DE102014015270A1 - Elektrischer Energiespeicher und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (1) für ein Fahrzeug, welcher eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten in einem Batteriegehäuse (1.1) angeordneten Einzelzellen (3.1) und eine Temperiervorrichtung (2) umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Temperiervorrichtung (2) zumindest eine mit einer Abwärme (QK) der Einzelzellen (3.1) und/oder eines Fahrzeugbauteiles betriebene Kältemaschine. Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Fahrzeug, welcher eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten, in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen und eine Temperiervorrichtung umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Energiespeicher.
  • Batterien für Fahrzeuganwendungen, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges, oder für Stationäranwendungen, wie Stromversorger oder Stromspeicher, bestehen aus einer Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen. Innerhalb der Batterie sind die Einzelzellen zu Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen und deren Vorrichtungen zur mechanischen Fixierung, Kontaktierung und Temperierung umfassen. Der Zellblock oder die Zellblöcke sind in einem Batteriegehäuse angeordnet, welches wiederum Vorrichtungen, insbesondere zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie sowie Anschlusselemente zur Stromentnahme und Stromeinleitung sowie zur Kühlmittelzu- und -abführung, aufweist. Zur Abführung einer beim Laden und Entladen der Einzelzelle entstehenden Verlustleistung werden die Einzelzellen in der Regel gekühlt. Eine ideale Betriebstemperatur der Einzelzellen liegt im Allgemeinen unterhalb einer Umgebungstemperatur des Fahrzeuges, wobei zur Temperierung der Einzelzellen Wärmepumpen sowie eine Kältemaschine eingesetzt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Energiespeicher und ein verbessertes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Energiespeicher anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des elektrischen Energiespeichers durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich des Fahrzeuges durch die in Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein elektrischer Energiespeicher für ein Fahrzeug umfasst eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen und eine Temperiervorrichtung. Erfindungsgemäß umfasst die Temperiervorrichtung des elektrischen Energiespeichers zumindest eine mit einer Abwärme der Einzelzellen und/oder eines Fahrzeugbauteiles betriebene Kältemaschine.
  • Mittels der zumindest einen durch die Abwärme der Einzelzellen betriebene Kältemaschine ist der elektrische Energiespeicher effizient kühlbar, insbesondere ohne an einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Fahrzeuges angeschlossen und somit von einem Betrieb dieser abhängig zu sein.
  • Zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers ist es nicht erforderlich, dass die Klimaanlage in Betrieb ist, so dass ein Kraftstoffverbrauch, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, nicht erhöht ist.
  • Darüber hinaus vermindert sich bei einer mittels der Klimaanlage eingeschalteten Kühlung des elektrischen Energiespeichers eine Kühlwirkung der Klimaanlage nicht, so dass sich eine Abkühlzeit eines Fahrzeuginnenraumes ebenfalls nicht erhöht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in einer ersten Ausführungsform,
  • 2 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in der ersten Ausführungsform mit thermischer Kopplung an eine Verbrennungskraftmaschine,
  • 4 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in der zweiten Ausführungsform mit thermischer Kopplung an eine Verbrennungskraftmaschine,
  • 5 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in der ersten Ausführungsform mit thermischer Kopplung an eine Abgasvorrichtung,
  • 6 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in der zweiten Ausführungsform mit thermischer Kopplung an eine Abgasvorrichtung,
  • 7 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in einer dritten Ausführungsform, und
  • 8 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt des elektrischen Energiespeichers mit der Temperiervorrichtung in der dritten Ausführungsform.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 mit einer Temperiervorrichtung 2 in einer ersten Ausführungsform, wobei die Temperiervorrichtung 2 insbesondere zum Kühlen des elektrischen Energiespeichers 1 vorgesehen ist. Im Weiteren wird der elektrische Energiespeicher 1 als Batterie 1 bezeichnet.
  • Die Batterie 1 ist eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges.
