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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeichereinrichtung umfassend wenigstens ein Energiespeichermodul und ein Latentwärmespeichermaterial, in welchem von dem oder einem jeweiligen Energiespeichermodul erzeugte Wärme speicherbar ist.
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Energiespeichereinrichtungen, die aus einem oder mehreren Energiespeichermodulen aufgebaut sind, kommend in immer mehr Kraftfahrzeugen beispielsweise als Hochvoltenergiespeichereinrichtungen zum Versorgen einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs oder als Niedervoltenergiespeichereinrichtungen für Verbraucher mit einer Betriebsspannung von weniger als 60 Volt zum Einsatz. Um eine aufwändige und für den Fall einer Leckage fehleranfällige Kühlung der Energiespeichereinrichtung mittels einer flüssigkeitsbetriebenen Temperiereinrichtung zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, während des Betriebs der Energiespeichereinrichtung entstehende Wärme eines jeweiligen Energiespeichermoduls in einem Latentwärmespeichermaterial zu speichern.
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DE 10 2007 050 812 A1 offenbart einen elektrochemischen Energiespeicher, umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle sowie mindestens einen Latentwärmespeicher, der mindestens ein Phasenwechselmaterial enthält, wobei die mindestens eine elektrochemische Zelle ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
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DE 10 2013 002 847 A1 offenbart eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, einem Latentwärmespeicher, welcher ein Phasenwechselmaterial im Kühlen der Batteriezellen aufweist, und einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Phasenwechselmaterials, wobei die Kühleinrichtung als Verdampfer einer Klimaanlage ausgebildet ist, welcher mit einem an einer Expansionseinrichtung entspannten Kältemittel beaufschlagbar ist.
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DE 10 2013 225 582 A1 offenbart ein Batteriesystem, umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher, einen latenten und/oder thermochemischen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärmenergie und zur auslösbaren Freigabe von gespeicherter Wärmenergie und eine Auslöseeinrichtung zur Auslösung einer Freigabe von in dem Wärmespeicher gespeicherter Wärmenergie.
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DE 10 2013 225 574 A1 in offenbart einen Latentwärmespeicher für einen elektrischen Energiespeicher, umfassend mindestens ein Phasenwechselmaterial, welches aus der Gruppe der Alkane mit einer Kohlenstoffkettenlänge von größer gleich 16 Kohlenstoffatomen bis kleiner gleich 24 Kohlenstoffatomen und Mischungen davon und/oder mit mindestens einem wärmeleitenden, elektrische isolierenden, anorganischen Füllstoff gemischt ist.
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DE 37 17 266 A1 offenbart eine elektrische Mehrzellenbatterie, die eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen von zylindrischem Querschnitt umfasst, wobei die elektrochemischen Zellen in einem Gehäuse angeordnet sind und eine elektrisch isolierende flüssige oder feste Substanz in dem Raum zwischen den Zellen vorgesehen ist, welche in der Lage ist, Wärme aufzunehmen und Wärme von einer Zelle zu den anderen zu übertragen.
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Aus
DE 10 2012 103 131 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie, insbesondere zum Starten eines Verbrennungsmotors, bekannt. Vorgesehen ist ein Luftleitelement, das der Fahrzeugbatterie kühlende Fahrtluft zuführt. Das Kraftfahrzeug kann mit einem Latentwärmespeicher zur Überbrückung von fehlender Wärmezuführung zur Fahrzeugbatterie bei abgestelltem Fahrzeug versehen werden.
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In
DE 10 2010 005 097 A1 ist eine Batteriezellenanordnung beschrieben, die aus mehreren, lageweisen angeordneten Aufnahmetaschen zusammengesetzt ist, wobei die Aufnahmetaschen jeweils wenigstens einen Energiespeicher aufnehmen können. Die Aufnahmetaschen sind derart zusammengefügt, dass zwischen jeweils benachbarten Aufnahmetaschen ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Durchgangskanal vorgesehen ist. Es besteht die Möglichkeit, Phasenwechselmaterialien in die Durchgangskanäle einzubringen.
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Aus
JP 2006-103 365 A ist ein Kühlsystem für Fahrzeugbatterien bekannt, bei dem unter anderem Luft von außen durch das Energiespeichergehäuse zur Kühlung geführt wird.
