DE102018201608A1 - Isoliersystem für ein Batteriesystem sowie Verfahren zum Steuern eines solchen Isoliersystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10) für ein Fahrzeug (11) mit einem Isoliersystem (12) aufweisend eine Batterie (14), die durch das Isoliersystem (12) wenigstens auf einer Seite bedeckt ist, wobei das Isoliersystem (12) eine Dämmplatte (16) mit einem ersten Anschluss (181) und einem zweiten Anschluss (182) an einem Hohlraum (20) in der Dämmplatte (16) beinhaltet. Es wird vorgeschlagen am ersten Anschluss (181) eine Vakuumpumpe (22) anzuschließen, mit der in dem Hohlraum (20) ein Vakuum erzeugbar ist, und am zweiten Anschluss (182) ein Auslassventil (24) anzubringen, mit dem der Hohlraum (20) geöffnet wird. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Isoliersystems (12), also der Vakuumpumpe und des Auslassventils anhand einer Umgebungstemperatur.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei das Batteriesystem ein Isoliersystem und eine Batterie aufweist. Ferner betrifft die Erfindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 ein Verfahren zum Steuern des Isoliersystems.
• Es sind elektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge bekannt, die eine Batterie aufweisen, um einen Elektromotor zu betreiben, welcher den Antriebsmotor des Fahrzeugs darstellt. Die Batterie weist eine optimale Betriebstemperatur von beispielsweise ungefähr 30°C auf, bei der ein hoher Wirkungsgrad der Batterie vorliegt. Daher ist es erstrebenswert, die tatsächliche Ist-Temperatur der Batterie im Bereich der optimalen Soll-Temperatur der Batterie zu halten. Da sich beim Entladen die Batterie durch die entnommene Leistung erwärmt und zusätzliche thermische Einflüsse von außen auf die Batterie wirken, sind im Stand der Technik aktive als auch passive Kühlsysteme vorgesehen. Die aktiven Kühlsysteme beinhalten eine Flüssigkühlung, während die passiven Kühlsysteme aus Isolierschichten bestehen, deren Dämmwerte nicht gesteuert werden können.
• So lehrt die DE 10 2012 214 957 A1 Paneele, also Dämmplatten, die mit nanoporösen Polymerteilchen gefüllt sind. Das Innere solch einer Paneele steht zusätzlich unter einem statischen Vakuum. Die gelehrten Paneele stellen also ein passives Dämmsystem dar. Solche Dämmplatten sind beispielsweise unter dem Markennamen va-Q-vip erhältlich, wobei die poröse Füllung Kieselsäure beinhalten kann. Es wird in der DE 10 2012 214 957 A1 vorgeschlagen die Paneele in dem Fahrzeug direkt an der Karosserie beispielsweise an Türen, Dach, Bodenbereich oder Rückwand anzuordnen. Dadurch wird ein Erwärmen des Fahrzeuginnenraums durch Außentemperaturen verringert, was sich positiv auf die Temperatur der Batterie auswirken soll. Jedoch ist sehr nachteilig, dass die Abwärme der Batterie selbst durch die Paneele im Fahrzeuginnenraum gestaut wird, und so insbesondere bei längeren Fahrten eine Verringerung des Wirkungsgrads der Batterie erfolgt. Paneele mit einer ähnlichen Struktur und ähnlichen Nachteilen sind in der DE 10 2014 003 413 A1 offenbart.
• Ein aktives Kühlsystem für eine Batterie ist in der EP 2 744 033 A1 offenbart. Dort sind mehrere Reihen von Stabzellen in separaten Wärmeaustauschtaschen angeordnet. Die Wärmeaustauschtaschen werden von einer Kühlflüssigkeit durchströmt. Insgesamt ist die Anordnung von einer elektrisch isolierenden Folie von außen beschichtet. Besonders nachteilig ist bei diesem Vorschlag, dass lediglich die durch die Batterie erzeugte Wärme abgeführt wird, und eine von außen in die Batterie eindringende Wärme nicht abgehalten wird. Außerdem ist die Anordnung von separaten Kühltaschen sperrig und aufwendig.
• Die DE 10 2014 111 645 A1 zeigt ein Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Batterie. Dabei weist das Gehäuse eine doppelte Wand auf, die mit einem Glasfaserwerkstoff befüllt ist. In der so befüllten doppelten Wand wird ein Vakuum erzeugt. Weiter ist ein aktives Element in der doppelten Wand angeordnet, dass aufgeheizt werden kann, um in der doppelten Wand eine Wasserstoffatmosphäre zu erzeugen, und so das Vakuum zu verringern. Dabei kann das aktive Element degradieren, und die Güte des Vakuums variieren. Zudem ist der Innenraum des Gehäuses mit einem porösen Material gefüllt, und kann nicht durch eine Kühlflüssigkeit effizient gekühlt werden.
• Die CN 102751460 A offenbart einen hochtemperaturbeständigen Verbundisolierfilm, Der hochtemperaturbeständige Verbundisolationsfilm wird durch eine Verbindung eines Polyphenylensulfidfilms und einen mikroporösen Polyolefinfilm hergestellt. Der Film wird für die Anwendung in Lithiumionenbatterien verwendet. Jedoch ist der Film ein passives Dämmelement, dessen Dämmeigenschaften nach der Herstellung nicht variiert werden können.
• Bei der WO 2017/029457 A1 sind mehrere benachbarte Module gezeigt, die durch Umlaufmittel miteinander verbunden sind und die jeweils mindestens ein Volumen enthalten, in dem ein Kühlmittel oder Wärmeübertragungsfluid vorhanden ist. Das Kühlmittel und das Wärmeübertragungsfluid können durch die Volumina zirkulieren, um den Wärmehaushalt der Module zu regulieren. Es ist eine Schicht an der Peripherie von mindestens einigen der Module angeordnet, wobei die Schicht thermisch isolierend ist. Die Schicht stellt ein passives Dämmelement dar. Auch dieser Vorschlag stellt eine sperrige und gegenüber einem Wärmeeintrag von außen nicht angepasste Lösung dar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriesystem, also insbesondere dessen Isoliersystem für ein Fahrzeug bereitzustellen, das eine Ist-Temperatur der Batterie des Fahrzeugs optimal und in beständiger Weise auf eine Soll-Temperatur regelt, wobei das Batteriesystem bauraumsparend ausgeführt sein soll.
• Die Aufgabe wird durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner gelingt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
• Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
• Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist für ein Fahrzeug vorgesehen. Insbesondere ist das Fahrzeug ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, das einen Elektromotor und einen anderen Antrieb, z.B. einen Verbrennungsmotor aufweist. Das Batteriesystem weist ein Isoliersystem auf, dass eine Batterie des Batteriesystems wenigstens auf einer Seite bedeckt, und so die Batterie wenigstens teilweise von einer das Batteriesystem umgebenden Umwelt thermisch nach Bedarf abkoppelt. Das Isoliersystem beinhaltet wenigstens eine Dämmplatte. Die Dämmplatte weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, die eine Verbindung mit einem in der Dämmplatte angeordneten Hohlraum nach außen bereitstellen. Der Hohlraum ist in einer luftdichten Hülle der Dämmplatte eingeschlossen, wobei die Anschlüsse durch die Hülle durchgeführt sind. Die Hülle kann durch eine insbesondere thermisch stabile Hülle bereitgestellt werden. Es wird vorgeschlagen in dem Hohlraum ein poröses Material anzuordnen, sodass die Poren des porösen Materials nach der Befüllung den Hohlraum bilden. Als poröses Material wird zielführend mikroporöse Kieselsäure verwendet. Zudem wird vorgeschlagen am ersten Anschluss eine Vakuumpumpe anzuschließen, mit der ein Vakuum in dem mit dem porösen Material gefüllten Hohlraum erzeugt wird. Dabei wird insbesondere aus Poren des porösen Materials ein Gas herausgepumpt, sodass in dem porösen Material ein Vakuum erzeugt wird. Als Vakuumpumpe kann eine in dem Fahrzeug für weitere Systeme vorhandene Vakuumpumpe verwendet werden, sodass günstiger Weise keine zusätzliche Vakuumpumpe in dem Fahrzeug montiert werden muss. Alternativ ist auch eine zusätzliche Vakuumpumpe denkbar, die eigens für das Isoliersystem vorgesehen ist.
• Durch das Erzeugen des Vakuums in Verbindung mit dem porösen Material erreicht das Isoliersystem, also die besagte Dämmplatte eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,004 W/mK bei einem Druck von 10 mbar. Dadurch wird eine hohe thermische Entkopplung einer Batterie von der Umwelt durch das Isolationssystem mit der Dämmplatte erreicht.
• Ferner ist an dem zweiten Anschluss ein Auslassventil angeschlossen, mit dem das Vakuum verringert und/oder entfernt werden kann, indem das Auslassventil geöffnet wird und ein Gas wieder in dem mit dem porösen Material gefüllten Hohlraum strömen kann. Bei einem Druck von 1 bar beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Isoliersystems, also der Dämmplatte ungefähr 0,02 W/mK. Durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit ist ein Transfer thermischer Energie von der Batterie in die Umwelt als auch in umgekehrter Richtung möglich, sodass Abwärme der Batterie als auch der thermische Einfluss der Umwelt auf die Batterie für ein effizientes thermisches Management verwendet werden kann. Somit kann die Batterie durch Steuerung des Druckes innerhalb des mit dem porösen Material gefüllten Hohlraums in einem für den Wirkungsgrad der Batterie optimalen Temperaturbereich betrieben werden.
• Vorteilhafte Weiterbildungen und Alternativen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
• Vorteilhafter Weise kann wenigstens eine Durchführung in der Dämmplatte ausgebildet sein. Durch die Durchführung kann eine Flüssigkeit von einer Seite der Dämmplatte auf eine gegenüberliegende Seite der Dämmplatte geführt werden. Wird nun Flüssigkeit von der einen Seite an die Dämmplatte herangeführt, kann diese durch die Dämmplatte mittels der Durchführung geführt werden, und auf der gegenüberliegenden Seite zur Batterie gebracht werden, um diese zu kühlen. Auf diese Weise kann die Batterie sehr effizient mittels einer Flüssigkeitskühlung gekühlt werden, wenn beispielsweise viel Abwärme oder ein hoher Wärmeeintrag von außen vorliegt. Durch die Flüssigkeit kann auch ein Wärmeeintrag in die Batterie stattfinden, falls sehr niedrige Umgebungstemperaturen der Umwelt vorliegen. Dazu muss lediglich entsprechend erwärmte Flüssigkeit zugeführt werden.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann das Anordnen einer Mehrzahl von Dämmplatten in einem die Batterie beherbergenden Gehäuse beinhalten. Dabei kann die Batterie durch die Dämmplatten umgeben werden. Die Batterie ist dann wenigstens durch die Dämmplatten umringt, sodass wenigstens eine Seite ohne Dämmplatte verbleibt. Alternativ ist die Batterie vollständig von allen Seiten von Dämmplatten umschlossen. Dadurch wird eine Wärmeabstrahlung der Batterie oder ein Wärmeeintrag von außen in die Batterie aus mehreren Richtungen verhindert
• Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse Taschen aufweisen, in die das poröse Material gefüllt werden kann. Die Taschen bilden somit die Hüllen der Dämmplatten, so dass die Dämmplatten quasi in das Gehäuse integriert sind. Die Taschen sind vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet. Dabei können die Taschen wenigstens in einem Teil der Wände des Gehäuses ausgebildet sein. Sie sind vorzugsweise in allen Wänden des Gehäuses ausgebildet. Die Taschen werden insbesondere durch doppelte Wände des Gehäuses bereitgestellt, so dass der zu befüllende Hohlraum gebildet ist. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise des Batteriesystems erreicht.
• Um ein möglichst leistungsstarkes Batteriesystem zu erhalten, ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl an Batterien in dem Gehäuse anzuordnen. Die Mehrzahl der Batterien ist zwischen den Dämmplatten, also in dem Gehäuse angeordnet. Die Batterien sind dabei vorzugsweise voneinander beabstandet. Insbesondere sind sie parallel zueinander ausgerichtet, sodass sich zwischen den Batterien Kanäle für die Flüssigkeit bilden. Die durch die Dämmplatten hindurch geleitete Flüssigkeit umströmt die Batterien zwischen den Dämmplatten, also in dem Gehäuse, sodass ein optimaler Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und in Batterien erfolgen kann.
• Die durch die Dämmplatte hindurch zugeführte Flüssigkeit, wird nach dem Umströmen der Batterie wieder abgeführt und gegebenenfalls gekühlt oder erwärmt, wozu vorhandene Wärmetauscher genutzt werden können, oder zusätzliche Wärmetauscher montiert werden. Zweckmäßig ist, wenn ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf integriert ist, wobei die oder der Wärmetauscher mit Verwendungselementen im Fahrzeug, wie z.B. Klimaanlagen und/oder Innenraumheizungen in Verbindung stehen. So ist der Temperaturbetrag der Flüssigkeit zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums oder zu dessen Erwärmung heranziehbar. Weist das Fahrzeug einen Verbrennungsmotor auf, kann die Flüssigkeit zu dessen thermischen Management, wie z.B. zur Verkürzung der Kaltstartphase herangezogen werden.
• Erfindungsgemäß wird das Isoliersystem durch ein Verfahren gesteuert, dass eine Ist-Temperatur der Batterie in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur der Umwelt und einer Soll-Temperatur der Batterie regelt. Dabei kann die Soll-Temperatur ungefähr in einem Bereich von 30 °C liegen, wobei dieser genannte Betrag um ±10 % abweichen kann. Auf diese Weise kann die Ist-Temperatur der Batterie hervorragend auf den Wert der Soll-Temperatur anhand der Umgebungstemperatur und eine Wärmeabgabe der Batterie geregelt werden. Dazu wird mittels der am ersten Anschluss angeschlossenen Vakuumpumpe in einem Schritt ein Vakuum in dem mit dem porösen Material gefüllten Hohlraum erzeugt, wobei die Batterie von der Umwelt entkoppelt wird, wenn sich die Umgebungstemperatur von der Soll-Temperatur mindestens um eine festgelegte Temperaturdifferenz unterscheidet. Die Temperaturdifferenz ist grundsätzlich von der Batterietechnologie abhängig. Die Temperaturdifferenz beträgt jedoch vorzugsweise 5 K. Es liegt also ein Bereich von +- 5 K um die Soll-Temperatur herum vor.
