DE102019101281A1 - Accumulator and soil cultivation device with an accumulator - Google Patents

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Andres Sauerwald
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator (1) mit zumindest einer zwei elektrische Pole (3) aufweisenden Akkumulatorzelle (4) und einer Kühleinrichtung (5) zur Kühlung der Akkumulatorzelle (4). Um einen derartigen Akkumulator (1) vorteilhaft zu kühlen, wird vorgeschlagen, dass die Kühleinrichtung (5) ein Phasenwechselmaterial (6, 7) aufweist, das wärmeleitend mit zumindest einem elektrischen Pol (3) der Akkumulatorzelle (4) verbunden ist. Des Weiteren wird ein Bodenbearbeitungsgerät (2) mit einem solchen Akkumulator (1) vorgeschlagen.The invention relates to an accumulator (1) with at least one accumulator cell (4) having two electrical poles (3) and a cooling device (5) for cooling the accumulator cell (4). In order to advantageously cool such an accumulator (1), it is proposed that the cooling device (5) have a phase change material (6, 7) which is thermally connected to at least one electrical pole (3) of the accumulator cell (4). A soil cultivation device (2) with such an accumulator (1) is also proposed.

Description

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator mit mindestens einer zwei elektrische Pole aufweisenden Akkumulatorzelle und einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Akkumulatorzelle.The invention relates to an accumulator with at least one accumulator cell having two electrical poles and a cooling device for cooling the accumulator cell.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bodenbearbeitungsgerät mit einem elektrischen Verbraucher, einem Akkumulator mit mindestens einer zwei elektrische Pole aufweisenden Akkumulatorzelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den elektrischen Verbraucher und einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Akkumulatorzelle.Furthermore, the invention relates to a soil tillage implement with an electrical consumer, an accumulator with at least one accumulator cell having two electrical poles for providing electrical energy for the electrical consumer and a cooling device for cooling the accumulator cell.

Stand der TechnikState of the art

Akkumulatoren sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Diese verfügen über eine oder mehrere Akkumulatorzellen, die üblicherweise von einem Akkumulatorgehäuse umgeben sind, welches zusätzlich noch ein Batteriemanagementsystem aufnimmt, das der Überwachung, Regelung und dem Schutz des Akkumulators dient, beispielsweise um den Ladezustand des Akkumulators zu erkennen und eine Überladung oder vollständige Entladung der Akkumulatorzellen zu vermeiden.Accumulators are well known in the prior art. These have one or more battery cells, which are usually surrounded by a battery housing, which also accommodates a battery management system that is used to monitor, regulate and protect the battery, for example to detect the state of charge of the battery and overcharge or complete discharge of the battery Avoid accumulator cells.

Bezogen auf einen Akkumulator für ein Reinigungsgerät, ist es im Stand der Technik beispielsweise aus der DE 10 2015 109 954 A1 bekannt, einen Saugluftstrom, der durch ein Gebläse des Reinigungsgerätes erzeugt wird, durch das Akkumulatorgehäuse hindurchzuführen und dabei an einer Umfangsfläche der Akkumulatorzellen vorbeistreichen zu lassen. Die Akkumulatorzellen werden dabei über ihre Umfangsfläche gekühlt, wobei die äußeren Wicklungen der Akkumulatorzellen grundsätzlich besser gekühlt werden als die inneren Wicklungen. Dieser inhomogene Kühleffekt muss bei der Auslegung des Akkumulators berücksichtigt werden.Relative to an accumulator for a cleaning device, it is in the prior art, for example, from DE 10 2015 109 954 A1 known to pass a suction air flow, which is generated by a blower of the cleaning device, through the accumulator housing and thereby pass a circumferential surface of the accumulator cells. The battery cells are cooled over their circumferential surface, the outer windings of the battery cells being fundamentally better cooled than the inner windings. This inhomogeneous cooling effect must be taken into account when designing the battery.

Des Weiteren ist es aus der JP 2002-291669 A bekannt, die elektrischen Pole des Akkumulators mittels eines Abluftstromes eines Reinigungsgerätes zu kühlen, wobei Wärmeenergie des Pols auf den Luftstrom übertragen wird.Furthermore, it is from the JP 2002-291669 A Known to cool the electrical poles of the battery by means of an exhaust air stream from a cleaning device, thermal energy of the pole being transferred to the air stream.

In beiden Fällen ist das den Akkumulator aufweisende Reinigungsgerät so ausgestaltet, dass der Akkumulator durch den Saugluftstrom des Reinigungsgerätes gekühlt wird. Die Kühleinrichtung des Akkumulators funktioniert somit nicht unabhängig von dem Saugbetrieb des Reinigungsgerätes.In both cases, the cleaning device having the accumulator is designed such that the accumulator is cooled by the suction air flow of the cleaning device. The cooling device of the accumulator therefore does not function independently of the suction operation of the cleaning device.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Akkumulator mit einer Kühleinrichtung zu schaffen, welcher eine wirksame Kühlung des Akkumulators ermöglicht, unabhängig von einem Betrieb desjenigen Gerätes, beispielsweise Bodenbearbeitungsgerätes, in welches der Akkumulator eingesetzt ist. Insbesondere soll die Kühleinrichtung des Akkumulators sowohl während eines Ladebetriebs, als auch während eines Entladebetriebs eine wirksame Kühlung des Akkumulators bewirken.Starting from the aforementioned prior art, it is an object of the invention to provide an accumulator with a cooling device which enables effective cooling of the accumulator, regardless of the operation of the device, for example soil cultivation device, in which the accumulator is inserted. In particular, the cooling device of the rechargeable battery is intended to effect effective cooling of the rechargeable battery both during a charging operation and during an unloading operation.

Zur Lösung der Aufgabe wird zunächst ein Akkumulator vorgeschlagen, dessen Kühleinrichtung ein Phasenwechselmaterial (PCM-Material) aufweist, das wärmeleitend mit zumindest einem elektrischen Pol der Akkumulatorzelle verbunden ist.To solve the problem, an accumulator is first proposed, the cooling device of which has a phase change material (PCM material) which is thermally connected to at least one electrical pole of the accumulator cell.

