DE102014016360A1

DE102014016360A1 - Elektrischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102014016360A1
Application number: DE102014016360.1A
Authority: DE
Inventors: Norbert Bachmann; Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (1), umfassend eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten, in einem Batteriegehäuse (2) angeordneten Einzelzellen (3.1) und eine Temperiervorrichtung zur Temperierung der Einzelzellen (3.1). Erfindungsgemäß umfasst die Temperiervorrichtung zumindest zwei thermisch in Reihe miteinander verschaltete Peltierelemente (4, 5).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, welcher eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten, in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen und eine Temperiervorrichtung zur Temperierung der Einzelzellen umfasst.
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. Bei Fahrzeugen mit einer Klimaanlage wird die Kühlung der Batterie im Allgemeinen mittels der Klimaanlage durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Kühlung der Einzelzellen mittels eines Peltierelementes, welches direkt an der Batterie angeordnet ist und mittels Strom aufgenommene Wärme an eine Umgebung abgibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Energiespeicher anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein elektrischer Energiespeicher umfasst eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten, in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen und eine Temperiervorrichtung zur Temperierung der Einzelzellen. Erfindungsgemäß umfasst die Temperiervorrichtung zumindest zwei thermisch in Reihe miteinander verschaltete Peltierelemente.
Mittels der Temperiervorrichtung, die zumindest die zwei thermisch in Reihe miteinander verschalteten Peltierelemente umfasst, ist eine Temperierung, insbesondere eine Kühlung der Einzelzellen mehrstufig möglich. Dabei sind mittels der mehrstufigen Peltierkühlung größere Temperaturdifferenzen in Bezug auf eine mittels der Einzelzellen gebildeten kalten Seite und einer mittels einer Wärmeabgabestelle gebildeten heißen Seite einstellbar und ein Wirkungsgrad der Temperierung erhöht sich.
Dabei sind die beiden Peltierelemente derart thermisch in Reihe miteinander verschaltet, dass z. B. eine kalte Seite eines ersten Peltierelementes auf eine warme Seite eines zweiten Peltierelementes geschaltet ist, wodurch eine Kaskadierung der Peltierelemente vorliegt.
Mittels der thermisch in Reihe miteinander verschalteten Peltierelemente kann in vorteilhafter Weise eine deutlich höhere Temperaturdifferenz erzielt werden, wodurch eine Kühlung des elektrischen Energiespeichers optimierbar ist.
Bevorzugt ist der elektrische Energiespeicher in einem Fahrzeug angeordnet, so dass zur Temperierung der Einzelzellen mittels der Peltierelemente außer einer bereits vorhandenen Stromleitung keine weitere Verbindung zwischen dem Fahrzeug und der Batterie erforderlich ist. Dadurch ist ein Aufwand zur Anordnung der Temperiervorrichtung, die die zumindest zwei Peltierelemente umfasst, vergleichsweise gering.
In einer Ausbildung ist ein erstes Peltierelement zwischen einem zweiten Peltierelement und den Einzelzellen und/oder zwischen dem zweiten Peltierelement und dem Batteriegehäuse angeordnet. Dadurch ist eine Wärme des ersten Peltierelementes über das zweite Peltierelement an die Umgebung abgebbar, wobei die Temperiervorrichtung mehrstufig ausgeführt ist.
In einer weiteren Ausbildung ist zumindest ein Peltierelement mit einem wärmeleitfähigen Bestandteil des elektrischen Energiespeichers, insbesondere einem Bestandteil des Batteriegehäuses, gekoppelt, so dass eine in den Einzelzellen beim Laden und Entladen entstehende Verlustwärme über das Bestandteil unmittelbar an das zumindest eine Peltierelement übertragbar ist.
Zur Vergrößerung einer Fläche zur effizienten Abgabe der aufgenommenen Verlustwärme der Einzelzellen umfasst zumindest ein Peltierelement in einer möglichen Ausführungsform Kühlrippen und/oder ist mit zumindest einem Wärmeleitelement thermisch gekoppelt.