• In einem weiteren vorteilhaften Schritt kann das Vakuum des Hohlraums durch das Auslassventil entfernt und/oder verringert werden, indem ein Gasstrom in den Hohlraum hineingeleitet wird. Der Gasstrom fühlt insbesondere das poröse Material wieder mit Gas auf. Dieser Schritt wird durchgeführt, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur der Batterie erreicht. Dabei ist es wenigstens von der Umgebungstemperatur abhängig, ob das Vakuum vollständig entfernt wird und nur der Wärmeleitwert des Hohlraums mit dem porösen Material übrigbleibt oder ob das Vakuum lediglich verringert wird, so dass ein gegenüber der vollständigen Entleerung höherer Wärmeleitwert bestehen bleibt. Welcher Wärmeleitwert optimal für das Erhalten der Ist-Temperatur auf dem Niveau der Soll-Temperatur ist, ist abhängig von der Umgebungstemperatur und der Wärmeabgabe der Batterie, die nicht zuletzt von der Leistungsentnahme aus der Batterie bestimmt ist. Durch das optimale Einstellen des Wärmeleitwerts anhand der Größe des Vakuums, also anhand des Druckunterschieds wird ein thermisches Wärmegleichgewicht zwischen der Umgebung und der Batterie eingestellt.
• Vorteilhafterweise kann das Vakuum innerhalb des Hohlraums entfernt und/oder verringert werden, wenn sich das Fahrzeug in einer Parksituation befindet, insbesondere wenn keine Leistungsentnahme aus der Batterie zum Antrieb des Fahrzeugs erfolgt. Die Parksituation zeichnet sich durch ein vorübergehendes Abstellen des Fahrzeugs aus, bei dem der Fahrbetrieb ausgesetzt wird, wobei der Zeitraum kurz vor dem Abstellen des Fahrzeugs zur Parksituation dazuzurechnen ist. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Parksituation können kurz vor dem Abstellen des Fahrzeugs erfolgen, was Anhand von detektierbaren Faktoren feststellbar ist. So kann eine entsprechend Lenktätigkeit feststellbar sein, oder die Fahrgeschwindigkeit unter einem Betrag von 5 km/h festgestellt werden, so dass auf eine bevorstehende Parksituation geschlossen werden kann. Vorzugsweise wird auch eine Leistungsentnahme aus der Batterie in die Parksituation eingestellt. Das Entfernen und/oder das Verringern des Vakuums erfolgt, wenn die Umgebungstemperatur niedriger als oder in etwa gleich wie die Ist-Temperatur ist, allerdings die Umgebungstemperatur innerhalb eines akzeptablen Temperaturbereichs liegt. Der akzeptable Temperaturbereich erstreckt sich dabei vorzugsweise oberhalb und unterhalb der Soll-Temperatur, und liegt insbesondere nahe der Soll-Temperatur. Auf diese Weise kann ein kontrolliertes Kühlen der Batterie gewährleistet werden, so dass beispielsweise eine verringerte Kühlleistung durch die Flüssigkeitskühlung erbracht werden muss. Solch eine Parksituation ist insbesondere abends und nachts an heißen Sommertagen gegeben, an denen das gesamte Fahrzeug stark aufgeheizt wurde, wobei abends und nachts die Umgebungstemperaturen in einem kontrollierbaren Bereich abfallen. In diesem Fall kann die schützende Vakuumisolation entfernt und/oder verringert werden und die Wärme der Batterie/Batterien in die Umgebung abgestrahlt werden.
• Das Verfahren kann um einen Schritt ergänzt werden, der anstelle des vorherigen Schrittes ausgeführt wird. Bei diesem ergänzenden Schritt wird in einer Parksituation ein Vakuum in dem Isoliersystem erzeugt, wenn die Umgebungstemperatur Tex niedriger und/oder höher ist als die Ist-Temperatur der Batterie, jedoch außerhalb des akzeptablen Temperaturbereichs liegt, also die Ist-Temperatur sich insbesondere stark von der Soll-Temperatur unterscheidet. In diesem Fall ist die Ist-Temperatur entweder derart niedrig, dass sie unterhalb des akzeptablen Temperaturbereichs liegt, und das Vakuum erzeugt werden kann, um ein Auskühlen der Batterie zu verhindern. Oder die Ist-Temperatur ist derart hoch, dass sie oberhalb des akzeptablen Temperaturbereichs liegt, wobei das erzeugte Vakuum aber aufrechterhalten bleibt. Insbesondere ist solch ein Schritt vorteilhaft, wenn ein Fahrzeug geparkt wird, da eine Inbetriebnahme des Fahrzeugs nach dem Parken nahezu oder überhaupt ohne ein Angleichen der Ist-Temperatur an die Soll-Temperatur erfolgen kann. Dieser Schritt kann in Parksituationen an sehr heißen Tagen oder sehr kalten Tagen ausgeführt werden.
• Wenn eine Steuerung des Isoliersystems für das Batteriesystem Navigationsdaten und/oder Daten aus einer Wettervorhersagen erhält, ist eine vorteilhafte Abschätzung der Eigenerwärmung der Batterie und des äußeren Wärmeeintrags möglich. Bei dieser Weiterbildung kann das Vakuum entsprechend Verkehrsdaten, Streckendaten, vorausgesagte Fahrtdauer und Tages- und Nachttemperaturen gesteuert werden. Beispielsweise kann bei kaltem Wetter in Anbetracht der genannten Daten das Erzeugen und/oder das Entfernen bzw. das Verringern des Vakuums so gesteuert werden, dass die Batterie bei etwas höheren Temperaturen im Bereich der Soll-Temperatur betrieben wird, so dass einem Kälteeintrag von außen entgegengewirkt wird. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung der Batterie. Die Navigationsdaten können durch ein GPS-Signal und in Verbindung mit einem Navigationssystem erhalten werden. Die Daten der Wettervorhersage können durch einen Internetservice an das Fahrzeug übermittelt werden.
• Mit der Erfindung wird vorteilhaft das Vakuum in dem mit dem porösen Material gefüllten Hohlraum gesteuert, wobei ein Vakuumbetrag von einem Maximum (10mbar) bis zu einem Minimum (1 bar) stufenlos anhand der Vakuumpumpe und des Auslassventils steuerbar, also erzeugbar, reduzierbar und/oder entfernbar ist, wobei noch eine Flüssigkeitskühlung integrierbar, also so steuerbar ist, dass die Batterie/Batterien von Flüssigkeit mit steuerbarem Strömungsbetrag umströmbar ist oder nicht. Die Flüssigkeitskühlung kann bereits vorhanden sein, und in die Steuerstrategie des Vakuums eingebunden werden.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
• 1 ein Batteriesystem mit einem Isoliersystem, welches eine Vakuumpumpe und ein Auslassventil aufweist,
• 2 ein Fahrzeug mit dem Batteriesystem,
• 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Isoliersystems.
