugkreislaufsystems 40, 2’, 3’, 3a’ angeordnet sein. So kann vorteilhafterweise überschüssige Wärmeenergie der Wärmespeicher 20, 30, insbesondere zunächst, genutzt werden, um den Motor, beispielsweise Verbrennungsmotor, 42 zu erwärmen und einen schädlichen Kaltstart zu verhindern. Insbesondere anschließend, kann die übrige Wärmeenergie an den (fahrzeugeigenen) Wärmeübertrager 41 abgegeben und genutzt werden, beispielsweise um die Fahrgastzelle zu beheizen.
  • 10 veranschaulicht, dass Wärmeströme 1 von den Wärmespeichern 20, 30 des Batteriesystems 20, 30 in das durch das Fahrzeugkreislaufsystem 40, 2’, 3’, 3a’ geleitete Medium 2’, 3’ fließen und dabei das Medium erwärmen 3’ können. Das erwärmte Medium 3’ kann dann aus den Teilkreisläufen des Fahrzeugkreislaufsystems 40, 2’, 3’, 3a’ in einer gemeinsamen Leitung zusammengeführt und mit dem Motor 42, beispielsweise über dessen Kühlwasserkreislauf, thermisch gekoppelt werden. Dabei können Wärmeströme 1 in den Motor 42 fließen und diesen 42 erwärmen, wobei sich die Temperatur des Mediums verringern 3a’ kann. Das nur noch leicht erwärmte Medium 3a’ kann dann in den Wärmeübertrager 41 geleitet werden. In dem Wärmeübertrager
  • 41 kann dann ein Wärmestrom 1 von dem leicht erwärmten Medium 3a’ auf einen kälteren Luftstrom 4, beispielsweise aus der Umgebung, übertragen werden, wobei der Luftstrom 4 erwärmt 5 und das Medium abgekühlt 2’ werden kann. Der erwärmte Luftstrom 4 kann dann beispielsweise an die Fahrgastzelle abgegeben werden. Nach dem Durchlaufen des Wärmeübertragers 41 kann das erkaltete Medium 2’ dann wieder in die Teilkreisläufe des Fahrzeugkreislaufsystems 40, 2’, 3’, 3a’ überführt werden, so dass das erkaltete Medium 2’ erneut in den Wärmespeichern 20, 30 des Batteriesystems 12 erwärmt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007045164 A1 [0008]
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Claims (15)

  1. Batteriesystem, insbesondere Lithium-Batteriesystem, umfassend – mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (10, 11, 12), insbesondere eine Lithium-Batteriezelle, ein Lithium-Batteriemodul und/oder ein Lithium-Batteriepack, – mindestens einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher (20) zur Speicherung von Wärmeenergie und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmeenergie, und – mindestens eine Auslöseeinrichtung (30) zur Auslösung einer Freigabe von in dem Wärmespeicher (20) gespeicherter Wärmeenergie.
  2. Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) mindestens ein Phasenwechselmaterial (21), insbesondere mit einem fest-flüssig Phasenübergang, umfasst.
  3. Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Auslöseeinrichtung (30) ein mechanischer Schalter, insbesondere ein spannbarer Stift, oder ein piezoelektrischer Aktor oder ein Peltier-Element ist.
  4. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Batteriesystem weiterhin eine Temperaturmesseinrichtung umfasst, wobei die mindestens eine Auslöseeinrichtung (30) beim Unterschreiten eines vorbestimmten Temperaturgrenzwertes aktivierbar ist, wobei die Auslöseeinrichtung (30) bei einer Aktivierung die Wärmeangabe aus dem Wärmespeicher (20) auslöst.
  5. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Batteriesystem mindestens eine Schutzverpackung (22; 22a, 22b) für den mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (10, 11) umfasst.
  6. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Batteriesystem mindestens eine Schutzverpackung (22; 22a, 22b) umfasst, die mit dem mindestens einen Wärmespeicher (20) gefüllt ist, insbesondere wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) auch als mechanischer Absorber, insbesondere Schockabsorber, dient und/oder die mindestens eine Schutzverpackung zusätzlich einen mechanischen Absorber, insbesondere Schockabsorber, umfasst und/oder wobei das Batteriesystem mindestens eine Schutzverpackung (22; 22a, 22b) umfasst, die mit einem mechanischen Absorber, insbesondere Schockabsorber, gefüllt oder daraus ausgebildet ist.