In einer Weiterbildung umfasst das zumindest eine Wärmeleitelement einen Metallstab und/oder ein Wärmerohr. Dabei ist das Wärmeleitelement derart angeordnet, dass zumindest ein Ende desselben in einem vergleichsweise kühlen Bereich, insbesondere des Fahrzeuges und/oder seiner Umgebung, angeordnet ist.
Zusätzlich oder alternativ ist zumindest ein Peltierelement in einer möglichen Weiterbildung mit einer fluiddurchströmbaren Leitung gekoppelt. Die aufgenommene Verlustwärme ist an das die Leitung durchströmende Fluid übertragbar und somit von dem zumindest einen Peltierelement wegtransportierbar.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Ventilatorvorrichtung zum Wärmetransport vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Ventilatorvorrichtung derart angeordnet, dass zumindest die Peltierelemente anströmbar sind und somit eine Wärmeabgabe an die Umgebung der Batterie verbessert ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Gehäusedeckel des Batteriegehäuses von einem Aufnahmebereich des Batteriegehäuses für die Einzelzellen thermisch isoliert ist. Die Verlustwärme der Einzelzellen ist über den Gehäusedeckel an das Peltierelement oder die Peltierelemente übertragbar und an die Umgebung des elektrischen Energiespeichers, insbesondere der Peltierelemente, abgebbar.
In einer möglichen Ausgestaltung des elektrischen Energiespeichers ist im Bereich des Batteriegehäuses mit Bauteilen mit einer höheren Vorgabetemperatur ein Peltierelement angeordnet. Somit ist es möglich, unterschiedliche Bereiche des elektrischen Energiespeichers unterschiedlich zu temperieren, wobei das eine Peltierelement vorteilhaft sowohl für den Bereich mit der höheren Vorgabetemperatur als auch für einen Bereich mit einer niedrigeren Vorgabetemperatur genutzt wird. In dem Bereich mit der niedrigeren Vorgabetemperatur ist zumindest noch ein weiteres Peltierelement, insbesondere zur Kühlung der Einzelzellen des elektrischen Energiespeichers, angeordnet.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung sieht vor, dass eine Anzahl von Peltierelementen zu einem Peltiermodul zusammengefasst ist, welches zumindest mit einer Temperierplatte thermisch gekoppelt ist. Die einzelnen Peltierelemente sind vorzugsweise elektrisch seriell miteinander verschaltet, wobei die Peltierelemente mittels oben und unten angeordneten Trägerplatten, welche elektrisch isolieren und thermisch verhältnismäßig gut leiten, als kompakte Baueinheit zusammengehalten sind.
Zudem ist das Peltiermodul zur verbesserten Wärmeabgabe an die Umgebung mit der Temperierplatte, die vorzugsweise von einem Fluid durchströmt ist, thermisch koppelbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit außen an diesem angeordneten Peltierelementen,
2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit innenliegend angeordneten Peltierelementen,
3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit außen an diesem angeordneten Peltierelementen mit an einem dieser ausgebildeten Kühlrippen,
4 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit außen an diesem angeordneten Peltierelementen gemäß 3 mit einer Ventilatorvorrichtung,
5 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit außen an diesem angeordneten Peltierelementen mit einem Kühlstab,
6 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit außen an diesem angeordneten Peltierelementen mit einer fluiddurchströmbaren Leitung,
7 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit innenliegenden Peltierelementen und unterschiedlich zu temperierenden Bereichen,
8 schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses mit außen an diesem angeordneten Peltierelementen und thermisch abgekoppeltem Gehäusedeckel,
9 schematisch ein Peltierelement,
10 schematisch ein aus drei Peltierelementen bestehendes Peltiermodul,
11 schematisch zwei übereinander angeordnete Pelteriermodule,
12 schematisch ein aus neun Peltierelementen gebildetes Peltiermodul in einer ersten Ausführungsform,
13 schematisch ein aus neun Peltierelementen gebildetes Peltiermodul in einer zweiten Ausführungsform,
14 schematisch ein aus neun Peltierelementen gebildetes Peltiermodul in der zweiten Ausführungsform mit durchgehender mittlerer Trägerplatte,
15 schematisch ein aus neun Peltierelementen gebildetes Peltiermodul in der zweiten Ausführungsform mit Wärmeleitelementen, und
16 schematisch ein aus neun Peltierelementen gebildetes Peltiermodul in der zweiten Ausführungsform mit Kopplung an eine Batterie und eine durchströmbare Temperierplatte.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines elektrischen Energiespeichers 1 mit einem Batteriegehäuse 2, welches aus einer kastenförmigen Aufnahmeeinheit 2.1 und einem Gehäusedeckel 2.2 gebildet ist. Im Weiteren wird der elektrische Energiespeicher 1 als Batterie 1 bezeichnet.