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Aus
US 5 990 661 A ist bekannt, einen in einen Stromkreis eingebundenen Energiespeicher mittels eines über den Energiespeicher geführten Stroms zu erwärmen. In ähnlicher Weise ist aus
DE 10 2013 021 112 A1 die Erwärmung eines Energiespeichers über einen steuerbaren Kurzschluss bekannt.
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Trotz der Speicherung der von dem oder einem jeweiligen Energiespeichermodul erzeugten Wärme in dem Latentwärmespeichermaterial kann bei einer hohen, kurzfristigen thermischen Belastungen der Energiespeichereinrichtung eine erhöhte Wärmeabfuhr erforderlich sein, um das Energiespeichermodul innerhalb eines auslegungsgemäßen Temperaturbereichs zu betreiben.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abfuhr von in dem Latentwärmespeichermaterial gespeicherter Wärme zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass kraftfahrzeugseitig ein Luftzuführungskanal vorgesehen ist, über welchen bei einer Bewegung des Kraftfahrzeugs in den Luftzuführungskanal strömende Luft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs durch wenigstens einen energiespeichereinrichtungsseitigen, mit dem Latentwärmespeichermaterial thermisch gekoppelten Luftleitkanal führbar ist, wobei der Luftzuführungskanal mit einem in oder an einem energiespeichereinrichtungsseitigen, ein oder mehrere Energiespeichermodule enthaltenden, Gehäuse vorgesehenen Einlass verbunden ist, von welchem aus sich der oder ein jeweiliger Luftleitkanal innerhalb des Gehäuses erstreckt, wobei ein Modulgehäuse, beinhaltend eine oder mehrere Energiespeicherzellen, des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, wobei sich in dem Modulgehäuse das Latentwärmespeichermaterial, das in Form eines Phasenwechselmaterials vorliegt, befindet und dort mit der oder den Energiespeicherzellen in thermischen Kontakt steht.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, den bei einer Bewegung des Kraftfahrzeugs entstehenden Fahrtwind zur Abfuhr der in dem Latentwärmespeichermaterial gespeicherten Wärme zu nutzen, nachdem erkannt wurde, dass eine Erwärmung des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls im Wesentlichen im bewegten Zustand des Kraftfahrzeugs entsteht, insbesondere als Folge mehrerer Beschleunigungs- oder langanhaltender Rekuperationsvorgänge des Kraftfahrzeugs. Durch diese Bewegung kann Umgebungsluft ohne zusätzliche Fördermittel, wie beispielsweise einen Ventilator, in den Luftzuführungskanal strömen und von dort in den oder einen jeweiligen energiespeichereinrichtungsseitigen Luftleitkanal geführt werden. Durch dessen thermische Kopplung mit dem Latentwärmespeichermaterial erfolgt ein Wärmetausch, um die im Latentwärmespeichermaterial aufgenommene Wärme des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls wirksam abzuführen. Mit Vorteil wird so eine besonders einfache Wärmeabfuhr von in dem Latentwärmespeichermaterial gespeicherter Wärme bewirkt, ohne dabei zusätzliche Temperierkreisläufe oder Fördermittel vorzusehen.
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Der Luftzuführungkanal kann mithin unabhängig von einem weiteren Luftzuführungskanal des Kraftfahrzeugs betreibbar und/oder strömungstechnisch von diesem entkoppelt sein. Der weitere Luftzuführungskanal kann beispielsweise Luft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs, insbesondere über eine Klimatisierungseinrichtung, in den Innenraum des Kraftfahrzeugs führen. Die Energiespeichereinrichtung kann zur Bereitstellung einer Nennspannung von weniger als 60 Volt, insbesondere 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt, d.h. als Niedervoltenergiespeichereinrichtung, oder zur Bereitstellung einer Nennspannung von 60 Volt oder mehr, insbesondere wenigstens 100 V, bevorzugt wenigstens 200 V, d.h. als Hochvoltenergiespeichereinrichtung, ausgebildet sein. Eine solche Hochvoltenergiespeichereinrichtung kann zur elektrischen Versorgung einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Bevorzugt ist das oder ein jeweiliges Energiespeichermodul auf Lithium-Ionen-Basis realisiert. Das oder ein jeweiliges Energiespeichermodul kann ein oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen. Die Energiespeichereinrichtung kann ein Gehäuse aufweisen, über welches in dem Latentwärmespeichermaterial gespeicherte Wärme zusätzlich an die Umgebung der Energiespeichereinrichtung abführbar ist.