  • In einem Batteriegehäuse 1.1 ist ein in 7 dargestellter Zellblock 3 mit einer Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 3.1 angeordnet, die im Betrieb des Fahrzeuges geladen und entladen werden.
  • Insbesondere im Betrieb der Batterie 1 entsteht Abwärme QK, so dass es aufgrund einer optimalen Betriebstemperatur der Einzelzellen 3.1 erforderlich ist, diese zu kühlen. Hierzu ist die Temperiervorrichtung 2 vorgesehen.
  • Die Temperiervorrichtung 2 ist als eine Kältemaschine, insbesondere eine Kompressionskältemaschine, ausgeführt, die einen Verdampfer 2.1, einen Verdichter 2.2 und einen Kondensator 2.3 umfasst. Dabei ist die Temperiervorrichtung 2 außerhalb des Batteriegehäuses 1.1 angeordnet, wobei der Verdichter 2.2 bevorzugt in einer Umgebung einer Wärmequelle des Fahrzeuges angeordnet ist.
  • Der Verdampfer 2.1, der Verdichter 2.2 und der Kondensator 2.3 sind in einem Kreislauf K angeordnet, in welchem ein Kältemittel zirkuliert.
  • Die von der Batterie 1 erzeugte Abwärme QK wird über das Batteriegehäuse 1.1 dem Verdampfer 2.1 zugeführt, wodurch das Kältemittel in dem Kreislauf K verdampft und in Richtung des Verdichters 2.2 strömt. Der Verdampfer 2.1 ist also thermisch mit der Batterie 1 gekoppelt.
  • Mittels der über das Kältemittel aufgenommenen Abwärme QK der Batterie 1 und einer Umgebungswärme QA einer unmittelbaren Umgebung des Verdichters 2.2 ist dieser antreibbar und das verdichtete gasförmige Kältemittel strömt in Richtung des Kondensators 2.3.
  • Über den Kondensator 2.3 wird eine gesamte mittels der Temperiervorrichtung 2 aufgenommene Wärme Q in die Umgebung abgegeben. Die insgesamt von dem Kondensator 2.3 abgegebene Wärme Q ergibt sich im Wesentlichen aus der Summe der Abwärme QK, also der aus der Batterie 1 abgeführten Kühlleistung, und der in den Verdichter 2.2 eingeleiteten Umgebungswärme QA.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Temperiervorrichtung 2 zum Kühlen der Batterie 1 dargestellt.
  • Bei dieser Ausführungsform sind der Verdampfer 2.1 und der Verdichter 2.2 der als Kältemaschine ausgeführten Temperiervorrichtung 2 in dem Batteriegehäuse 1.1 angeordnet.
  • Die zum Betrieb des Verdichters 2.2 und somit zum Antrieb der Kältemaschine erforderliche Umgebungswärme QA ist dem Verdichter 2.2 zuführbar, wobei zur Zuführung ein nicht gezeigter Fluidkreislauf, beispielsweise mit zirkulierendem Wasser, ein Wärmerohr und/oder ein Wärmeleitelement, z. B. ein in 5 gezeigter Metallstab 4, vorgesehen sind bzw. ist.
  • Die Batterie 1 mit der Temperiervorrichtung 2 in der ersten Ausführungsform und einer thermischen Kopplung dieser an eine Verbrennungskraftmaschine 5 des Fahrzeuges ist in 3 dargestellt. Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Temperiervorrichtung 2 mit ihren Bestandteilen 2.1 bis 2.3 außerhalb des Batteriegehäuses 1.1 angeordnet.
  • Der Verdichter 2.2 der Temperiervorrichtung 2 ist dabei mit einem Bypass 6.1 eines Kühlkreislaufes 6 der Verbrennungskraftmaschine 5 verbunden. In dem Bypass 6.1 ist ein Ventil 7 zur Regelung einer in dem Bypass 6.1 zirkulierenden Menge, insbesondere an Kühlwasser, welches dem Verdichter 2.2 zugeführt wird, angeordnet.