Die Batterie 1 ist insbesondere eine Fahrzeugbatterie, d. h. eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder ein mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges.
In dem Batteriegehäuse 2 ist ein Zellblock 3 angeordnet, der beispielhaft fünfzehn elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Einzelzellen 3.1 umfasst. Bei den Einzelzellen 3.1 handelt es sich um elektrochemische Speicherelemente, deren elektrochemischer Inhalt, insbesondere in Form einer nicht näher dargestellten Elektrodenfolienanordnung, von einem Zellgehäuse umgeben ist.
Im Betrieb der Batterie 1, d. h. beim Laden und Entladen der Einzelzellen 3.1 entsteht eine Verlustwärme W, die über die Einzelzellen 3.1 abgegeben wird.
Um weitestgehend sicherstellen zu können, dass die Einzelzellen 3.1 im Bereich ihrer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden, ist es erforderlich, die Batterie 1, insbesondere die Einzelzellen 3.1, zu temperieren, d. h. zu kühlen. Da die ideale Betriebstemperatur, bei welcher eine geringste Alterung der Einzelzellen 3.1 erfolgt und höchstmögliche Ströme abgegeben und aufgenommen werden können, in der Regel wesentlich unterhalb einer möglichen Umgebungstemperatur des Fahrzeuges liegt, ist oftmals ein Einsatz sogenannter Wärmepumpen und Kältemaschinen erforderlich.
Zur effizienten Temperierung der Einzelzellen 3.1 im Betrieb der Batterie 1 ist vorgesehen, zwei thermisch in Reihe miteinander verschaltete Peltierelemente 4, 5 unmittelbar und mittelbar thermisch mit der Batterie 1 zu koppeln.
Die beiden Peltierelemente 4, 5 sind außerhalb des Batteriegehäuses 2 angeordnet, wobei ein erstes Peltierelement 4 auf dem Gehäusedeckel 2.2 zwischen diesem und einem zweiten Peltierelement 5 angeordnet ist. Das zweite Peltierelement 5 ist also auf dem ersten Peltierelement 4 angeordnet, wobei das Batteriegehäuse 2 vollständig geschlossen ist.
Alternativ zur Verwendung von zwei Peltierelementen 4, 5 zur Temperierung der Batterie 1 kann die Anzahl dieser auch variieren.
Bei einem Peltierelement 4, 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen elektrothermischen Wandler, welcher auf dem Peltier-Effekt beruhend, bei einem Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Eine Prinzipdarstellung eines Peltierelementes 4, 5 ist in 9 näher dargestellt. Dazu ist das jeweilige Peltierelement 4, 5 mit einer Stromquelle 6 verbunden.
Jedes der Peltierelemente 4, 5 umfasst eine Kaltseite 4.1, 5.1 und eine Warmseite 4.2, 5.2, wobei die Kaltseite 4.1 des ersten Peltierelementes 4 an dem Batteriegehäuse 2 angeordnet ist, d. h. auf dem Gehäusedeckel 2.2 aufliegt. Die Warmseite 4.2 des ersten Peltierelementes 4 steht in Kontakt mit der Kaltseite 5.1 des zweiten Peltierelementes 5, wobei die mittels der Peltierelemente 4, 5 aufgenommene Verlustwärme W der Einzelzellen 3.1 über die Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5 an die Umgebung der Batterie 1 abgegeben wird. Ein Wärmefluss der abgegebenen Verlustwärme W ist mittels eines Pfeiles P dargestellt.
Zur effizienten Temperierung der Batterie 1 ist der Gehäusedeckel 2.2 aus einem verhältnismäßig gut wärmeleitfähigen Material gebildet.