• In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 10 gezeigt. In einem Innenraum 13 eines Gehäuses 17 sind Batterien 14 mit einem Abstand parallel zueinander angeordnet. Es können fünf Batterien 14 in dem Gehäuse 17 angeordnet sein, wobei die genannte Batterieanzahl nicht beschränkend sein soll. Es kann auch lediglich eine Batterie 14 vorgesehen sein. Die Batterien 14 sind von einem Isoliersystem 12 umgeben. Das Batteriesystem 10 weist also ein Isoliersystem 12 auf.
• Das Isoliersystem 12 umgibt die Batterien 14 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Querschnitt gesehen an wenigstens vier Seiten, so dass die Batterien 14 durch das Isoliersystem 12 vollständig umhüllt sind. An jeder Seite ist eine Dämmplatte 16 angeordnet, die eine luftdichte Hülle 34 aufweist, deren Hohlraum 20 mit einem porösen Material 26 gefüllt ist, das Poren 28 hat. Als poröses Material 26 kann bevorzugt mikroporöse Kieselsäure verwendet werden. Die Dämmplatten 16 können separat in das Gehäuse 17 hineingesteckt werden. Alternativ kann in dem Gehäuse 17 eine umlaufende Tasche ausgebildet sein, in die das poröse Material 26 eingefüllt wird. Die Wandungen der Tasche bilden dann die Hülle 34 mit dem zu befüllenden Hohlraum 20. Die Tasche ist luftdicht. Die gefüllte Tasche bildet somit die Dämmplatte 16. Es können alternativ eine Vielzahl von Taschen in dem Gehäuse 17 ausgebildet werden, die jeweils mit dem porösen Material 26 gefüllt werden.
• Durch das Isoliersystem 12 können die Batterien 14 von einer Umgebung 19 thermisch abgekoppelt werden. Des Weiteren kann ein Abstrahlen einer Abwärme der Batterien 14 in die Umgebung 19 durch das Isoliersystem 12 reguliert werden. Das Isoliersystem 12 regelt eine Ist-Temperatur Tist der Batterien 14 im Innenraum 13 des Gehäuses 17 in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur Tex in etwa auf einen Bereich um eine Soll-Temperatur Tsoll. Die Soll-Temperatur Tsoll stellt dabei die Betriebstemperatur der Batterien 14 dar, bei welcher die Batterien die beste Leistungsfähigkeit aufweisen, wobei die Betriebstemperatur bei ungefähr 30 °C liegt.
• Die Dämmplatte 16 weist einen ersten Anschluss 181 und einen zweiten Anschluss 182 auf, die mit dem mit dem porösen Material 26 gefüllten Hohlraum 20 innerhalb der Dämmplatte 16 verbunden sind. Dabei durchstoßen der erste und der zweite Anschluss 181, 182 jeweils lediglich eine Außenwandung der Hülle 34. An dem ersten Anschluss 181 ist eine Vakuumpumpe 22 angeschlossen. Mit der Vakuumpumpe 22 wird der Hohlraum 20 und somit die Poren 28 des porösen Materials 26 von einem Gas wie z.B. Luft entleert und somit ein Vakuum innerhalb der Dämmplatte 16 erzeugt. Durch die Vakuumpumpe 22 wird beispielsweise ein Druck von 10 mbar innerhalb der Dämmplatte 16 erzeugt, sodass die Dämmplatte 16 eine Wärmeleitfähigkeit von 0,004 W/mK aufweist. An dem zweiten Anschluss 182 ist ein Auslassventil 24 angeschlossen. Das Auslassventil 24 öffnet den Hohlraum 20, so dass das darin befindliche Vakuum verringert oder entfernt werden kann, indem ein Gasstrom 36 in den Hohlraum 20 geleitet wird. Es kann also Umgebungsluft in den Hohlraum 20 geleitet werden. Bei 1 bar, also bei einem Druck innerhalb der Hülle 34, welcher dem Umgebungsdruck entspricht, weist die Dämmplatte 16 eine höhere Wärmeleitfähigkeit von 0,02 W/mK auf.
• Es sind zwei Durchführungen 30 für eine Flüssigkeit 32 in der die Batterien 14 umgebenden Dämmplatte 16 ausgebildet. Die Durchführungen 30 erstrecken sich durch die Hülle 34, deren Außenwand und Innenwand durchstoßend von einer der Umgebung 19 zugewandten Seite zu dem Innenraum 13.
• Durch eine erste Durchführung 301 wird Flüssigkeit 32 in den Innenraum 13 geleitet, wo sie die Batterien 14 umströmt. Dabei fließt die Flüssigkeit 32 zwischen die zueinander beabstandeten Batterien 14 hindurch. Nach dem Umströmen der Batterien 14 tritt die Flüssigkeit 32 aus einer der ersten Durchführung 301 gegenüberliegenden zweiten Durchführung 302 wieder aus dem Innenraum 13 aus. Die Flüssigkeit 32 wird durch einen Kreislauf und insbesondere einer Flüssigkeitspumpe wieder zurück zur ersten Durchführung 301 geführt, nachdem sie ihre von den Batterien 14 aufgenommene Wärme abgegeben hat. Dadurch wird ein Wärmeaustausch zwischen den Batterien 14 und der Flüssigkeit 32 ermöglicht. Es ist auch denkbar, dass der Flüssigkeitskreislauf für ein Erwärmen der Batterien 14 verwendet wird, insbesondere wenn die Batterien 14 eine sehr niedrige Ist-Temperatur Tist aufweisen.
• Mit der Erfindung wird also eine Flüssigkeitskühlung mit dem innerhalb der Hülle 34 steuerbaren Vakuum zur Verfügung gestellt, wobei die Hülle 34, also dessen Hohlraum 20 mit porösem Material 26 befüllt ist.
• Die Vakuumpumpe 22 kann dabei Bestandteil eines weiteren Systems 23 wie einer Bremsanlage in einem Fahrzeug 11 nach 2 sein. Ebenso kann das Auslassventil 24 Bestandteil solch eines Systems 23 sein. Insbesondere ist die Umgebung 19 außerhalb des Fahrzeuges 11, wo die Umgebungstemperatur Tex vorherrscht. Die Umgebungstemperatur Tex kann durch einen Temperatursensor 27 gemessen werden. Ebenso kann die Ist-Temperatur Tist der Batterien 14 im Batteriesystem 10 durch einen Temperatursensor 27 gemessen werden. Das Auslassventil 24 und die Vakuumpumpe 22 werden durch eine Steuerung 21 gesteuert. In der 2 ist die Steuerung 21 durch eine gestrichelte Linie mit dem Auslassventil 24 und der Vakuumpumpe 22 verbunden, während die Vakuumleitungen durch eine durchgezogene Linie dargestellt sind. Ferner kann die Steuerung 21 mit dem Internet 25 verbunden sein und/oder ein GPS-Signal 29 empfangen, wobei die Steuerung in ein zentrales Steuergerät (CPU) des Fahrzeugs integriert oder als separates Steuergerät ausgeführt sein kann, das mit der CPU kabellos oder kabelgebunden verbunden sein kann.
• Das Ablaufdiagramm in 3 stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern des Isoliersystems 12 dar. Das Verfahren ist in eine Vielzahl von Schritten unterteilt. Um festzustellen, ob das Erzeugen eines Vakuums notwendig ist, muss zuerst die Ist-Temperatur Tist der Batterie 14 und die Umgebungstemperatur Tex in einer Messung 37 festgestellt werden. Die Messung 37 erfolgt anhand der Temperatursensoren 27.
• Wenn die Steuerung 21 durch die Messung 37 feststellt, dass eine Differenz der Soll-Temperatur Tsoll und der Umgebungstemperatur Tex größer als eine oder gleich einer in der Steuerung 21 hinterlegten Temperaturdifferenz dT ist, so beginnt die Vakuumpumpe 22 ein vorzugsweise maximales Vakuum in dem Hohlraum 20 der Dämmplatten 16 zu zeugen. Das Erzeugen 38 des Vakuums erfolgt also unter der Bedingung: $$\text{Tex}-\text{Tsoll}\ge \text{dT mit Tist nicht in Tk}$$