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Das Latentwärmespeichermaterial kann beispielsweise ein, insbesondere wachsartiges, Phasenwechselmaterial sein oder umfassen. Bevorzugt ist das Latentwärmespeichermaterial derart beschaffen, dass eine Änderung von einer festen in eine flüssige Phase bei einer Temperatur zwischen 30 °C und 50 °C, bevorzugt zwischen 40 und 45 °C erfolgt. Das Latentwärmespeichermaterial kann dementsprechend in einem normalen Fahrbetrieb, d.h. in einem Fahrbetrieb ohne außergewöhnliche thermische Belastungen des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls, fest sein. Das Latentwärmespeichermaterial kann das oder ein jeweiliges Energiespeichermodul zumindest teilweise umgebend innerhalb der Energiespeichereinrichtung, insbesondere innerhalb ihres Gehäuses, und/oder innerhalb des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls die Energiespeicherzellen zumindest teilweise umgebend angeordnet sein.
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Es ist beim erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorgesehen, dass der Luftzuführungskanal mit einem in oder an einem energiespeichereinrichtungsseitigen Gehäuse vorgesehenen Einlass verbunden ist, von welchem aus sich der oder ein jeweiliger Luftleitkanal innerhalb des Gehäuses erstreckt. Der Luftzuführungskanal ist beispielsweise schlauch- oder rohrartig ausgebildet und führt von einer kraftfahrzeugseitigen Öffnung zum Einlass. Der oder ein jeweiliger Luftleitkanal schließt bevorzugt an den Einlass an, wobei sich ein Luftleitkanal auch in weitere Luftleitkanäle verzweigen kann. Selbstverständlich kann gehäuseseitig auch ein Auslass vorgesehen sein, um die durch die Energiespeichereinrichtung geführte Luft entweichen zu lassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs erstreckt sich der oder wenigstens ein Luftleitkanal zwischen wenigstens zwei Energiespeichermodulen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn sich das Latentwärmespeichermaterial zumindest teilweise innerhalb des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls befindet, um eine besonders effiziente Wärmeabfuhr aus dem Inneren des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sich der oder wenigstens ein Luftleitkanal entlang eines Trägerelements der Energiespeichereinrichtung erstreckt, an welchem das oder ein jeweiliges Energiespeichermodul angeordnet ist. Eine solche Gestaltung bewirkt eine besonders gute Wärmeabfuhr, wenn das Latentwärmespeichermaterial zumindest teilweise das Energiespeichermodul umgebend innerhalb Energiespeichereinrichtung angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist ein Modulgehäuse des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls flüssigkeitsdicht ausgebildet. Dadurch kann verhindert werden, dass Feuchtigkeit der Umgebungsluft in das Innere der Energiespeichermodule gelangen kann. Sofern das Latentwärmespeichermaterial im Inneren des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls vorgesehen ist, kann mit besonderem Vorteil zugleich verhindert werden, dass das verflüssigte Latentwärmespeichermaterial aus dem Energiespeichermodul austritt.
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Es wird bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug außerdem bevorzugt, wenn der Luftzuführungskanal und/oder die Energiespeichereinrichtung ein Sperrelement aufweist, welches zwischen einer offenen und einer ein Strömen der Luft in den oder einen jeweiligen Luftleitkanal hemmenden oder verhindernden geschlossenen Stellung verstellbar ist. Ein solches Sperrelement verhindert den Eintritt von Luft in den oder einen jeweiligen Luftleitkanal beispielsweise dann, wenn keine Wärmeabfuhr erforderlich oder gewünscht ist.
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Um neben der Wärmespeicherung durch das Latentwärmespeichermaterial auch eine gewollte Erwärmung der Energiespeichermodule zu realisieren, ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bevorzugt eine Steuereinrichtung vorgesehen, mittels welcher eine Fahrzeugkomponente zum Einprägen eines zusätzlichen, eine Eigenerwärmung der Energiespeichereinrichtung bewirkenden elektrischen Stroms ansteuerbar ist. Eine solche Eigenerwärmung kann beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen erwünscht sein, um einen mittels einer zusätzlichen Temperiereinrichtung realisierten Erwärmungsbetrieb zu ersetzen. Dazu wird vorgeschlagen, einen zusätzlichen Strom in die Energiespeichereinrichtung einzuprägen, welcher zu einer erhöhten Erwärmung des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls führt.