An der Kaltseite 4.1, 5.1 des jeweiligen Peltierelementes 4, 5 liegt ein Minuspol und an der Warmseite 4.2, 5.2 des jeweiligen Peltierelementes 4, 5 liegt ein Pluspol der Stromquelle 6 an.
Die Kühlung der Batterie 1 mittels der Peltierelemente 4, 5 ist also zweistufig, so dass größere Temperaturdifferenzen zwischen der Kaltseite 4.1 des ersten Peltierelementes 4, also einer Seite des Zellblockes 3, und der Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5, also einer Wärmeabgabeseite oder Wärmeabgabestelle, einstellbar ist. Dadurch ist ein Wirkungsgrad einer die beiden Peltierelemente 4, 5 umfassenden Temperiervorrichtung der Batterie 1 erhöht.
Zum Betrieb der beiden Peltierelemente 4, 5 als Temperiervorrichtung im Betrieb der Batterie 1, insbesondere im Betrieb des Fahrzeuges, ist es nicht erforderlich, außer ohnehin vorhandener Stromleitungen, weitere Verbindungen zwischen dem Fahrzeug und der Batterie 1 herzustellen.
Wie oben beschrieben, ist das Batteriegehäuse 2 vollständig geschlossen, so dass das Risiko von in das Batteriegehäuse 2 eintretender Feuchtigkeit und/oder Schmutz wesentlich verringert ist.
2 zeigt eine alternative Anordnung, bei welcher die Peltierelemente 4, 5 in Bezug auf das Batteriegehäuse 2 innenliegend angeordnet sind.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das erste Peltierelement 4 zwischen dem Zellblock 3 und dem zweiten Peltierelement 5 angeordnet, wobei die Kaltseite 4.1 des ersten Peltierelementes 4 auf einer Oberseite des Zellblockes 3 aufliegt.
Die Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5 liegt an einer Innenseite des Gehäusedeckels 2.2 an, so dass die von der Warmseite 5.2 abgegebene Verlustwärme W über den Gehäusedeckel 2.2 an die Umgebung der Batterie 1 abgegeben wird.
Die Verlustwärme W ist also in den Gehäusedeckel 2.2 einkoppelbar, von welchem sie in die Umgebung abgebbar ist. Auch hierzu ist der Gehäusedeckel 2.2 besonders bevorzugt aus einem vergleichsweise gut wärmeleitfähigen Material gebildet.
3 zeigt das Batteriegehäuse 2 mit den auf dem Gehäusedeckel 2.2 angeordneten Peltierelementen 4, 5, wobei an der Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5 Kühlrippen 7 angeformt oder ausgeformt sind.
Diese Kühlrippen 7 dienen der Vergrößerung der Wärmeabgabeseite, so dass eine Abgabe der aufgenommenen Verlustwärme W verbessert ist. Vorzugsweise erstrecken sich die Kühlrippen 7 über die gesamte flächenmäßige Ausdehnung der Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5.
Alternativ dazu ist denkbar, dass die Kühlrippen 7 nur abschnittsweise oder bereichsweise angeformt oder ausgeformt sind.
Zusätzlich zu den Kühlrippen 7 kann eine Ventilatorvorrichtung 8 vorgesehen sein, wie in 4 näher dargestellt ist. Die Ventilatorvorrichtung 8 in Form eines Lüfters ist derart in Bezug auf die Kühlrippen 7 angeordnet, dass die Kühlrippen 7 durch die Ventilatorvorrichtung 8 mit Umgebungsluft anströmbar sind, um die Abgabe der Verlustwärme W an die Umgebung zu optimieren und einen Temperiervorgang der Batterie 1 zu beschleunigen und zu verbessern.
Ist die die beiden Peltierelemente 4, 5 umfassende Temperiervorrichtung in dem Batteriegehäuse 2 angeordnet, so können bzw. kann die Innenseite und/oder eine Außenseite des Gehäusedeckels 2.2 mit Kühlrippen 7 versehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Ventilatorvorrichtung 8 außerhalb des Batteriegehäuses 2 angeordnet sein, um die über den Gehäusedeckel 2.2 und gegebenenfalls vorhandenen Kühlrippen 7 abgegebene Verlustwärme W der Umgebung effizient zuzuführen.