  
• Insbesondere erfolgt das Erzeugen 38 des Vakuums unter dieser Bedingung, wenn die Ist-Temperatur Tist von der Soll-Temperatur Tsoll stark abweicht, vorzugsweise die Ist-Temperatur Tist außerhalb eines akzeptablen Temperaturbereichs Tk liegt. Im Fall einer hohen Umgebungstemperatur Tex schützt das Vakuum vor zusätzlichem Wärmeeintrag in die Batterien 14, so dass sich die Batterien 14 durch ihre Eigenerwärmung in etwa auf die Soll-Temperatur Tsoll erwärmen, wobei ein Überhitzen verhindert wird. Dabei können dT und Tk zusammenfallen.
• Bei einer Umgebungstemperatur Tex, die niedriger als die Soll-Temperatur Tsoll ist, schützt das Vakuum vor der Kälte der Umgebung 19, sodass die Batterien 14 durch ihre Eigenerwärmung in einer angemessenen Zeit in etwa die Soll-Temperatur Tsoll erreichen, da ein Auskühlen verhindert wird. Die Batterien 14 sind also thermisch von der Umgebung 19 entkoppelt. Dieser Fall liegt vor, wenn die Ist-Temperatur Tist kleiner als oder gleich einer Differenz aus der Soll-Temperatur Tsoll und der Hälfte der akzeptablen Temperatur Tk ist. Dies folgt der Bedingung: $$\text{Tsoll}-\text{Tex>}=\text{dT und Tist <}=\text{Tsoll}-\text{Tk/2}$$