Erfindungsgemäß wird die Akkumulatorzelle nun mittels eines Phasenwechselmaterials über ihre elektrischen Pole gekühlt, die üblicherweise einer stärkeren Wärmebelastung ausgesetzt sind als die Umfangsfläche. Dadurch kann die Akkumulatorzelle homogen gekühlt werden, insbesondere homogen über alle Lagen einer Wicklungsgeometrie. Des Weiteren ist es auch möglich, mehrere Akkumulatorzellen des Akkumulators unabhängig von ihrer Position innerhalb des Akkumulators mit gleichem Erfolg zu kühlen. Der wärmende Kontakt der Pole einer Akkumulatorzelle mit einem Phasenwechselmaterial ermöglicht zudem eine materialabhängige Auslegung der Kühleinrichtung, wobei je nach der Art des Phasenwechselmaterials ein erhöhter Wärmeübergang ab Erreichen einer definierten Temperatur des Phasenwechselmaterials gesteuert werden kann. Jedes Phasenwechselmaterial verfügt über eine charakteristische Phasenübergangstemperatur, beispielsweise Schmelztemperatur, die den Übergang zwischen einem kristallinen Zustand und einem geschmolzenen Zustand des Phasenwechselmaterials angibt. Wenn das Phasenwechselmaterial auf eine Temperatur erwärmt wird, welche über der Schmelztemperatur liegt, nimmt das Phasenwechselmaterial die Energie auf und geht von einem ersten Aggregatzustand, insbesondere einem kristallinen Zustand, in einen zweiten Aggregatzustand, insbesondere flüssigen Zustand, über. Durch die dabei aufgenommene Schmelzwärme kühlt das Phasenwechselmaterial den mit ihm verbundenen Pol der Akkumulatorzelle bzw. infolgedessen auch die gesamte Akkumulatorzelle. Das Phasenwechselmaterial kann des Weiteren auch als PCM-Polymer-Zusammensetzung ausgebildet sein, wobei die für die Zusammensetzung verwendeten Polymere beispielsweise Polyethylene, insbesondere Low Density Polyethylene (LDPE), oder Polymethylmethacrylat (PMMA) sein können. Derartige Zusammensetzungen sind vorteilhaft ausschwitzarm bzw. ausschwitzfrei, mechanisch fest und Wärme-formbeständig, so dass diese beispielsweise als Plattenmaterial hergestellt werden können. Zudem weisen derartige Zusammensetzungen auch eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf. Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial der Kühleinrichtung ein solches mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität von größer als 2 kJ/(kgK). Die Phasenwechselmaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass diese Wärmeenergie verlustarm und über lange Zeit speichern können. Die latente Schmelzwärme, die nach Erreichen der Schmelztemperatur von dem Phasenwechselmaterial absorbiert wird, ist wesentlich größer als die Wärmeenergiemenge, die aufgrund der spezifischen Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials (ohne dessen Phasenumwandlungseffekt) gespeichert werden kann. Beim Aufladen des Phasenwechselmaterials mit Wärmeenergie wird das Material geschmolzen, wobei sehr viel Wärmeenergie aufgenommen werden kann. Die Freigabe der gespeicherten Wärmeenergie findet dann wiederum bei einem Erstarren des Phasenwechselmaterials statt, wobei die zuvor aufgenommene große Wärmeenergiemenge als Erstarrungswärme an die Umgebung abgegeben wird. In dem kleinen durch die Schmelztemperatur bzw. Erstarrungstemperatur des Phasenwechselmaterials vorgegebenen Temperaturbereich wird eine große Menge Wärmeenergie in einer relativ geringen Masse gespeichert. Hinzu kommt, dass die Wärmeenergie aufgrund der Nutzung metastabiler Zustände des Phasenwechselmaterials ohne thermische Isolierung und sehr verlustarm gespeichert werden kann. Als Phasenwechselmaterial für die Kühleinrichtung des Akkumulators kommen grundsätzlich alle solchen Phasenwechselmaterialien in Frage, deren Schmelztemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der für den Betrieb eines Akkumulators typisch ist. Dabei kann besonders vorzugsweise beachtet werden, dass eine gewisse Erwärmung des Akkumulators zu Beginn dessen Ladebetriebs bzw. Entladebetriebs gewünscht ist, um den Akkumulator in einem optimalen Temperaturarbeitsbereich zu laden bzw. zu entladen. Der Akkumulator besitzt üblicherweise eine optimale Leistungsfähigkeit bei höheren Temperaturen, z.B. 50°C oder mehr, während die Lebensdauer durch hohe Temperaturen herabgesetzt wird. Um einen optimalen Temperaturarbeitsbereich - in dem vorgenannten Sinne - zu erreichen, soll sich der Akkumulator möglichst schnell erwärmen. Eine sofortige Kühlung des Akkumulators zu Beginn des Lade- bzw. Entladebetriebs durch die Kühleinrichtung würde das Erreichen des optimalen Temperaturarbeitsbereichs verzögern und dementsprechend die Effizienz des Akkumulators herabsetzen. Das Phasenwechselmaterial der Kühleinrichtung sorgt nun vorteilhaft dafür, dass sich der Akkumulator zunächst bis zu einem optimalen Temperaturarbeitsbereich erwärmen kann, und dann, wenn die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials erreicht ist, verstärkt Wärme des Akkumulators aufgenommen wird. Dabei empfiehlt es sich, dass die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials unmittelbar oberhalb des optimalen Temperaturarbeitsbereichs des Akkumulators liegt. Vorzugsweise zeigen alle Akkumulatorzellen des Akkumulators durch geschickte Wahl der Phasenwechselmaterialien zudem einen zueinander homogenen Temperaturverlauf. Gegenüber einer im Stand der Technik verwendeten konvektiven Kühlung der Akkumulatorzellen ist das Phasenwechselmaterial der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung bis zu der Schmelztemperatur nicht aktiv. Erst bei Erreichen der Schmelztemperatur beginnt das Phasenwechselmaterial seinen Phasenwechsel und entnimmt der Akkumulatorzelle Wärmeenergie, bis eine maximale Wärmeenergieaufnahme des Phasenwechselmaterials erreicht ist.According to the invention, the battery cell is now cooled by means of a phase change material via its electrical poles, which are usually exposed to a greater thermal load than the peripheral surface. As a result, the accumulator cell can be cooled homogeneously, in particular homogeneously over all layers of a winding geometry. Furthermore, it is also possible to cool a plurality of accumulator cells of the accumulator with the same success regardless of their position within the accumulator. The warm contact of the poles of an accumulator cell with a phase change material also enables a material-dependent design of the cooling device, an increased heat transfer being able to be controlled depending on the type of phase change material once a defined temperature of the phase change material has been reached. Each phase change material has a characteristic phase transition temperature, for example melting temperature, which indicates the transition between a crystalline state and a molten state of the phase change material. When the phase change material is heated to a temperature which is above the melting temperature, the phase change material absorbs the energy and changes from a first state of aggregation, in particular a crystalline state, to a second state of aggregation, in particular a liquid state. Due to the heat of fusion absorbed in the process, the phase change material cools the pole of the battery cell connected to it, and consequently also the entire battery cell. The phase change material can also be designed as a PCM polymer composition, the polymers used for the composition being, for example, polyethylenes, in particular low density polyethylene (LDPE), or polymethyl methacrylate (PMMA). Such compositions are advantageously low-exudation or exudation-free, mechanically strong and Resistant to heat, so that they can be manufactured as sheet material, for example. In addition, such compositions also have improved thermal conductivity. The phase change material of the cooling device is preferably one with a high specific heat capacity of greater than 2 kJ / (kgK). The phase change materials are characterized by the fact that this thermal energy can be stored with little loss and for a long time. The latent heat of fusion, which is absorbed by the phase change material after the melting temperature is reached, is substantially greater than the amount of thermal energy that can be stored due to the specific heat capacity of the phase change material (without its phase change effect). When the phase change material is charged with thermal energy, the material is melted, and a great deal of thermal energy can be absorbed. The stored thermal energy is then released again when the phase change material solidifies, the previously absorbed large amount of thermal energy being released into the environment as solidifying heat. In the small temperature range predetermined by the melting temperature or solidification temperature of the phase change material, a large amount of thermal energy is stored in a relatively small mass. In addition, due to the use of metastable states of the phase change material, the thermal energy can be stored without thermal insulation and with very little loss. All phase change materials whose melting temperature is in a temperature range that is typical for the operation of an accumulator are fundamentally possible as the phase change material for the cooling device of the accumulator. It can be particularly preferably noted that a certain warming of the battery is desired at the start of its charging or discharging operation in order to charge or discharge the battery in an optimal temperature working range. The accumulator usually has an optimal performance at higher temperatures, for example 50 ° C or more, while the service life is reduced by high temperatures. In order to achieve an optimal temperature working range - in the aforementioned sense - the accumulator should warm up as quickly as possible. Immediate cooling of the battery at the beginning of the charging or discharging operation by the cooling device would delay the achievement of the optimal temperature working range and would accordingly reduce the efficiency of the battery. The phase change material of the cooling device now advantageously ensures that the battery can first heat up to an optimal temperature working range, and then, when the melting temperature of the phase change material is reached, heat of the battery is increasingly absorbed. It is recommended that the melting temperature of the phase change material is immediately above the optimal temperature working range of the battery. By cleverly selecting the phase change materials, all the battery cells of the battery preferably also show a temperature curve which is homogeneous with respect to one another. Compared to convective cooling of the battery cells used in the prior art, the phase change material of the cooling device according to the invention is not active up to the melting temperature. Only when the melting temperature is reached does the phase change material begin its phase change and remove thermal energy from the battery cell until a maximum thermal energy absorption of the phase change material is reached.

Das Phasenwechselmaterial ist mit den Akkumulatorzellen vorteilhaft so verbunden, dass Gas aus den Akkumulatorzellen austreten kann. Entsprechend ist ein Ventil der Akkumulatorzelle freigehalten, um einen sog. „thermal runaway“ zu verhindern. Alternativ kann das Phasenwechselmaterial das Ventil der Akkumulatorzelle auch vollständig überdecken, sofern dann eine Sollbruchstelle in dem Phasenwechselmaterial vorgesehen ist, die bei der mit einem Gasaustritt einhergehenden mechanischen Belastung bzw. Temperaturerhöhung bricht und Gas ungehindert aus der Akkumulatorzelle entweichen lässt. Der Akkumulator im Sinne der Erfindung kann bspw. ein Lithium-Ionen-Akku oder auch ein sog. Post-Lithium-Ionen-Akku sein, der eine Lithium-Schwefel-Technologie oder ähnliches nutzt. Auch weitere Akkumulatoren können von der Erfindung profitieren.The phase change material is advantageously connected to the battery cells in such a way that gas can escape from the battery cells. Accordingly, a valve of the battery cell is kept free to prevent a so-called "thermal runaway". Alternatively, the phase change material can also completely cover the valve of the battery cell, provided that a predetermined breaking point is then provided in the phase change material, which breaks when the mechanical stress or temperature increase associated with a gas leak occurs, and gas can escape unhindered from the battery cell. The accumulator in the sense of the invention can, for example, be a lithium-ion battery or also a so-called post-lithium-ion battery that uses lithium-sulfur technology or the like. Other batteries can also benefit from the invention.