Alternativ oder zusätzlich kann auch hier die Ventilatorvorrichtung 8 angeordnet sein, um die Verlustwärme W der Einzelzellen 3.1 optimiert in die Umgebung der Batterie 1 abzugeben.
Wiederum alternativ oder zusätzlich kann das zweite Peltierelement 5 mit einem Wärmeleitelement 9 thermisch gekoppelt sein, wie in 5 näher gezeigt ist.
Das Wärmeleitelement 9 ist als Kühlstab ausgeführt und liegt auf der Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5 auf, wobei die beiden Peltierelemente 4, 5 gemäß der 1, 3 und 4 außerhalb des Batteriegehäuses 2 auf dem Gehäusedeckel 2.2 angeordnet sind.
Der Kühlstab als Wärmeleitelement 9 ist derart in Bezug auf das Batteriegehäuse 2 angeordnet, dass seine Längsachse parallel zur Längsachse des Batteriegehäuses 2 angeordnet ist, wobei auch eine andere geeignete Anordnung des Wärmeleitelementes 9 möglich ist.
Vorzugsweise ist der Kühlstab als Wärmeleitelement 9 aus einem vergleichsweise gut wärmeleitfähigen Material, z. B. Metall, gebildet. Dabei ist das Wärmeleitelement 9 derart angeordnet, dass ein Ende dessen in einem verhältnismäßig kühlen, bevorzugt kalten Bereich, beispielsweise des Fahrzeuges und/oder der Fahrzeugumgebung, angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Wärmeleitelement 9 in Form des Kühlstabes können bzw. kann ein relativ einfacher Metallstab und/oder ein Wärmerohr an dem äußeren, d. h. dem zweiten Peltierelement 5 angeordnet sein.
Insbesondere ist das eine Ende des Wärmeleitelementes 9 in einem kühlen Bereich angeordnet, wenn die Batterie 1 in einer relativ heißen Umgebung, beispielsweise einem Motorraum, des Fahrzeuges angeordnet ist.
6 zeigt das Batteriegehäuse 2 mit auf dem Gehäusedeckel 2.2 angeordneten Peltierelementen 4, 5, wobei die Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5 mit einer fluiddurchströmten Leitung 10, insbesondere einer Klimaanlage, des Fahrzeuges thermisch gekoppelt ist.
Zusätzlich oder alternativ zu der Leitung 10 kann die Warmseite 5.2 des zweiten Peltierelementes 5 mit einer in 16 näher gezeigten Temperierplatte 11, insbesondere Kühlplatte, thermisch gekoppelt sein.
Ein die Leitung 10 und/oder die Temperierplatte 11 durchströmendes Fluid ist beispielsweise Umgebungsluft, Luft von außerhalb des Fahrzeuges und/oder Wasser, mittels dessen die den Peltierelementen 4, 5 zugeführte Verlustwärme W der Einzelzellen 3.1 abführbar ist.
In 7 ist ein Batteriegehäuse 2 mit einem aus fünfzehn Einzelzellen 3.1 gebildeten Zellblock 3 und einer zugehörigen Batterieelektronik 12 als Batteriemanagementsystem dargestellt.
Zudem ist in dem Batteriegehäuse 2 die die beiden Peltierelemente 4, 5 umfassende Temperiervorrichtung der Batterie 1 angeordnet.
Das erste Peltierelement 4 als erste Stufe und das zweite Peltierelement 5 als zweite Stufe erstrecken sich über die Ausdehnung einer Oberseite des Zellblockes 3, wobei ausschließlich das zweite Peltierelement 5 in einem Bereich der Batterieelektronik 12 angeordnet ist.
Bei dieser Ausführungsform sind innerhalb des Batteriegehäuses 2 somit zwei Bereiche mit unterschiedlichen Vorgabetemperaturen als Zieltemperaturen ausgebildet.
Eine Vorgabetemperatur als Zieltemperatur des Zellblockes 3 ist niedriger als eine Vorgabetemperatur als Zieltemperatur der Batterieelektronik 12. D. h., dass der Zellblock 3 mehr gekühlt werden muss als die Batterieelektronik 12.