  • Der Kühlkreislauf 6 ist zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 5 vorgesehen, wobei der Kühlkreislauf 6 hierzu eine Kühlwasserpumpe 6.2 und eine Kühlvorrichtung 6.3, durch welche z. B. Kühlwasser als Kühlmedium strömt, aufweist.
  • Die thermische Kopplung der Temperiervorrichtung 2 an den Kühlkreislauf 6 des Fahrzeuges als Wärmequelle kann im Bedarfsfall auch zur Erwärmung der Batterie 1 auf ihre optimale Betriebstemperatur genutzt werden.
  • 4 zeigt die Temperiervorrichtung 2 der Batterie 1 in der zweiten Ausführungsform, wobei die Temperiervorrichtung 2, wie in 3, thermisch mit der Verbrennungskraftmaschine 5, insbesondere über den Bypass 6.1 mit deren Kühlkreislauf 6, gekoppelt ist.
  • Eine thermische Kopplung der Temperiervorrichtung 2 in der ersten Ausführungsform mit einer Abgasvorrichtung 8 des Fahrzeuges ist in 5 gezeigt.
  • Der Verdichter 2.2 der als Kältemaschine ausgeführten Temperiervorrichtung 2 ist über einen Metallstab 4 als Wärmeleitelement mit der Abgasvorrichtung 8 thermisch gekoppelt. Hierzu ragt der Metallstab 4 mit einem Ende in einen Rohrabschnitt 8.1 der Abgasvorrichtung 8 hinein, wobei ein gegenüberliegendes Ende mit dem Verdichter 2.2 verbunden ist.
  • Das in den Rohrabschnitt 8.1 hineinragende Ende des Metallstabes 4 ist von einem vergleichsweise heißen Abgas der Verbrennungskraftmaschine 5 umströmt, wobei eine somit aufgenommene Abgaswärme als Umgebungswärme QA dem Verdichter 2.2 zuführbar ist.
  • 6 zeigt die Batterie 1 mit der Temperiervorrichtung 2 in der zweiten Ausführungsform und deren thermische Kopplung mit der Abgasvorrichtung 8 des Fahrzeuges.
  • Der Verdichter 2.2 ist in dem Batteriegehäuse 1.1 angeordnet, wobei der Metallstab 4 als Wärmeleitelement durch das Batteriegehäuse 1.1 hindurchgeführt ist und in den Rohrabschnitt 8.1 der Abgasvorrichtung 8 hineinragt.
  • Eine dritte Ausführungsform der Temperiervorrichtung 2, insbesondere zum Kühlen der Batterie 1 ist in 7 gezeigt. In der dritten Ausführungsform ist die Kältemaschine als Absorptionskältemaschine ausgeführt.
  • Die Temperiervorrichtung 2 ist im Wesentlichen in dem Batteriegehäuse 1.1 angeordnet, wobei in dem Kreislauf K der Temperiervorrichtung 2 ein Kältemittel und ein Lösungsmittel strömen.
  • Das Kältemittel, beispielsweise Ammoniak, wird in dem Verdampfer 2.1 zugeführt und entzieht dem Zellblock 3 Abwärme QK. Darauffolgend gelangt das Kältemittel von unten in einen Absorber 2.4, welcher von oben mit dem Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, insbesondere nach dem Gegenstromprinzip durchströmt wird.
  • Das Lösungsmittel absorbiert das Gas und wird in ein durch das Kühlwasser des Verbrennungsmotors beheiztes Heizelement 2.5 geleitet, in welchem das Gas wieder aus dem Lösungsmittel abgegeben wird. Das Gas gelangt in den Verdampfer 2.1, in welchem es unter Abgabe von Wärme Q nach außen zum Teil wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Das im Wesentlichen gasfreie Lösungsmittel wird aus dem Heizelement 2.5 in den Absorber 2.4 geleitet.