Es wird vorgeschlagen, dass der Akkumulator einen Zellenverbinder aufweist, welcher die elektrischen Pole zumindest zweier Akkumulatorzellen elektrisch und thermisch leitend miteinander verbindet und wärmeleitend einerseits mit den elektrischen Polen und andererseits mit dem Phasenwechselmaterial verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung sind die elektrischen Pole der Akkumulatorzellen nicht unmittelbar mit dem Phasenwechselmaterial der Kühleinrichtung verbunden. Vielmehr sind die Pole zunächst thermisch und elektrisch leitend an den Zellenverbinder gekoppelt, wobei dieser dann wiederum mit dem Phasenwechselmaterial der Kühleinrichtung verbunden ist, welches die Wärmeenergie der Akkumulatorzellen aufnimmt.It is proposed that the accumulator have a cell connector which connects the electrical poles of at least two accumulator cells to one another in an electrically and thermally conductive manner and is thermally conductively connected to the electrical poles on the one hand and to the phase change material on the other. In this configuration, the electrical poles of the battery cells are not directly connected to the phase change material of the cooling device. Rather, the poles are first thermally and electrically conductively coupled to the cell connector, which in turn is then connected to the phase change material of the cooling device, which absorbs the thermal energy of the battery cells.

Es wird vorgeschlagen, dass das Phasenwechselmaterial den Zellenverbinder unmittelbar kontaktiert und/oder dass das Phasenwechselmaterial ein zwischen dem Zellenverbinder und dem Phasenwechselmaterial angeordnetes, elektrisch isolierendes Wärmeleitelement kontaktiert. In dem Fall, dass das Phasenwechselmaterial elektrisch isolierend ausgebildet ist, kann dieses unmittelbar auch mit mehreren Zellenverbindern verbunden sein, wobei die Wärme des Akkumulators von den Zellenverbindern direkt auf das Phasenwechselmaterial übertragen wird, während gleichzeitig durch die elektrisch isolierende Eigenschaft des Phasenwechselmaterials verhindert ist, dass das Phasenwechselmaterial Pole der Akkumulatorzellen kurzschließt. Wenn das Phasenwechselmaterial hingegen elektrisch leitfähig ist - oder auch unabhängig davon -, kann zusätzlich ein elektrisch isolierendes Wärmeleitelement zwischen dem Zellenverbinder und dem Phasenwechselmaterial vorgesehen sein, so dass der Akkumulator zumindest eine elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Schicht aufweist, die den Zellenverbinder bzw. die Akkumulatorzellen wärmeleitend mit dem Phasenwechselmaterial verbindet. Durch die elektrische Isolation ist ein Kurzschließen der Akkumulatorzellen verhindert.It is proposed that the phase change material make direct contact with the cell connector and / or that the phase change material contact an electrically insulating heat-conducting element arranged between the cell connector and the phase change material. In the event that the phase change material is designed to be electrically insulating, it can also be connected directly to a plurality of cell connectors, the heat of the battery being dependent on the Cell connectors are transferred directly to the phase change material, while at the same time the electrically insulating property of the phase change material prevents the phase change material from short-circuiting the poles of the battery cells. If, on the other hand, the phase change material is electrically conductive - or also independently of it - an electrically insulating heat-conducting element can additionally be provided between the cell connector and the phase change material, so that the accumulator has at least one electrically insulating and thermally conductive layer which comprises the cell connector or the accumulator cells thermally connects with the phase change material. The electrical insulation prevents the battery cells from being short-circuited.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von größer als 25°C und kleiner als 80°C aufweist. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von größer als 40°C und kleiner als 60°C aufweist. Die Schmelztemperatur ist vorzugsweise so hoch, dass der Akkumulator vor Erreichen der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials einen optimalen Temperaturarbeitsbereich erreicht. Dies kann bspw. bei ungefähr 50°C der Fall sein. Unterhalb der Schmelztemperatur wird der Akkumulator während eines Lade- oder Entladebetriebs zunächst wie üblich erwärmt, so dass er einen möglichst geringen Innenwiderstand aufweist. Erst wenn die Temperatur des Akkumulators so hoch ist, dass die Nachteile einer vorzeitigen Alterung oder Reduzierung einer möglichen Betriebsdauer des Akkumulators nicht mehr durch die Vorteile der erhöhten Betriebstemperatur überwogen werden, nimmt das Phasenwechselmaterial die Wärmeenergie des Akkumulators als Schmelzwärme auf und geht beispielsweise von einem kristallinen Zustand in einen flüssigen Zustand über. Es sei hier erwähnt, dass auch andere Phasenübergänge stattfinden können, beispielsweise Phasenübergänge zwischen zwei unterschiedlichen kristallinen Strukturen oder ein Phasenübergang zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase.It is further proposed that the phase change material have a melting temperature of greater than 25 ° C and less than 80 ° C. In particular, it is proposed that the phase change material have a melting temperature of greater than 40 ° C and less than 60 ° C. The melting temperature is preferably so high that the accumulator reaches an optimal temperature working range before the melting temperature of the phase change material is reached. This can be the case, for example, at approximately 50 ° C. Below the melting temperature, the battery is initially heated as usual during a charging or discharging operation, so that it has the lowest possible internal resistance. Only when the temperature of the battery is so high that the disadvantages of premature aging or reduction of a possible operating time of the battery are no longer outweighed by the advantages of the increased operating temperature, does the phase change material absorb the thermal energy of the battery as heat of fusion and assume, for example, a crystalline one State into a liquid state. It should be mentioned here that other phase transitions can also take place, for example phase transitions between two different crystalline structures or a phase transition between a liquid and a gaseous phase.

Es kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung mehrere Phasenwechselmaterialien mit zueinander unterschiedlichen Schmelztemperaturen aufweist. Durch die Kombination verschiedener Phasenwechselmaterialien kann Wärmeenergie bei Erreichen verschiedener Schmelztemperaturen aufgenommen werden, so dass sich ein gewünschtes Temperaturprofil des Akkumulators genauer einstellen lässt. Beispielsweise kann bei einer niedrigeren Temperatur von 35°C zunächst ein erstes Phasenwechselmaterial Wärmeenergie aufnehmen, wobei bei Erreichen einer höheren Temperatur von bspw. 50°C dann die Schmelztemperatur eines zweiten Phasenwechselmaterials erreicht ist und eine noch größere Wärmeenergiemenge aufgenommen werden kann. Somit können geringere Temperaturen zunächst in höherem Maße von der Kühleinrichtung toleriert werden, während bei fortschreitendem Ansteigen der Temperatur des Akkumulators dann nacheinander mehrere Phasenwechselmaterialien Wärmeenergie absorbieren können.It can be provided that the cooling device has several phase change materials with different melting temperatures. By combining different phase change materials, thermal energy can be absorbed when different melting temperatures are reached, so that a desired temperature profile of the battery can be set more precisely. For example, at a lower temperature of 35 ° C, a first phase change material can initially absorb thermal energy, and when a higher temperature of, for example, 50 ° C is reached, the melting temperature of a second phase change material is reached and an even greater amount of thermal energy can be absorbed. Thus, lower temperatures can initially be tolerated to a greater extent by the cooling device, while a plurality of phase change materials can then absorb thermal energy in succession as the temperature of the rechargeable battery increases.