Der Zellblock 3 ist mittels beider Peltierelemente 4, 5 also zweistufig temperierbar, insbesondere kühlbar, wobei die Batterieelektronik 12 einstufig, nämlich nur mittels des zweiten Peltierelementes 5 temperierbar, insbesondere kühlbar ist.
Eine thermische Abkopplung des Gehäusedeckels 2.2 von der Aufnahmeeinheit 2.1 des Batteriegehäuses 2 ist in 8 gezeigt.
Hierzu ist ein zwischen dem Gehäusedeckel 2.2 und der Aufnahmeeinheit 2.1 umlaufender Kunststoffrahmen 13 vorgesehen, der den Gehäusedeckel 2.2 von der Aufnahmeeinheit 2.1 separiert und somit thermisch isoliert. Alternativ kann auch ein Keramikrahmen oder ein Rahmen aus einem Verbundwerkstoff oder ein Rahmen aus einem anderen geeigneten verhältnismäßig schlecht wärmeleitfähigen Material zur thermischen Abkopplung zwischen der Aufnahmeeinheit 2.1 und dem Gehäusedeckel 2.2 angeordnet sein.
Durch die thermische Abkopplung des Gehäusedeckels 2.2 ist die Verlustwärme W der Einzelzellen 3.1 den übereinander angeordneten Peltierelemente 4, 5 optimiert zuführbar.
Durch eine Umpolung des elektrischen Versorgungsstromes der Peltierelemente 4, 5 können diese auch zu einer bedarfsweisen Erwärmung der Batterie 1, beispielsweise im Winter, um die Einzelzellen 3.1 auf ihre ideale Betriebstemperatur zu erwärmen, verwendet werden. Hierzu wird bevorzugt nur das mit dem Zellblock 3 in Verbindung stehende erste Peltierelement 4 bestromt.
Weist der Zellblock 3 seine Vorgabetemperatur, also seine Zieltemperatur auf und die Batterie 1 befindet sich in einer Umgebung deren Temperatur höher ist als die Vorgabetemperatur, so dass keine aktive Kühlung erforderlich ist, wird zur Aufrechterhaltung dieses Temperaturgefälles und/oder als Sperrwirkung nur eines der Peltierelemente 4, 5 bestromt.
9 zeigt die Prinzipdarstellung eines Peltierelementes 4, 5.
Das Peltierelement 4, 5 umfasst zwei Halbleiterquader Q1, Q2, wobei ein erster Halbleiterquader Q1 eine n-Dotierung und ein zweiter Halbleiterquader Q2 eine p-Dotierung aufweist.
Eine Stromein- und -ausleitung in Oberseiten der beiden Halbleiterquader Q1, Q2 sowie eine elektrische Verbindung der Unterseiten der Halbleiterquader Q1, Q2 erfolgt mittels Metallplättchen M. Dabei sind die Metallplättchen M auf der Oberseite der Halbleiterquader Q1, Q2 mit jeweils einem elektrischen Potential der Stromquelle 6 verbunden. Alternativ zu den ersten Metallplättchen M kann auch eine elektrisch leitende Folie und/oder Schiene an den Halbleiterquadern Q1, Q2 angeordnet sein.
Die Metallplättchen M, die Folien und/oder die Schienen sind stoffschlüssig, insbesondere mittels Löten, mit den Halbleiterquadern Q1, Q2 verbunden.
Fließt ein Strom, kühlen sich die Verbindungsstellen zwischen Metallplättchen M und jeweiligem Halbleiterquader Q1, Q2 an der Unterseite ab und die Verbindungsstellen zwischen den Metallplättchen M und jeweiligem Halbleiterquader Q1, Q2 an den Oberseiten erwärmen sich. Auch hier ist der Wärmefluss mittels eines Pfeiles P dargestellt.
Übliche Werkstoffe der Halbleiterquader Q1, Q2 sind z. B. Bismut-Tellurit, Antimon-Tellurit oder Silizium-Germanium, wobei die Metallplättchen M üblicherweise aus Kupfer bestehen.