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Die Fahrzeugkomponente kann ein Ladegerät zum Laden der Energiespeichereinrichtung sein, welches zum Einprägen des Stroms während eines Ladevorgangs der Energiespeichereinrichtung ansteuerbar ist. Ein solches Ladegerät ist typischerweise zwischen die Energiespeichereinrichtung und einen Ladeanschluss des Kraftfahrzeugs geschaltet und kann durch die Steuereinrichtung derart ansteuerbar sein, dass gezielte, die Eigenerwärmung verursachende Stromerhöhungen während eines Ladevorgangs initiiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrzeugkomponente eine Schalteinheit sein, welche zum zeitweisen Kurzschließen der Energiespeichereinrichtung und/oder des oder eines jeweiligen Energiespeichermoduls oder zum zeitweisen Zuschalten eines niederohmigen Verbrauchers ansteuerbar ist. Bevorzugt werden dabei lediglich kurzzeitige Kurzschlüsse erzeugt, die auch als Mikrokurzschlüsse aufgefasst werden können, die Energiespeichereinrichtung nicht schädigen und lediglich die gewollte Eigenerwärmung bewirken.
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Der eingeprägte Strom kann eine wechselnde Amplitude und/oder eine wechselnde Frequenz und/oder ein wechselndes Tastverhältnis aufweisen. Es wird mithin bevorzugt, wenn der die Eigenerwärmung verursachende Strom durch eine gezielte amplituden- und/oder frequenz- und/oder pulsweitenmodulierte Belastung erzeugt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist die Steuereinrichtung schließlich dazu ausgebildet, das Sperrelement während des Einprägens des Stroms zum Einnehmen der geschlossenen Stellung anzusteuern. Es kann so vermieden werden, dass die den oder einen jeweiligen Luftleitkanal durchströmende Luft der Eigenerwärmung entgegenwirkt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Energiespeichereinrichtung;
- 2 eine geschnittene Ansicht der Energiespeichereinrichtung; und
- 3 eine Draufsicht auf Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer unterbodenseitig angeordneten Energiespeichereinrichtung 2. Die Energiespeichereinrichtung 2 kann als Hochvoltenergiespeichereinrichtung mit einer Nennspannung von beispielsweise mehreren hundert Volt oder als Niedervoltenergiespeichereinrichtung mit einer Nennspannung von beispielsweise 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt ausgebildet sein.
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Das Kraftfahrzeug 1 weist ferner einen Luftzuführungskanal 3 auf, durch welchen bei einer Bewegung Luft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 über einen Einlass 4 in das Innere der Energiespeichereinrichtung 2 führbar ist und sie durch einen Auslass 5 wieder verlassen kann. Innerhalb des Luftzuführungskanals 3 ist ein Sperrelement 6 angeordnet, welches zwischen einer offenen und einer ein Strömen der Luft in das Innere der Energiespeichereinrichtung 2 hemmenden oder verhindernden geschlossenen Stellung verstellbar ist.
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Die Energiespeichereinrichtung 2 ist über ein Ladegerät 7 zum Aufladen mit einem Ladeanschluss 8 verbunden, der für einen Benutzer des Kraftfahrzeugs 1 von außen zugänglich ist. Daneben ist ein Schaltelement 9 vorgesehen, mittels welchem die Energiespeichereinrichtung 2 kurzschließbar und zeitweise gegen einen niederohmigen Verbraucher 10 schaltbar ist. Zur Ansteuerung des Sperrelements 6, des Ladegeräts 7 und Schaltelements 9 ist eine Steuereinrichtung 11 vorgesehen.
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2 zeigt eine geschnittene Ansicht der Energiespeichereinrichtung 2. Diese umfasst mehrere Energiespeichermodule 12, welche aus einem Modulgehäuse 14 und darin aufgenommenen Energiespeicherzellen 13 auf Lithium-Ionen-Basis gebildet sind. Die Energiespeichermodule 12 sind über Stromsammelschienen 15 miteinander verschaltet. Innerhalb eines jeweiligen Modulgehäuses 14 ist ein Latentwärmespeichermaterial 16 eingebracht, welches die Energiespeicherzellen 13 berührt und bei deren Betrieb entstehende Wärme speichert. Zwischen den Energiespeichermodulen und einem Trägerelement 18, an dem die Energiespeichermodule 12 angeordnet sind, ist ebenfalls das Latentwärmespeichermaterial 16 vorgesehen.