Das Phasenwechselmaterial kann als Folie oder Platte ausgebildet sein oder in eine Folie oder Platte eingebettet sein. Insbesondere bei einer plattenförmigen Ausbildung des Phasenwechselmaterials kann das Phasenwechselmaterial lösbar an dem Akkumulator angeordnet sein, so dass das Phasenwechselmaterial nach einem Lade- oder Entladevorgang des Akkumulators entnommen und die gespeicherte Wärme gelöscht werden kann. Das Phasenwechselmaterial kann danach wieder mit dem Akkumulator verbunden werden oder durch ein nicht mit Wärmeenergie geladenes Phasenwechselmaterial ersetzt werden. Durch die austauschbar gestaltete Art des Phasenwechselmaterials kann der Akkumulator schneller wieder verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, den Phasenwechsel abzuwarten.The phase change material can be designed as a film or plate or can be embedded in a film or plate. In particular in the case of a plate-shaped design of the phase change material, the phase change material can be arranged detachably on the accumulator, so that the phase change material can be removed after the accumulator has been charged or discharged and the stored heat can be extinguished. The phase change material can then be reconnected to the accumulator or replaced by a phase change material that is not charged with thermal energy. Due to the interchangeably designed type of phase change material, the accumulator can be used again more quickly. It is not necessary to wait for the phase change.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator ein Array aus einer Vielzahl von neben- und/oder hintereinander angeordneten Akkumulatorzellen aufweist, wobei eine Akkumulatorzelle, welche mittig in dem Array angeordnet ist und/oder eine höhere Erwärmung aufweist als andere Akkumulatorzellen des Arrays, ein Phasenwechselmaterial mit einer gegenüber dem Phasenwechselmaterial der anderen Akkumulatorzellen größeren Schichtdicke und/oder Flächenausdehnung und/oder geringeren Schmelztemperatur zugeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial des Akkumulators kann somit von Akkumulatorzelle zu Akkumulatorzelle variieren. Akkumulatorzellen des Akkumulators, die sich stärker erwärmen, bspw. solche, die in der Mitte eines Arrays, d.h. Akku-Packs, angeordnet sind, können bspw. eine größere Materialdicke aufweisen und/oder eine geringere Schmelztemperatur haben. Dadurch kann das diesen Akkumulatorzellen zugeordnete Phasenwechselmaterial eine höhere Wärmeenergiemenge aufnehmen oder bereits bei niedrigeren Temperaturen Wärmeenergie aufnehmen. Die Kühleinrichtung kann somit besonders individuell an die einzelnen Erfordernisse der Akkumulatorzellen angepasst werden.Furthermore, it can be provided that the accumulator has an array of a plurality of accumulator cells arranged next to and / or one behind the other, an accumulator cell which is arranged in the center of the array and / or has a higher temperature than other accumulator cells of the array Phase change material with a larger layer thickness and / or surface area and / or lower melting temperature than the phase change material of the other battery cells is assigned. The phase change material of the battery can thus vary from battery cell to battery cell. Accumulator cells of the accumulator that heat up more, e.g. those that are in the middle of an array, i.e. Battery packs are arranged, for example, can have a greater material thickness and / or a lower melting temperature. As a result, the phase change material assigned to these accumulator cells can absorb a higher amount of thermal energy or absorb thermal energy even at lower temperatures. The cooling device can thus be adapted particularly individually to the individual requirements of the battery cells.

Es wird vorgeschlagen, dass das Phasenwechselmaterial der Kühleinrichtung ebenfalls eine Schutzelektronik des Akkumulators wärmeleitend kontaktiert. Gemäß dieser Ausgestaltung sind nicht nur die Pole der Akkumulatorzellen, sondern auch die Schutzelektronik wärmeleitend mit dem Phasenwechselmaterial verbunden, d.h. diejenigen Bauteile, die neben den Akkumulatorzellen ebenfalls besonders warm werden. Eine optimale Funktionsweise der Schutzelektronik kann somit sichergestellt werden.It is proposed that the phase change material of the cooling device also contacts protective electronics of the accumulator in a heat-conducting manner. According to this configuration, not only the poles of the battery cells, but also the protective electronics are thermally conductively connected to the phase change material, that is to say those components which, in addition to the battery cells, are also get particularly warm. An optimal functioning of the protective electronics can thus be ensured.

Eine Ausführung kann des Weiteren vorsehen, dass eine und/oder mehrere Akkumulatorzellen von einem thermisch isolierenden Material umgeben sind, wobei das thermisch isolierende Material zumindest eine Zellenumfangsfläche der Akkumulatorzelle umgibt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das thermisch isolierende Material auch das den Polen zugeordnete Phasenwechselmaterial mit umgibt. Optional kann somit zusätzlich thermisch isolierendes Material um die Zellenumfangsfläche und ggf. auch um das Phasenwechselmaterial angeordnet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass die Akkumulatorzellen während eines Lade- oder Entladebetriebs anfänglich schneller auf Betriebstemperatur erwärmt und dann über ihre Pole gekühlt werden, wenn die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials erreicht ist. Dies führt zu einer schnelleren Erwärmung der Akkumulatorzelle auf eine optimale Betriebstemperatur und gezielte Abführung von Wärmeenergie, wenn die Akkumulatorzelle zu warm wird, was vorzugsweise bei Erreichen der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials der Fall ist. Das thermisch isolierende Material kann dabei wie vorgeschlagen beispielsweise nur die Umfangsfläche der Akkumulatorzelle, oder auch den gesamten Akkumulator umgeben.An embodiment can further provide that one and / or more battery cells are surrounded by a thermally insulating material, the thermally insulating material surrounding at least one cell peripheral surface of the battery cell. In particular, it can be provided that the thermally insulating material also surrounds the phase change material assigned to the poles. Optionally, additional thermally insulating material can thus be arranged around the cell peripheral surface and possibly also around the phase change material. It can thereby be achieved that the battery cells are initially heated to operating temperature more quickly during a charging or discharging operation and then cooled via their poles when the melting temperature of the phase change material is reached. This leads to faster heating of the battery cell to an optimal operating temperature and targeted dissipation of thermal energy if the battery cell becomes too warm, which is preferably the case when the melting temperature of the phase change material is reached. As proposed, the thermally insulating material can, for example, surround only the peripheral surface of the battery cell or the entire battery.

Statt das Phasenwechselmaterial direkt mit den Polen bzw. dem Zellenverbinder der Akkumulatorzellen zu verbinden, ggf. unter Zwischenanordnung einer elektrisch isolierenden Wärmeleitschicht, können die Akkumulatorzellen auch jeweils separat auf einer Leiterplatte montiert werden, wobei das Phasenwechselmaterial dann wärmeleitend mit der Leiterplatte verbunden wird, so dass das Phasenwechselmaterial die Leiterplatte kontaktiert.Instead of connecting the phase change material directly to the poles or the cell connector of the battery cells, possibly with the interposition of an electrically insulating heat-conducting layer, the battery cells can also be mounted separately on a circuit board, the phase change material then being connected to the circuit board in a heat-conducting manner, so that the phase change material contacts the circuit board.

Des Weiteren ist es möglich, dass die Kühleinrichtung zusätzlich zu dem Phasenwechselmaterial ein weiteres Kühlelement aufweist, beispielsweise kann die Kühleinrichtung des Akkumulators auch ein oder mehrere Peltierelemente zur aktiven Kühlung der Pole der Akkumulatorzellen aufweisen. Des Weiteren ist es auch zusätzlich zu dem Phasenwechselmaterial möglich, den Akkumulator bzw. dessen Akkumulatorzellen konvektiv zu kühlen, d.h. mit einem Luftstrom zu beaufschlagen. Der Luftstrom kann vor und/oder während eines Lade- oder Entladebetriebs des Akkumulators genutzt werden, um beispielsweise eine bereits von dem Phasenwechselmaterial aufgenommene Energiemenge schneller abzuführen. Beispielsweise kann der Akkumulator oder ein Ladegerät für den Akkumulator ein Gebläse aufweisen. Dabei ist es auch denkbar, dass ein Peltierelement die Temperatur der Luftströmung weiter reduziert, falls eine Umgebungstemperatur zu hoch für eine Abkühlung des Phasenwechselmaterials ist. Falls die Temperatur des Akkumulators zu gering ist, um eine optimale Betriebstemperatur darzustellen, kann die Temperatur zusätzlich oder alternativ durch Heizelemente erhöht werden oder ein Gebläse so angesteuert werden, dass ein kühlender Luftstrom reduziert wird. Die Wirkung des Phasenwechselmaterials kann zudem verstärkt werden, indem noch ein klassischer Wärmespeicher wie bspw. Polypropylen (PP) genutzt wird oder Wärme des Phasenwechselmaterials über zusätzliche Wärmeleitmaterialien in die Umgebung abgeführt wird, zum Beispiel über thermisch mit dem Akkumulatorgehäuse gekoppelte Wärmeleitelemente.Furthermore, it is possible for the cooling device to have a further cooling element in addition to the phase change material, for example the cooling device of the battery can also have one or more Peltier elements for active cooling of the poles of the battery cells. Furthermore, in addition to the phase change material, it is also possible to convectively cool the accumulator or its accumulator cells, i.e. to apply an air flow. The air flow can be used before and / or during a charging or discharging operation of the rechargeable battery in order, for example, to dissipate an amount of energy already absorbed by the phase change material more quickly. For example, the accumulator or a charger for the accumulator can have a blower. It is also conceivable that a Peltier element further reduces the temperature of the air flow if an ambient temperature is too high for the phase change material to cool down. If the temperature of the accumulator is too low to represent an optimal operating temperature, the temperature can be increased additionally or alternatively by heating elements or a blower can be controlled so that a cooling air flow is reduced. The effect of the phase change material can also be enhanced by using a conventional heat storage device such as polypropylene (PP) or by dissipating heat from the phase change material into the environment via additional heat-conducting materials, for example via heat-conducting elements thermally coupled to the accumulator housing.