  7. Batteriesystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die mindestens eine Schutzverpackung (22; 22a, 22b) aus einem feuerfesten Kunststoff ausgebildet ist.
  8. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) und/oder der mindestens eine mechanische Absorber ein brandinhibierendes, brandhemmendes und/oder brandlöschendes Mittel umfasst.
  9. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Batteriesystem mindestens eine Anpressplatte (13) und/oder mindestens ein Spannband (14) für eine Pressverbindung von mehreren elektrochemischen Energiespeichern (10, 11, 12), insbesondere Batteriezellen (10), umfasst, wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) an oder in der mindestens einen Anpressplatte (13) und/oder dem mindestens einen Spannband (14) angeordnet oder ausgebildet ist.
  10. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Batteriesystem ein Batteriekreislaufsystem (2, 3, 3a) aufweist, wobei das Batteriekreislaufsystem (2, 3, 3a) mindestens eine Temperiereinrichtung (16), insbesondere Temperierplatte, zur Temperierung von mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher (10, 11, 12) umfasst, wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) an das Batteriekreislaufsystem (2, 3, 3a) koppelbar oder gekoppelt und/oder anbindbar oder angebunden ist.
  11. Batteriesystem nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) in dem Batteriekreislaufsystem (2, 3, 3a) der mindestens einen Temperiereinrichtung (16) nachgeschaltet ist.
  12. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der mindestens eine Wärmespeicher (20) des Batteriesystems zusätzlich zur Temperierung von mindestens einer Fahrzeugkomponente (41, 42) ausgelegt ist oder wobei der mindestens eine Wärmespeicher ein Wärmespeicher einer Fahrzeugkomponente (41, 42) ist.
  13. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Batteriekreislaufsystem (2, 3, 3a) an ein Fahrzeugkreislaufsystem (40, 2', 3', 3a') zur Temperierung einer oder mehrere Fahrzeugkomponenten (41, 42) koppelbar oder gekoppelt und/oder anbindbar oder angebunden ist.
  14. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die mindestens eine Auslöseeinrichtung (30) durch eine Zeitschaltuhr und/oder durch ein Mobilgerät, insbesondere ein Mobiltelefon, ein Smartphone und/oder einen Tablet-Computer, und/oder eine Fernbedienung und/oder einen Schalter aktivierbar ist, insbesondere wobei die Auslöseeinrichtung (30) hierdurch nur in vorbestimmten Zuständen des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers (10, 11, 12) aktivierbar ist.
  15. Betriebsverfahren für ein Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Verfahrensschritte: – Speichern von Wärmeenergie in dem mindestens einen Wärmespeicher (20), wobei in dem mindestens einen Wärmespeicher (20) Wärmeenergie gespeichert wird, welche beim Betrieb des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers (10, 11, 12) entsteht und/oder welche beim Betrieb einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten (41, 42), beispielsweise eines Motors und/oder einer Fahrzeugklimaanlage, entsteht, und – Freisetzen von in dem mindestens einen Wärmespeicher (20) gespeicherter Wärmeenergie, wobei durch die aus dem mindestens einen Wärmespeicher (20) freigesetzte Wärmeenergie der mindestens eine elektrochemische Energiespeicher (10, 11, 12) und/oder eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten (41, 42), beispielsweise eine Fahrgastzelle und/oder ein Motor, erwärmt werden, insbesondere wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: – Messen der Temperatur des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers (10, 11, 12) oder von dessen Umgebung, insbesondere durch eine Temperaturmesseinrichtung umfasst, wobei wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten Temperaturgrenzwert unterschreitet, das Verfahren den Verfahrensschritt: – Aktivieren mindestens einer Auslöseeinrichtung (30) zur Auslösung einer Freigabe von in mindestens einem Wärmespeicher (20) gespeicherter Wärmeenergie umfasst.
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