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Zwischen jeweils zwei Energiespeichermodulen 12, zwischen einem Gehäuse 19 der Energiespeichereinrichtung 2 und dazu benachbarten Energiespeichermodulen 12 sowie zwischen dem Trägerelement 18 und einem Bodenbereich 20 des Gehäuses 19 sind jeweils mehrere Luftleitkanäle 21 angeordnet, welche beispielsweise aus einem Strangpressprofil gebildet sind. Die Luftleitkanäle 21 sind mit dem Einlass 4 verbunden, um ein Strömen der Luft aus dem Luftzuführungskanal 3 in die Luftleitkanäle 21 zu ermöglichen. Die Luftleitkänale 21 sind dabei derart thermisch mit dem Latentwärmespeichermaterial 16 gekoppelt, dass ein Wärmetausch zwischen der durchströmenden Luft und dem Latentwärmespeichermaterial 16 erfolgt.
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Das Latentwärmespeichermaterial 16 ist aus einem wachsartigen Phasenwechselmaterial gebildet und weist einen Schmelzpunkt zwischen 40 und 45 °C auf. Beim normalen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 wird diese Temperatur typischerweise nicht überschritten, so dass das Latentwärmespeichermaterial 16 in seiner festen Phase verbleibt. Die Wärmeabfuhr wird in diesem normalen Fahrbetrieb im Wesentlichen durch einen Wärmepfad vom Latentwärmespeichermaterial 16 über die Modulgehäuse 14, das Trägerelement 18 und das Gehäuse 19 realisiert. Bei einem Hochlastbetrieb des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise während mehrerer aufeinanderfolgender Beschleunigungsphasen oder einer langandauernden Rekuperation von Energie in die Energiespeichereinrichtung 2, ist jedoch eine zusätzliche Wärmeabfuhr aus dem Latentwärmespeichermaterial 16 gewünscht. Diese zusätzliche Kühlung wird durch die durch die Luftleitkanäle 21 strömende Luft realisiert.
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In einem solchen Betriebsfall steuert die Steuereinrichtung 11 das Sperrelement 6 zum Einnehmen der offenen Stellung an. Es kann so durch die Kombination des Latentwärmespeichermaterials 16 mit der besonders aufwandsarm zu realisierenden Kühlung durch die entlang der Luftleitkanäle 12 strömende Luft auf eine Temperiereinrichtung mit einem flüssigen Wärmeleitmedium verzichtet werden.
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Da derartige herkömmliche Temperiereinrichtungen neben einer Kühlung auch ein Erwärmen der Energiespeichermodule 14 ermöglichen, beispielsweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen, ist bei dem Kraftfahrzeug 1 zusätzlich vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 11 das Sperrelement 6 in derartigen Betriebsfällen zum Einnehmen der geschlossenen Stellung ansteuert, so dass keine die Energiespeichermodule 14 kühlende Luft in die Luftleitkanäle 21 gelangt. Zum gleichzeitigen Erwärmen der Energiespeichereinrichtung 2 bzw. der Energiespeichermodule 14 ist ferner vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 11 das Schaltelement 9 zum zeitweisen Kurzschließen der Energiespeichereinrichtung 2 oder zum Zuschalten des Verbrauchers 10 ansteuert, um einen eine Eigenerwärmung Energiespeichereinrichtung bewirkenden elektrischer Strom in die Energiespeichereinrichtung 2 einzuprägen. Alternativ wird der die Eigenerwärmung der Energiespeichereinrichtung 2 bewirkende Strom durch Ansteuerung des Ladegerät 7 eingeprägt, beispielsweise indem während eines Ladevorgangs der Ladestrom gezielt überhöht wird. In beiden zuvor beschriebenen Fällen erfolgt die Ansteuerung des Ladegeräts 7 bzw. des Schaltelements 9 derart, dass der eingeprägte Strom eine wechselnde Amplitude, eine wechselnde Frequenz und - bei Verwendung einer Pulsweitenmodulation - ein wechselndes Tastverhältnis aufweist.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die Energiespeichermodule 14 der Energiespeichereinrichtung 2, die rasterartig in mehreren Reihen angeordnet und durch die Stromsammelschienen 15 miteinander verbunden sind. Dabei sind einzelne Energiespeicherzellen 13 paarweise parallel geschaltet und mehrere derartige Paare durch interne Kontaktelemente 22 in Reihe geschaltet, um die Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 2 bereitzustellen.