Neben dem zuvor beschriebenen Akkumulator wird mit der Erfindung des Weiteren ein Bodenbearbeitungsgerät mit einem elektrischen Verbraucher, einem Akkumulator mit mindestens einer zwei elektrische Pole aufweisenden Akkumulatorzelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den elektrischen Verbraucher und einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Akkumulatorzelle vorgeschlagen, wobei der Akkumulator wie zuvor beschrieben ausgeführt ist. Der Akkumulator des erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsgerätes weist somit eine Kühleinrichtung mit einem Phasenwechselmaterial auf, das wärmeleitend mit zumindest einem elektrischen Pol der Akkumulatorzelle verbunden ist. Der Akkumulator kann ein unlösbar mit dem Bodenbearbeitungsgerät verbundener Akkumulator sein, oder auch ein lösbar mit dem Bodenbearbeitungsgerät verbundener Akkumulator, welcher entnommen und ausgetauscht werden kann. Die weiteren Merkmale und Vorteile des Bodenbearbeitungsgerätes ergeben sich, wie zuvor in Bezug auf den erfindungsgemäßen Akkumulator beschrieben.In addition to the previously described accumulator, the invention also proposes a tillage device with an electrical consumer, an accumulator with at least one accumulator cell having two electrical poles for providing electrical energy for the electrical consumer and a cooling device for cooling the accumulator cell, the accumulator as is previously described. The accumulator of the soil tillage implement according to the invention thus has a cooling device with a phase change material which is thermally connected to at least one electrical pole of the accumulator cell. The accumulator can be an accumulator permanently connected to the tillage implement, or also an accumulator releasably connected to the tillage implement, which can be removed and exchanged. The further features and advantages of the tillage implement result, as previously described in relation to the accumulator according to the invention.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein erfindungsgemäßes Bodenbearbeitungsgerät,
  • 2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bodenbearbeitungsgerät,
  • 3 einen erfindungsgemäßen Akkumulator,
  • 4 den Akkumulator gemäß 3 entlang der Schnittlinie IV,
  • 5 einen Akkumulator gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 6 einen Akkumulator gemäß einer dritten Ausführungsform,
  • 7 einen Akkumulator gemäß einer vierten Ausführungsform.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. Show it:
  • 1 a soil tillage implement according to the invention,
  • 2nd 2 shows a longitudinal section through a tillage implement according to the invention,
  • 3rd an accumulator according to the invention,
  • 4th the accumulator according 3rd along the section line IV,
  • 5 an accumulator according to a second embodiment,
  • 6 an accumulator according to a third embodiment,
  • 7 an accumulator according to a fourth embodiment.

Beschreibung der Ausführungsformen Description of the embodiments

Die 1 und 2 zeigen ein Bodenbearbeitungsgerät 2, welches als sich selbsttätig fortbewegender Saugroboter ausgebildet ist. Obwohl die Erfindung hier anhand eines autonomen Reinigungsgerätes erläutert wird, kann die Erfindung ebenso Anwendung bei anders ausgebildeten Bodenbearbeitungsgeräten 2 finden. Bezogen auf die ferner in den 3 bis 7 dargestellten Akkumulatoren 1, sind die Ausführungen unabhängig von der Art des Bodenbearbeitungsgerätes 2, zu dessen Energieversorgung der jeweilige Akkumulator 1 dient.The 1 and 2nd show a soil tillage implement 2nd , which is designed as a self-propelled vacuum robot. Although the invention is explained here on the basis of an autonomous cleaning device, the invention can also be used with differently designed tillage devices 2nd Find. Related to the further in the 3rd to 7 shown accumulators 1 , the designs are independent of the type of soil tillage implement 2nd , for the energy supply of the respective accumulator 1 serves.

Das Bodenbearbeitungsgerät 2 gemäß den 1 und 2 verfügt über ein Gehäuse 21, elektromotorisch angetriebene Räder 14 zur Fortbewegung des Bodenbearbeitungsgerätes 2 sowie zumindest ein Bodenbearbeitungselement 15, hier bspw. eine elektromotorisch angetriebene Reinigungswalze, welche eine Vielzahl von Borstenbüscheln zur Einwirkung auf eine zu reinigende Fläche trägt. Das Bodenbearbeitungselement 15 ist einem Saugmund 19 zugeordnet, welcher über einen Strömungskanal 20 von dem Unterdruck eines Gebläses 16 beaufschlagbar ist. Das Gebläse 16 wird mittels eines Motors angetrieben, welcher einen elektrischen Verbraucher 13 des Bodenbearbeitungsgerätes 2 darstellt. Das Gebläse 16 fördert Sauggut von der zu reinigenden Fläche durch den Strömungskanal 20, wobei das Sauggut in einer Sauggutkammer 17 mit einem Filter 18 zurückgehalten wird, so dass ausschließlich gereinigte Luft zu dem Gebläse 16 strömen kann. Dem Gebläse 16 sowie ggf. auch weiteren elektrischen Verbrauchern 13 des Bodenbearbeitungsgerätes 2 ist, zur Energieversorgung ein Akkumulator 1 zugeordnet.The tillage implement 2nd according to the 1 and 2nd has a housing 21 , electric motor driven wheels 14 for moving the tillage implement 2nd and at least one tillage element 15 , here for example an electromotive driven cleaning roller, which carries a plurality of bristle tufts for acting on a surface to be cleaned. The tillage element 15 is a suction mouth 19th assigned which via a flow channel 20 from the vacuum of a blower 16 is acted upon. The blower 16 is driven by a motor, which is an electrical consumer 13 of the soil tillage implement 2nd represents. The blower 16 conveys suction material from the surface to be cleaned through the flow channel 20 , the suction material in a suction chamber 17th with a filter 18th is retained, so that only cleaned air to the blower 16 can flow. The blower 16 and possibly also other electrical consumers 13 of the soil tillage implement 2nd is an accumulator for energy supply 1 assigned.

Der Akkumulator 1 wird mittels einer Kühleinrichtung 5 gekühlt. Ein möglicher Aufbau eines Akkumulators 1 mit einer Vielzahl von Akkumulatorzellen 4 ist in 3 dargestellt. Der Akkumulator 1 ist als sog. „Akku-Pack“ ausgebildet, welcher ein Array aus einer Vielzahl von Akkumulatorzellen 4 aufweist, die neben- und hintereinander angeordnet sind. Jede Akkumulatorzelle 4 ist hier bspw. zylindrisch ausgebildet, könnte jedoch auch eine andere Form aufweisen. Die Akkumulatorzellen 4 verfügen über eine Zellenumfangsfläche 12, die hier der Zylinderumfangsfläche entspricht. An den Stirnseiten verfügen die Akkumulatorzellen 4 über elektrische Pole 3, die ihrem elektrischen Potential entsprechend mit Zellenverbindern 8 zusammengeschaltet sind. Dabei ist jeweils ein negativer Pol 3 einer ersten Akkumulatorzelle 4 an einen positiven Pol 3 einer zweiten Akkumulatorzelle 4 angeschlossen. Der Akkumulator 1 weist des Weiteren ein Batteriemanagementsystem 22 auf, welches unter anderem eine Schutzelektronik 10 beinhaltet, die unter anderem die Aufgabe hat, ein Überladen bzw. vollständiges Entladen der Akkumulatorzellen 4 zu verhindern. Der Zellenverbinder 8 besteht üblicherweise aus Metall und ist elektrisch sowie thermisch leitend. Wie in den 4 bis 7 dargestellt, setzt sich der Zellenverbinder 8 auf beiden Seiten des Akkumulators 1 fort.The accumulator 1 is by means of a cooling device 5 chilled. A possible construction of an accumulator 1 with a variety of battery cells 4th is in 3rd shown. The accumulator 1 is designed as a so-called "battery pack", which is an array of a large number of battery cells 4th has, which are arranged side by side and one behind the other. Every accumulator cell 4th is cylindrical, for example, but could also have a different shape. The accumulator cells 4th have a cell peripheral area 12th , which corresponds to the circumferential surface of the cylinder. The accumulator cells have on the front sides 4th about electrical poles 3rd that match their electrical potential with cell connectors 8th are interconnected. There is a negative pole in each case 3rd a first battery cell 4th to a positive pole 3rd a second battery cell 4th connected. The accumulator 1 also has a battery management system 22 on which, among other things, protective electronics 10th includes, among other things, the task of overloading or completely discharging the battery cells 4th to prevent. The cell connector 8th usually consists of metal and is electrically and thermally conductive. As in the 4th to 7 shown, the cell connector sits 8th on both sides of the accumulator 1 away.