  
• Ein Vakuum wird also nicht erzeugt, wenn eine Differenz der Soll-Temperatur Tsoll und der Umgebungstemperatur Tex großer oder gleich der Differenztemperatur dT ist und gleichzeitig die Ist-Temperatur Tist größer oder gleich der Summe aus der Soll-Temperatur Tsoll und der Hälfte der akzeptablen Temperatur Tk ist. Die folgt der Bedingung: $$\text{Tsoll}-\text{Tex>}=\text{dT und Tist >}=\text{Tsoll}+\text{Tk/2}$$

  
• Erreicht die Ist-Temperatur Tist in etwa die vorgegebene Soll-Temperatur Tsoll beispielsweise im Bereich von 30 °C, so wird das Vakuum aus den Dämmplatten 16 entfernt und/oder verringert. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit der Dämmplatten 16 wieder erhöht, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Wärmeeintrag in und Wärmeabfuhr aus den Batterien 14 einstellt. Dieses Verringern und/oder Entfernen 40 des Vakuums unterliegt also der folgenden mathematischen Bedingung, dabei braucht die Ist-Temperatur Tist lediglich in einen vorgegebenen Bereich der Soll-Temperatur Tsoll gelangen: $$\text{Tist}\approx \text{Tsoll}$$

  
• Bei einer Parksituation des Fahrzeuges 11 können die Schritte in zwei unterschiedliche Fälle aufgeteilt werden. Dazu erfolgt ein Prüfen 41 der Umgebungstemperatur Tex und der Ist-Temperatur Tist.
• Kommt die Prüfung 41 zu dem Schluss, dass das Fahrzeug 11 bei einer Umgebungstemperatur Tex geparkt wurde, die niedriger oder gleich der Ist-Temperatur Tist der Batterie 14 ist, dann erfolgt im ersten Fall ein Entfernen und/oder Verringern des Vakuums 42. Jedoch muss die Umgebungstemperatur Tex in dem vorgegebenen, akzeptablen Temperaturbereich Tk um die Soll-Temperatur Tsoll herumliegen. Mit anderen Worten, die Umgebungstemperatur Tex darf nicht zu stark von der Soll-Temperatur Tsoll abweichen. Dem Schritt 42 liegt die Bedingung $$\text{Tex}\le \text{Tist mit Tex in Tk}$$