In 10 ist ein aus drei Peltierelementen 4, 5 gebildetes Peltiermodul PM dargestellt. Die einzelnen Peltierelemente 4, 5 sind elektrisch seriell miteinander verschaltet, wobei eine abführbare Verlustwärme W abhängig vom Stromfluss ist, so dass eine möglichst große Anzahl von Peltierelementen 4, 5 hintereinander geschaltet ist.
Gegebenenfalls sind die Peltierelemente 4, 5 elektrisch parallel miteinander verschaltet.
Das Peltiermodul PM ist dadurch gebildet, dass die einzelnen Peltierelemente 4, 5 an ober- und unterseitig angeordneten Trägerplatten 14 befestigt sind. Die Trägerplatten 14 bestehen aus elektrisch isolierendem aber verhältnismäßig gut wärmeleitfähigem Material, beispielsweise Aluminiumoxidkeramik.
Ein zweistufiges Peltiermodul PM1 ist in 11 dargestellt, wobei zwei aus jeweils drei Peltierelementen 4, 5 gebildete Peltiermodule 4, 5 übereinander angeordnet sind.
Bei dieser Ausführungsform ist es nicht nur erforderlich, die Verlustwärme W der zu kühlenden Einzelzellen 3.1, also des zu kühlenden Zellblockes 3, sondern zusätzlich auch eine Verlust- bzw. Heizleistung der einzelnen Peltierelemente 4, 5 abzuführen. Aus diesem Grund sollte eine Anzahl der Peltierelemente 4, 5 pro Stufe von einer Modulkaltseite K aus gesehen, zunehmen, wodurch eine mehrstufige Anordnung auch bei einem zweistufigen Peltiermodul PM1 eine Pyramidenform aufweisen kann, wie in 12 näher dargestellt ist.
12 zeigt ein aus drei Peltiermodulen PM gebildetes zweistufiges Peltiermodul PM1, wobei jedes Peltiermodul PM drei Peltierelemente 4, 5 umfasst.
Eine zweite Ausführungsform eines zweistufigen Peltiermoduls PM1 ist in 13 dargestellt.
Dabei weisen die drei einzelnen Peltierelemente 4, 5 eines unteren Peltiermoduls PM, welches sich über eine Längsausdehnung der oberen beiden Peltiermodule PM erstreckt, einen vergleichsweise großen Abstand zueinander auf. Eine Unterseite des unteren Peltiermoduls PM bildet die Modulkaltseite K. Die Anzahl der Peltierelemente 4, 5 ist, wie oben beschrieben, an der Modulkaltseite K verringert.
14 zeigt das aus drei Peltiermodulen PM gebildete zweistufige Peltiermodul PM1 gemäß 13, wobei zwischen dem unteren Peltiermodul PM und den oberen beiden Peltiermodulen PM nur eine Trägerplatte 14 angeordnet ist.
In 15 ist das aus drei Peltiermodulen PM gebildete zweistufige Peltiermodul PM1 gemäß 13 dargestellt.
Zur Homogenisierung einer Wärmeaufnahme an der Modulkaltseite K und zur gleichmäßigen thermischen Belastung der Peltierelemente 4, 5 der oberen Peltiermodule PM sind an der Modulkaltseite K und zwischen den oberen und dem unteren Peltiermodul PM vorzugsweise flächige Wärmeleitelemente 9 angeordnet.
Bei den Wärmeleitelementen 9 handelt es sich um Metallplatten, insbesondere um Aluminiumplatten und/oder Kupferplatten, welche die aufgenommene Verlustwärme W in Querrichtung, also in Richtung einer Längsausdehnung des zweistufigen Peltiermoduls PM1 leiten.
Eine elektrische Isolation zu stromführenden Teilen der Peltierelemente 4, 5, insbesondere zu deren Metallplättchen M und/oder Halbleiterquadern Q1, Q2 ist mittels der aus Keramik gebildeten Trägerplatten 14 im Wesentlichen sichergestellt.