Im Folgenden werden beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungen eines Akkumulators 1 mit Bezug zu den 4 bis 7 näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Akkumulator 1.The following are exemplary embodiments of an accumulator according to the invention 1 with reference to the 4th to 7 explained in more detail. The figures each show a section through an accumulator 1 .

4 zeigt den in 3 dargestellten Akkumulator 1 entlang der Schnittlinie IV. Der Akkumulator 1 weist mehrere Akkumulatorzellen 4 auf. Die Pole 3 der Akkumulatorzellen 4 sind mittels der Zellenverbinder 8 sowohl thermisch als auch elektrisch leitend verbunden. Auf der von den Polen 3 abgewandten Seite der Zellenverbinder 8 befindet sich ein elektrisch isolierendes Wärmeleitelement 9, welches eine elektrische Isolierung bei möglichst guter thermischer Leitfähigkeit bereitstellt. Beispielsweise besteht das Wärmeleitelement 9 aus einer elektrisch nicht leitfähigen Wärmeleitpaste, einem Wärmeleitöl, Silikonöl, Zinkoxid oder ähnlichem. Des Weiteren kann das Wärmeleitelement 9 auch ein Wärmeleitpad aus einer Silikongummifolie oder Polyamidfolie sein. Grundsätzlich sind zur Ausbildung des Wärmeleitelementes 9 alle Materialien geeignet, die eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/(mK) aufweisen und gleichzeitig einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 10 Ω m haben. Bevorzugt weist das Wärmeleitelement 9 ein Isolationsmaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr 1 × 106 Ω m auf. Die Form und Größe des Wärmeleitelements 9 kann an die Form und Größe des Zellenverbinders 8 angepasst sein. Vorzugsweise überdeckt das Wärmeleitelement 9 den zugeordneten Zellenverbinder 8 jeweils vollständig. Auf der von dem Zellenverbinder 8 abgewandten Seite des Wärmeleitelementes 9 ist dem Wärmeleitelement 9 eine Kühleinrichtung 5 zugeordnet, welche ein Phasenwechselmaterial 6 aufweist. Das Phasenwechselmaterial 6 der Kühleinrichtung 5 ist über das Wärmeleitelement 9 und den Zellenverbinder 8 wärmeleitend mit den zugeordneten Polen 3 der Akkumulatorzellen 4 verbunden. Gleichzeitig ist das Phasenwechselmaterial 6 durch das elektrisch isolierende Wärmeleitelement 9 gegenüber dem Zellenverbinder 8 elektrisch isoliert, so dass das Phasenwechselmaterial 6, welches gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform alle Zellenverbinder 8 bzw. Wärmeleitelemente 9 verbindet, die Pole 3 der Akkumulatorzellen 4 nicht kurzschließen kann. Durch die wärmeleitende Anbindung der Pole 3 des Akkumulators 1 an das Phasenwechselmaterial 6 der Kühleinrichtung 5 kann die Wärme gezielt dort abgeführt werden, nämlich an den Polen 3, wo die Akkumulatorzellen 4 üblicherweise am wärmsten sind. Somit ist eine effektive und insbesondere auch homogene Kühlung des gesamten Akkumulators 1 möglich. Neben den Polen 3 kann z.B. auch die Schutzelektronik 10 an die Kühleinrichtung 5 angeschlossen sein, das heißt wärmeleitend mit dem Phasenwechselmaterial 6 verbunden sein. Optional kann neben den Polen 3 des Weiteren auch die Zellenumfangsfläche 12 thermisch an das Phasenwechselmaterial 6 angeschlossen werden, so dass die Akkumulatorzellen 4 nicht nur über ihre die Pole 3 aufweisenden Stirnseiten, sondern vielmehr auch über die große Zellenumfangsfläche 12 gekühlt werden. Das Phasenwechselmaterial 6, auch PCM oder Latentwärmespeicher genannt, weist beispielsweise eine spezifische Wärmekapazität von mindestens 2 kJ/ (kgK) auf. Hier ist das Phasenwechselmaterial 6 bspw. Natriumacetat-Trihydrat, welches eine Schmelztemperatur von 58°C aufweist. Das Phasenwechselmaterial 6 nimmt die Wärme der erhitzten Akkumulatorzellen 4 auf und geht dabei bei dem hier beispielhaft angegebenen Schmelzpunkt von 58°C in den flüssigen Zustand über. Durch die stattfindende Phasenumwandlung kann das Phasenwechselmaterial 6 eine große Wärmeenergiemenge von dem Akkumulator 1 aufnehmen. Neben dem vorgeschlagenen Natriumacetat können auch andere Salze oder Paraffine als Speichermedium verwendet werden, bspw. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat. Dem Phasenwechselmaterial 6 sind Keimbildner zugesetzt, die eine Kristallisation des Phasenwechselmaterials 6 bewirken können, um die gespeicherte Wärmeenergie wieder abgeben zu können. Je nach der optimalen Betriebstemperatur für den Akkumulator 1 kann ein Phasenwechselmaterial 6 mit einer höheren oder niedrigeren Schmelztemperatur gewählt werden. Dabei ist gegeneinander aufzuwiegen, dass eine höhere Temperatur des Akkumulators 1 eine optimale Leistungsfähigkeit des Akkumulators 1 sicherstellt, jedoch ab einer bestimmten Temperatur die Betriebsdauer und Lebensdauer des Akkumulators 1 signifikant herabgesetzt werden. Vorzugsweise sollte die Temperatur des Akkumulators 1 nicht wesentlich höher als 60°C betragen. Entsprechend empfiehlt sich ein Phasenwechselmaterial 6 mit einer Schmelztemperatur in einem Temperaturbereich von insbesondere 40°C bis 60°C. Bei Betrieb des Akkumulators 1 während eines Lade- oder Entladevorgangs erhitzen sich die Akkumulatorzellen 4, wobei das Phasenwechselmaterial 6 zunächst noch nicht den Schmelzpunkt erreicht. Dabei kann das Phasenwechselmaterial 6 bereits entsprechend seiner spezifischen Wärmekapazität Wärmeenergie aufnehmen, allerdings findet dabei noch kein Phasenübergang, bspw. von fest nach flüssig statt. Erst wenn die Akkumulatorzellen 4 soweit erwärmt sind, nämlich vorzugsweise über eine definierte optimale Betriebstemperatur hinaus, wird die Schmelztemperatur von hier bspw. 58°C überschritten, so dass der Phasenübergang einsetzt und das Phasenwechselmaterial 6 nun deutlich mehr Wärmeenergie aufnehmen kann. Die spezifische Phasenumwandlungsentalpie ist im Vergleich zu der spezifischen Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials 6 relativ hoch, für Natriumacetat-Trihydrat beispielsweise 226 kJ/kg. 4th shows the in 3rd shown accumulator 1 along the section line IV. The accumulator 1 has several accumulator cells 4th on. The poles 3rd the accumulator cells 4th are by means of the cell connector 8th both thermally and electrically connected. On the Poles 3rd opposite side of the cell connector 8th there is an electrically insulating heat-conducting element 9 , which provides electrical insulation with the best possible thermal conductivity. For example, there is the heat-conducting element 9 from an electrically non-conductive thermal paste, a thermal oil, silicone oil, zinc oxide or the like. Furthermore, the heat-conducting element 9 can also be a thermal pad made of silicone rubber or polyamide. Basically are for the formation of the heat-conducting element 9 All materials are suitable that have a thermal conductivity of at least 0.5 W / (mK) and at the same time have a specific electrical resistance of at least 10 Ω m. The heat-conducting element preferably has 9 an insulation material with a specific electrical resistance of more than 1 × 10 6 Ω m. The shape and size of the thermal element 9 can match the shape and size of the cell connector 8th be adjusted. The heat-conducting element preferably covers 9 the assigned cell connector 8th complete in each case. On the one of the cell connector 8th opposite side of the heat-conducting element 9 is the thermal element 9 a cooling device 5 assigned which is a phase change material 6 having. The phase change material 6 the cooling device 5 is about the thermal element 9 and the cell connector 8th thermally conductive with the assigned poles 3rd the accumulator cells 4th connected. At the same time is the phase change material 6 through the electrically insulating heat-conducting element 9 opposite the cell connector 8th electrically isolated so that the phase change material 6 which according to the in 4th illustrated embodiment all cell connectors 8th or heat-conducting elements 9 connects the poles 3rd the accumulator cells 4th cannot short circuit. Due to the thermally conductive connection of the poles 3rd of the accumulator 1 to the phase change material 6 the cooling device 5 the heat can be dissipated there, specifically at the poles 3rd where the accumulator cells 4th are usually the warmest. This is an effective and in particular also homogeneous cooling of the entire accumulator 1 possible. In addition to the Poles 3rd can also be used for protection electronics 10th to the cooling device 5 be connected, that is thermally conductive with the phase change material 6 be connected. Optionally, in addition to the poles 3rd also the cell circumference area 12th thermal to the phase change material 6 be connected so that the battery cells 4th not just about their poles 3rd end faces, but rather over the large cell circumference area 12th be cooled. The phase change material 6 , also called PCM or latent heat storage, has for example a specific heat capacity of at least 2 kJ / (kgK). Here is the phase change material 6 For example, sodium acetate trihydrate, which has a melting temperature of 58 ° C. The phase change material 6 takes the heat of the heated battery cells 4th and goes into the liquid state at the melting point of 58 ° C given here as an example. Due to the phase change taking place, the phase change material 6 a large amount of heat energy from the accumulator 1 record, tape. In addition to the proposed sodium acetate, other salts or paraffins can also be used as the storage medium, for example dipotassium hydrogen phosphate hexahydrate. The phase change material 6 nucleating agents are added which cause crystallization of the phase change material 6 can cause to be able to release the stored thermal energy again. Depending on the optimal operating temperature for the battery 1 can be a phase change material 6 can be selected with a higher or lower melting temperature. It should be weighed against each other that a higher temperature of the accumulator 1 optimal performance of the battery 1 ensures, however, the operating life and lifespan of the accumulator from a certain temperature 1 be significantly reduced. Preferably the temperature of the accumulator 1 not be significantly higher than 60 ° C. Accordingly, a phase change material is recommended 6 with a melting temperature in a temperature range of in particular 40 ° C to 60 ° C. When operating the accumulator 1 the battery cells heat up during a charging or discharging process 4th , the phase change material 6 has not yet reached the melting point. The phase change material 6 already absorb thermal energy according to its specific heat capacity, but there is still no phase transition, for example from solid to liquid. Only when the battery cells 4th to the extent that they are heated, namely preferably above a defined optimum operating temperature, the melting temperature is exceeded from here, for example, 58 ° C., so that the phase transition begins and the phase change material 6 can now absorb significantly more thermal energy. The specific phase change enthalpy is compared to the specific heat capacity of the phase change material 6 relatively high, for example, 226 kJ / kg for sodium acetate trihydrate.