  

  zu Grunde. Diese Bedingung ist beispielsweise bei Sommernächten oder milden Tagestemperaturen gegeben.
• In einem zweiten Fall, bei dem nun nach einer Fahrt mit dem Fahrzeug 11 die Ist-Temperatur Tist in etwa gleich der Soll-Temperatur also Tist ≈ Tsoll ist, und die Umgebungstemperatur Tex entweder höher oder niedriger als die Ist-Temperatur Tist ist, wird festgestellt, dass die Umgebungstemperatur Tex nicht im akzeptablen Temperaturbereich Tk liegt. Um eine zu starke Abkühlung oder Aufheizung durch eine thermische Kopplung mit der Umgebung 19 zu vermeiden, wird der Schritt dees Erzeugens 44 eines vorzugsweise maximalen Vakuums in der Parksituation unter diesen Bedingungen $$\text{Tex<Tist oder Tex>Tist mit Tex nicht in Tk}$$

  

  eingeleitet. Das Einleiten der Vakuumerzeugung erfolgt kurz vor dem Parken des Fahrzeugs 11.
• In beiden Fällen der Schritte 42, 44 wird die Ist-Temperatur Tist ungefähr bei der Soll-Temperatur Tsoll wenigstens für einen bestimmten Zeitraum beim Parken beibehalten. Das Beibehalten 45 der Ist-Temperatur Tist ermöglicht ein Inbetriebnehmen der Batterie 14 bzw. des Fahrzeugs 11 in diesem gewährleisteten Zeitraum mit einem hohen Wirkungsgrad.
• Die Steuerung 21 des Isoliersystems 12 für das Batteriesystem 10 kann Navigationsdaten beispielsweise über ein GPS-Signal 29 und/oder Daten aus einer Wettervorhersage beispielsweise über Internet 25 empfangen und auswerten, wie in 2 dargestellt. Dadurch erfolgt eine Abschätzung der Erhöhung der Ist-Temperatur Tist der Batterie 14 in Zusammenhang mit der Umgebungstemperatur Tex. Dabei wird das Vakuum entsprechend der Verkehrsdaten, Streckendaten, vorausgesagten Fahrtdauern und Tages- und Nachttemperaturen gesteuert. Beispielsweise kann bei kaltem Wetter durch die Daten das Erzeugen und Entfernen bzw. Verringern des Vakuums so gesteuert werden, dass die Ist-Temperatur Tist der Batterie 14 bei Temperaturen über der Soll-Temperatur Tsoll jedoch im Bereich um die Soll-Temperatur Tsoll herum eingestellt wird, sodass einem Kälteeintrag von außen entgegengewirkt wird.
• Bezugszeichenliste