Denkbar ist auch, die Wärmeleitelemente 9 in Form der Metallplatten mit einer elektrischen Isolation, beispielsweise einer Kunststoffbeschichtung, einem Isolationslack, einer Keramikbeschichtung, zu versehen. Weiterhin kann zur elektrischen Isolation vorgesehen sein, sofern die Wärmeleitelemente 9 aus Aluminium bestehen, diese zu anodisieren. Dadurch ist eine Anordnung der elektrisch isolierenden Trägerplatten 14 aus Keramik nicht mehr erforderlich.
16 zeigt die Batterie 1 mit dem Batteriegehäuse 2 und dem Zellblock 3 und eine mittels eines zweistufigen Peltiermoduls PM1 gebildete Temperiervorrichtung.
Das zweistufige Peltiermodul PM1 ist außerhalb des Batteriegehäuses 2 angeordnet und mit dem Gehäusedeckel 2.2 thermisch gekoppelt.
Die aus dem zweistufigen Peltiermodul PM1 gebildete Temperiervorrichtung der Batterie 1 ist, insbesondere zur Kühlung, wiederum mit einer fluiddurchströmten Temperierplatte 11 thermisch gekoppelt.
Die von den Peltiermodulen PM aufgenommene Verlustwärme W der Einzelzellen 3.1 ist dem Fluid der Temperierplatte 11 zuführbar, welches die Verlustwärme W abführt. Beispielsweise ist die Temperierplatte 11 von Wasser als ein mögliches Fluid durchströmt.
Dabei ist ein Temperaturniveau der Temperierplatte 11 höher als eine Vorgabetemperatur, Solltemperatur oder Zieltemperatur des Zellblockes 3.
Bezugszeichenliste

1: Elektrischer Energiespeicher, Batterie
2: Batteriegehäuse
2.1: Aufnahmeeinheit
2.2: Gehäusedeckel
3: Zellblock
3.1: Einzelzelle
4: erstes Peltierelement
4.1: Kaltseite
4.2: Warmseite
5: zweites Peltierelement
5.1: Kaltseite
5.2: Warmseite
6: Stromquelle
7: Kühlrippe
8: Ventilatorvorrichtung
9: Wärmeleitelement
10: Leitung
11: Temperierplatte
12: Batterieelektronik
13: Kunststoffrahmen
14: Trägerplatte
K: Modulkaltseite
M: Metallplättchen
P: Pfeil
W: Verlustwärme
PM: Peltiermodul
PM1: zweistufiges Peltiermodul
Q1: erster Halbleiterquader
Q2: zweiter Halbleiterquader

Claims

Elektrischer Energiespeicher (1), umfassend eine Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten, in einem Batteriegehäuse (2) angeordneten Einzelzellen (3.1) und eine Temperiervorrichtung zur Temperierung der Einzelzellen (3.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung zumindest zwei thermisch in Reihe miteinander verschaltete Peltierelemente (4, 5) umfasst.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Peltierelement (4) zwischen einem zweiten Peltierelement (5) und den Einzelzellen (3.1) und/oder zwischen dem zweiten Peltierelement (5) und dem Batteriegehäuse (2) angeordnet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Peltierelement (4, 5) mit einem wärmeleitfähigen Bestandteil der Batterie (1), insbesondere einem Bestandteil des Batteriegehäuses (2), gekoppelt ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Peltierelement (4, 5) Kühlrippen (7) umfasst und/oder mit zumindest einem Wärmeleitelement (9) thermisch gekoppelt ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Wärmeleitelement (9) einen Metallstab und/oder ein Wärmerohr umfasst.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Peltierelement (4, 5) mit einer fluiddurchströmbaren Leitung (10) gekoppelt ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ventilatorvorrichtung (8) zum Wärmetransport vorgesehen ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusedeckel (2.2) von einem Aufnahmebereich (2.1) des Batteriegehäuses (2) für die Einzelzellen (3.1) thermisch isoliert ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Peltierelement (4, 5) im Bereich des Batteriegehäuses (2) mit Bauteilen mit einer höheren Vorgabetemperatur angeordnet ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Peltierelementen (4, 5) zu einem Peltiermodul (PM) zusammengefasst ist, welches zumindest mit einer Temperierplatte (11) thermisch koppelbar ist.