5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Akkumulators 1. Dabei sind die Akkumulatorzellen 4 mittels ihrer Pole 3 wiederum an Zellenverbinder 8 angeschlossen. Die Zellenverbinder 8 sind unmittelbar in Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial 6, welches gemäß dieser Ausführungsform elektrisch isolierend ausgestaltet ist, so dass das Phasenwechselmaterial 6, welches hier alle Zellenverbinder 8 gemeinsam kontaktiert, keinen elektrischen Kurzschluss der Pole 3 der Akkumulatorzellen 4 herbeiführen kann. Ein zusätzliches elektrisch isolierendes Wärmeleitelement 9, wie zuvor in 4 dargestellt, ist somit nicht erforderlich. 5 shows a further embodiment of an accumulator according to the invention 1 . Here are the accumulator cells 4th by means of their poles 3rd again on cell connectors 8th connected. The cell connectors 8th are in direct contact with the phase change material 6 which, according to this embodiment, is designed to be electrically insulating, so that the phase change material 6 which here is all the cell connectors 8th contacted together, no electrical short circuit of the poles 3rd the accumulator cells 4th can bring about. An additional electrically insulating heat conducting element 9 , as before in 4th shown is therefore not necessary.

6 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Akkumulators 1, wobei die Kühleinrichtung 5 zwei verschiedene Phasenwechselmaterialien 6, 7 aufweist, die plattenförmig ausgebildet sind und, wie in 5 bereits dargestellt, die Zellenverbinder 8 unmittelbar kontaktieren. Diejenigen Akkumulatorzellen 4, welche mittig innerhalb des Arrays von Akkumulatorzellen 4 angeordnet sind, werden von einem anderen Phasenwechselmaterial 7 gekühlt als die demgegenüber außen liegenden Akkumulatorzellen 4, welche wärmeleitend mit dem Phasenwechselmaterial 6 verbunden sind. Die mittig in dem Array angeordneten Akkumulatorzellen 4 erfahren üblicherweise eine höhere Erwärmung als die außen liegenden Akkumulatorzellen 4. Daher ist das Phasenwechselmaterial 7 dieser mittig angeordneten Akkumulatorzellen 4 so ausgestaltet, dass dieses eine geringere Schmelztemperatur aufweist als das Phasenwechselmaterial 6, welches den außen liegenden Akkumulatorzellen 4 zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, dass das Phasenwechselmaterial 7 eine größere Schichtdicke und/oder Flächenausdehnung aufweist als das Phasenwechselmaterial 6. Beispielsweise kann das Phasenwechselmaterial 7 einen Schmelzpunkt bei ca. 30°C aufweisen, während das Phasenwechselmaterial 6 einen Phasenübergang bei 58°C beginnt. Das Phasenwechselmaterial 7 mit dem niedrigeren Schmelzpunkt kann bspw. Natriumsulfat-Decahydrat (Glaubersalz) sein, welches einen Schmelzpunkt von 32,5°C aufweist. Eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 6 könnte zudem vorsehen, dass die innenliegenden Akkumulatorzellen 4 in wärmeleitendem Kontakt mit zwei verschiedenen Phasenwechselmaterialien 6, 7 stehen, so dass dieselbe Akkumulatorzelle 4 Wärme an zwei verschiedene Phasenwechselmaterialien 6, 7 abgeben kann, nämlich bspw. ein erstes, mit einer niedrigeren Schmelztemperatur und ein zweites mit einer demgegenüber höheren Schmelztemperatur. 6 shows a further possible embodiment of an accumulator 1 , the cooling device 5 two different phase change materials 6 , 7 has, which are plate-shaped and, as in 5 already shown, the cell connector 8th contact immediately. Those accumulator cells 4th which are centered within the array of battery cells 4th are arranged from a different phase change material 7 cooled than the battery cells on the outside 4th which is thermally conductive with the phase change material 6 are connected. The battery cells arranged in the middle of the array 4th usually experience higher heating than the external battery cells 4th . Hence the phase change material 7 this centrally arranged accumulator cells 4th designed so that it has a lower melting temperature than the phase change material 6 , which the external battery cells 4th assigned. Alternatively or additionally, it is also possible for the phase change material 7 has a greater layer thickness and / or surface area than the phase change material 6 . For example, the phase change material 7 have a melting point at about 30 ° C while the phase change material 6 begins a phase transition at 58 ° C. The phase change material 7 the lower melting point can be, for example, sodium sulfate decahydrate (Glauber's salt), which has a melting point of 32.5 ° C. A modification of the embodiment according to 6 could also provide that the internal battery cells 4th in heat-conducting contact with two different phase change materials 6 , 7 stand so that the same battery cell 4th Heat on two different phase change materials 6 , 7 can deliver, namely, for example, a first with a lower melting temperature and a second with a higher melting temperature.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform ist jeder Zellenverbinder 8 der Akkumulatorzellen 4 mit zwei verschiedenen Phasenwechselmaterialien 6, 7 in Kontakt, so dass vorzugsweise unterschiedliche Schmelzpunkte der Phasenwechselmaterialien 6, 7 genutzt werden können, um Wärme optimal von den Akkumulatorzellen 4 abzuführen. Zusätzlich wäre es auch, wie bereits in 6 dargestellt, möglich, dass nur einzelne Akkumulatorzellen 4 mit zwei verschiedenen Phasenwechselmaterialien 6, 7 in wärmeleitendem Kontakt stehen, bspw. solche, welche sich besonders erwärmen und/oder im Inneren des Akkumulatorzellen-Arrays platziert sind. Die Ausführung gemäß 7 weist des Weiteren ein thermisch isolierendes Material 11 auf, welches die Akkumulatorzellen 4 inklusive der Zellenverbinder 8 und die Kühleinrichtung 5 mit den Phasenwechselmaterialien 6, 7 umgibt. Das thermisch isolierende Material 11 führt dazu, dass sich die Akkumulatorzellen 4 bei Start eines Lade- oder Entladebetriebs zunächst schneller auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmen und die definierten Schmelzpunkte der Phasenwechselmaterialien 6, 7 schneller erreicht werden. Dadurch kann einerseits schnell ein effizientes Arbeiten des Akkumulators 1 bei optimaler Betriebstemperatur erreicht werden, und andererseits eine Begrenzung der Betriebstemperatur des Akkumulators 1 durch die von den Phasenwechselmaterialien 6, 7 aufgenommene Wärmeenergie nach Erreichen der spezifischen Schmelzpunkte. 7 shows a further embodiment of the invention. According to this embodiment each cell connector 8th the accumulator cells 4th with two different phase change materials 6 , 7 in contact, so that preferably different melting points of the phase change materials 6 , 7 can be used to optimally heat from the battery cells 4th dissipate. In addition, it would also be, as already in 6 shown, possible that only individual battery cells 4th with two different phase change materials 6 , 7 are in heat-conducting contact, for example those that heat up particularly and / or are placed inside the battery cell array. The execution according to 7 also has a thermally insulating material 11 on which the accumulator cells 4th including the cell connector 8th and the cooling device 5 with the phase change materials 6 , 7 surrounds. The thermally insulating material 11 leads to the accumulator cells 4th when starting a charging or discharging operation, warm up faster to an optimal operating temperature and the defined melting points of the phase change materials 6 , 7 can be reached faster. On the one hand, this allows the accumulator to work efficiently 1 can be achieved at the optimal operating temperature, and on the other hand a limitation of the operating temperature of the battery 1 through that of the phase change materials 6 , 7 absorbed thermal energy after reaching the specific melting points.