  • Die Temperiervorrichtung 2 kann in vorteilhafter Weise vergleichsweise aufgebaut sein, wenn neben dem Kältemittel, insbesondere Ammoniak, und dem Lösungsmittel in Form von Wasser ein inertes Gas, z. B. Wasserstoff, zum Druckausgleich in den Kreislauf K eingeleitet wird. Ein erforderlicher Temperaturunterschied zwischen dem Verdampfer 2.1 und dem Kondensator 2.3 entsteht durch die unterschiedlichen Partialdrücke des Ammoniaks und des Wassers.
  • Ein Umlauf im Kreislauf K ist im Wesentlichen durch eine Thermosyphonpumpe 2.6 mittels aufsteigender Gasblasen analog einer sogenannten Mammutpumpe sichergestellt. Die Thermosyphonpumpe 2.6 ist thermisch mit einer Heizvorrichtung des Heizelementes 2.5 mittels Kühlwassers verbunden.
  • Die Temperiervorrichtung 2 ist unabhängig von der Klimaanlage des Fahrzeuges betreibbar, so dass eine Leistung der Klimaanlage in vollem Umfang zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes zur Verfügung steht. Dadurch ist es möglich, einen Verbrauch, insbesondere an Kraftstoff, zu mindern.
  • Zudem kann die Temperiervorrichtung 2 auch zur Temperierung anderer Bauteile des Fahrzeuges oder bedarfsweise auch zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes genutzt werden. Ein Klimakompressor der Klimaanlage des Fahrzeuges kann somit zeitweise ausgeschaltet werden, wodurch wiederum ein Energieverbrauch des Fahrzeuges verringert werden kann.
  • Falls über einen vergleichsweise kurzen Zeitraum, z. B. unmittelbar nach einem Motorstart und/oder nach einer längeren Abstellzeit der Verbrennungskraftmaschine 5, keine Abwärme zur Verfügung steht, ist vorgesehen, diese zeitweilig mittels gespeicherter Energie bereitzustellen. Hierzu kann beispielsweise mittels Batteriestromes eine Heizspirale betrieben werden.
  • 8 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Batterie 1 mit der Temperiervorrichtung 2 in der dritten Ausführungsform gemäß 7.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrischer Energiespeicher, Batterie
    1.1
    Batteriegehäuse
    2
    Temperiervorrichtung
    2.1
    Verdampfer
    2.2
    Verdichter
    2.3
    Kondensator
    2.4
    Absorber
    2.5
    Heizelement
    2.6
    Thermosyphonpumpe
    3
    Zellblock
    3.1
    Einzelzelle
    4
    Metallstab
    5
    Verbrennungskraftmaschine
    6
    Kühlkreislauf
    6.1
    Bypass
    6.2
    Kühlwasserpumpe
    6.3
    Kühlvorrichtung
    7
    Ventil
    8
    Abgasvorrichtung
    8.1
    Rohrabschnitt
    K
    Kreislauf
    Q
    Wärme
    QA
    Umgebungswärme
    QK
    Abwärme

Claims (7)

  1. Elektrischer Energiespeicher (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten in einem Batteriegehäuse (1.1) angeordneten Einzelzellen (3.1) und eine Temperiervorrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) zumindest eine mit einer Abwärme (QK) der Einzelzellen (3.1) und/oder eines Fahrzeugbauteiles betriebene Kältemaschine umfasst.
  2. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kältemaschine eine Absorptionskältemaschine und/oder eine Dampfstrahlkältemaschine ist.
  3. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme (QK) einem Verdichter (2.2) der zumindest einen Kältemaschine zuführbar ist.
  4. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2.2) der zumindest einen Kältemaschine im Fahrzeug außerhalb des Batteriegehäuses (1.1) angeordnet ist.
  5. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) innerhalb des Batteriegehäuses (1.1) angeordnet ist.
  6. Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers (1) für ein Fahrzeug, welcher eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten in einem Batteriegehäuse (1.1) angeordneten Einzelzellen (3.1) und eine Temperiervorrichtung (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) zumindest eine Kältemaschine umfasst, welche mit einer Abwärme (QK) der Einzelzellen (3.1) und/oder eines Fahrzeugbauteiles betrieben wird.
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