10

Batteriesystem

11

Fahrzeug

12

Isoliersystem

13

Innenraum

14

Batterie

16

Dämmplatte

17

Gehäuse

181

erster Anschluss

182

zweiter Anschluss

19

Umgebung

20

Hohlraum

21

Steuerung

22

Vakuumpumpe

23

Weiteres vakuumnutzende System

24

Auslassventil

25

Internet

26

poröses Material

27

Temperatursensor

28

Poren

29

GPS

30

Durchführung

301

erste Durchführung

302

zweite Durchführung

32

Flüssigkeit

34

Hülle

36

Gasstrom

37

Messung von Tex und Tist

38

Erzeugen eines Vakuums bei |Tex - Tsoll| ≥ dT

40

Entfernen oder Verringern des Vakuums bei Tist ≈ Tsoll

41

Prüfen der Temperaturen

42

Entfernen oder Verringern des Vakuums bei Tex ≤ Tist mit Tex in Tk

44

Erzeugen eines Vakuums bei Tex < Tist oder Tex > Tist mit Tex nicht in Tk

45

Beibehalten der Tist ≈ Tsoll

• 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 102012214957 A1 [0003]
• DE 102014003413 A1 [0003]
• EP 2744033 A1 [0004]
• DE 102014111645 A1 [0005]
• CN 102751460 A [0006]
• WO 2017/029457 A1 [0007]

Claims (10)

1. Batteriesystem (10) für ein Fahrzeug (11) mit einem Isoliersystem (12) aufweisend eine Batterie (14), die durch das Isoliersystem (12) wenigstens auf einer Seite bedeckt ist, wobei das Isoliersystem (12) eine Dämmplatte (16) mit einem ersten Anschluss (181) und einem zweiten Anschluss (182) an einen Hohlraum (20) in der Dämmplatte (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (20) ein poröses Material (26), insbesondere mikropröse Kieselsäure, angeordnet ist, wobei in dem Hohlraum (20) mittels einer am ersten Anschluss (181) angeschlossenen Vakuumpumpe (22) ein Vakuum erzeugbar ist, und wobei der Hohlraum (29) mittels eines am zweiten Anschluss (182) angeschlossenen Auslassventils (24) belüftbar ist.
2. Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Durchführung (30) in einer Dämmplatte (16) ausgebildet ist, um eine Flüssigkeit (32) von einer Seite auf die gegenüberliegende Seite der Dämmplatte (16) zur Batterie (14) zu führen.
3. Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Dämmplatten (16) in einem die Batterie (14) behausenden Gehäuse (17) angeordnet sind, und die Batterie (14) umgeben.
4. Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülle (34) der Dämmplatte (16) durch eine Tasche im Gehäuse (17) gebildet ist, in die das poröse Material (26) gefüllt ist.
5. Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Batterien (14) in dem Gehäuse (17) angeordnet sind, und zwischen Dämmplatten (16) von der Flüssigkeit (32) umströmt sind.
6. Verfahren zum Steuern eines Isoliersystem (12) für ein Batteriesystem (10) für ein Fahrzeug (11), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isoliersystem (12) wenigstens eine Dämmplatte (16) mit einem Hohlraum (20) aufweist, wobei der Hohlraum (20) einen ersten Anschluss (181) und einen zweiten Anschluss (182) aufweist, wobei eine Umgebungstemperatur Tex, eine Soll-Temperatur Tsoll und eine Ist-Temperatur Tist der Batterie (14) festgestellt wird und in Abhängigkeit der festgellten Temperaturen ein Erzeugen (38) eines insbesondere maximalen Vakuums in dem Hohlraum (20) mittels einer am ersten Anschluss (181) angeschlossenen Vakuumpumpe (22) durchgeführt wird, wenn sich die Umgebungstemperatur Tex von der Soll-Temperatur Tsoll der Batterie (14) um wenigstens eine festgelegte Temperaturdifferenz dT unterscheidet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, aufweisend ferner den Schritt - Entfernen und/oder Verringern (40) des Vakuums des Hohlraums (20) mittels eines am zweiten Anschluss (182) angeschlossenen Auslassventils (24), sodass ein Gasstrom (36) in den Hohlraum (20) hinein erfolgt, wenn die Ist-Temperatur Tist in etwa die Soll-Temperatur Tsoll der Batterie (14) erreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, aufweisend ferner den Schritt - Entfernen und/oder Verringern (42) des Vakuums in einer Parksituation des Fahrzeugs (11), wenn die Umgebungstemperatur Tex niedriger als oder in etwa gleich wie die Ist-Temperatur Tist der Batterie (14) ist, jedoch innerhalb eines akzeptablen Temperaturbereichs Tk der Umgebungstemperatur Tex liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, aufweisend ferner den Schritt - Erzeugen (44) des vorzugsweise maximalen Vakuums in einer Parksituation des Fahrzeugs (11), wenn die Umgebungstemperatur Tex niedriger oder höher als die Ist-Temperatur Tist der Batterie (14) ist, jedoch außerhalb des akzeptablen Temperaturbereichs Tk liegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, wobei Navigationsdaten und Wettervorhersagen zur Schätzung einer Eigeneerwärmung der Batterie (14) herangezogen werden, so dass das Erzeugen und Entfernen des Vakuums entsprechend gesteuert wird.

Images