BezugszeichenlisteReference list

11
Akkumulatoraccumulator
22nd
BodenbearbeitungsgerätTillage implement
33rd
Polpole
44th
AkkumulatorzelleAccumulator cell
55
KühleinrichtungCooling device
66
PhasenwechselmaterialPhase change material
77
PhasenwechselmaterialPhase change material
88th
ZellenverbinderCell connector
99
WärmeleitelementThermal element
1010th
SchutzelektronikProtection electronics
1111
thermisch isolierendes Materialthermal insulating material
1212th
ZellenumfangsflächeCell peripheral area
1313
elektrischer Verbraucherelectrical consumer
1414
Radwheel
1515
BodenbearbeitungselementTillage element
1616
Gebläsefan
1717th
SauggutkammerSuction chamber
1818th
Filterfilter
1919th
SaugmundSuction mouth
2020
StrömungskanalFlow channel
2121
Gehäusecasing
2222
BatteriemanagementsystemBattery management system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • JP 2002291669 A [0005]JP 2002291669 A [0005]

Claims (11)

Akkumulator (1) mit mindestens einer zwei elektrische Pole (3) aufweisenden Akkumulatorzelle (4) und einer Kühleinrichtung (5) zur Kühlung der Akkumulatorzelle (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) ein Phasenwechselmaterial (6, 7) aufweist, das wärmeleitend mit zumindest einem elektrischen Pol (3) der Akkumulatorzelle (4) verbunden ist.Accumulator (1) with at least one accumulator cell (4) having two electrical poles (3) and a cooling device (5) for cooling the accumulator cell (4), characterized in that the cooling device (5) has a phase change material (6, 7), which is thermally connected to at least one electrical pole (3) of the battery cell (4). Akkumulator (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zellenverbinder (8), welcher die elektrischen Pole (3) zumindest zweier Akkumulatorzellen (4) elektrisch und thermisch leitend miteinander verbindet und wärmeleitend einerseits mit den elektrischen Polen (3) und andererseits mit dem Phasenwechselmaterial (6, 7) verbunden ist.Accumulator (1) after Claim 1 , characterized by a cell connector (8) which electrically and thermally conductively connects the electrical poles (3) of at least two battery cells (4) and is thermally conductively connected on the one hand to the electrical poles (3) and on the other to the phase change material (6, 7) . Akkumulator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (6, 7) den Zellenverbinder (8) unmittelbar kontaktiert und/oder dass das Phasenwechselmaterial (6, 7) ein zwischen dem Zellenverbinder (8) und dem Phasenwechselmaterial (6, 7) angeordnetes, elektrisch isolierendes Wärmeleitelement (9) kontaktiert.Accumulator (1) after Claim 2 , characterized in that the phase change material (6, 7) makes direct contact with the cell connector (8) and / or in that the phase change material (6, 7) is an electrically insulating heat-conducting element arranged between the cell connector (8) and the phase change material (6, 7) (9) contacted. Akkumulator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (6, 7) elektrisch isolierend ausgebildet ist.Accumulator (1) after Claim 1 or 2nd , characterized in that the phase change material (6, 7) is electrically insulating. Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (6, 7) eine Schmelztemperatur von größer als 25°C und kleiner als 80°C aufweist, insbesondere von größer als 40°C und kleiner als 60°C.Accumulator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase change material (6, 7) has a melting temperature of greater than 25 ° C and less than 80 ° C, in particular greater than 40 ° C and less than 60 ° C . Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) mehrere Phasenwechselmaterialien (6, 7) mit zueinander unterschiedlichen Schmelztemperaturen aufweist.Accumulator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (5) has a plurality of phase change materials (6, 7) with mutually different melting temperatures. Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (6, 7) als Folie oder Platte ausgebildet ist oder dass das Phasenwechselmaterial in eine Folie oder Platte eingebettet ist.Accumulator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase change material (6, 7) is designed as a film or plate or that the phase change material is embedded in a film or plate. Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (1) ein Array aus einer Vielzahl von neben- und/oder hintereinander angeordneten Akkumulatorzellen (4) aufweist, wobei einer Akkumulatorzelle (4), welche mittig in dem Array angeordnet ist und/oder eine höhere Erwärmung aufweist als andere Akkumulatorzellen (4) des Arrays, ein Phasenwechselmaterial (6, 7) mit einer gegenüber dem Phasenwechselmaterial (6, 7) der anderen Akkumulatorzellen (4) größeren Schichtdicke und/oder Flächenausdehnung und/oder geringeren Schmelztemperatur zugeordnet ist.Accumulator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the accumulator (1) has an array of a plurality of accumulator cells (4) arranged next to and / or one behind the other, an accumulator cell (4) which is centered in the array is arranged and / or has a higher heating than other battery cells (4) of the array, a phase change material (6, 7) with a layer thickness and / or surface area larger than the phase change material (6, 7) of the other battery cells (4) and / or is assigned lower melting temperature. Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (6, 7) der Kühleinrichtung (5) ebenfalls eine Schutzelektronik (10) des Akkumulators (1) wärmeleitend kontaktiert.Accumulator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase change material (6, 7) of the cooling device (5) also contacts protective electronics (10) of the accumulator (1) in a heat-conducting manner. Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine und/oder mehrere Akkumulatorzellen (4) von einem thermisch isolierenden Material (11) umgeben sind, wobei das thermisch isolierende Material (11) zumindest eine Zellenumfangsfläche (12) der Akkumulatorzelle (4) umgibt, wobei insbesondere das thermisch isolierende Material (11) auch das den Polen (3) zugeordnete Phasenwechselmaterial (6, 7) mit umgibt.Accumulator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that one and / or more accumulator cells (4) are surrounded by a thermally insulating material (11), the thermally insulating material (11) at least one cell peripheral surface (12) of the accumulator cell (4) surrounds, in particular the thermally insulating material (11) also surrounding the phase change material (6, 7) assigned to the poles (3). Bodenbearbeitungsgerät (2) mit einem elektrischen Verbraucher (13), einem Akkumulator (1) mit mindestens einer zwei elektrische Pole (3) aufweisenden Akkumulatorzelle (4) zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den elektrischen Verbraucher (13) und einer Kühleinrichtung (5) zur Kühlung der Akkumulatorzelle (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Kühleinrichtung (5) ein Phasenwechselmaterial (6) aufweist, das wärmeleitend mit zumindest einem elektrischen Pol (3) der Akkumulatorzelle (4) verbunden ist.Soil cultivation device (2) with an electrical consumer (13), an accumulator (1) with at least one battery cell (4) having two electrical poles (3) for providing electrical energy for the electrical consumer (13) and a cooling device (5) for Cooling of the battery cell (4), characterized in that the battery (1) is designed according to one of the preceding claims, wherein the cooling device (5) comprises a phase change material (6) which is thermally conductive with at least one electrical pole (3) of the battery cell ( 4) is connected.
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