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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie bzw. eines Akkus.
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Gemäß dem aktuellen Stand der Technik wird zum Temperieren bzw. Erwärmen der Batterie eine Wärmepumpe verwendet. Die Wärmepumpe hat eine ähnliche Funktion wie aus der Gebäudetechnik. Ein Nachteil bei der Verwendung der Wärmepumpe ist, dass der Stromverbrauch für die Wärmepumpe einen direkten Einfluss auf die Reichweite des elektrisch betriebenen Fahrzeugs hat.
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Ebenso wird gemäß dem Stand der Technik das bereits vorhandene Kühlsystem im Fahrzeug zur Temperierung der Batterie genutzt. Ein Nachteil ist, dass das Kühlmittel zur Batterie transportiert werden muss. Ferner ist dies mit einem verzögerten Effekt verbunden, da erst Wärme gewonnen werden muss.
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Bei der Elektromobilität muss die Batterie immer bei einem idealen Temperaturbereich vorliegen. Der ideale Temperaturbereich von Lithium-Ionen-Akkus liegt bei etwa +5°C bis +35°C. Sowohl zu hohe, als auch zu niedrige Temperaturen wirken sich negativ auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Batterie bzw. des Akkus aus. Bei Temperaturen unter 5°C sind die chemischen Prozesse im Akku selbst träge. Die Beweglichkeit der Ladungsträger nimmt ab, was sich sowohl auf den Aufnahmestrom bei der Ladung der Batterie, als auch auf den Abgabestrom bei der Entladung der Batterie auswirkt. Die Behinderung des Stromflusses ist auf die geringere Leitfähigkeit des Elektrolyts, also der Substanz zwischen Plus- und Minuspol, zurückzuführen. Der sogenannte „innere Widerstand“ der Batterie steigt somit bei fallenden Temperaturen. Wird bei niedrigen Temperaturen ein zu hoher Ladestrom eingespeist, kann dies zu irreversiblen Schädigungen in der Zellchemie führen. Aus diesen Gründen ist dem aktiven Temperaturmanagement des Elektrofahrzeugs eine große Bedeutung zuzuschreiben.
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Durch das Batteriemanagementsystem wird die Antriebsbatterie bei niedrigen Außentemperaturen beheizt. Der Akku wird dadurch im idealen Temperaturbereich betrieben. Diese Maßnahme kostet zum einen Strom und somit auch Reichweite (siehe: https://www.elektronik-zeit.de/elektroauto-im-winter-heizung-kostetreichweite).
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Untersuchungen zeigen, dass die Höchstleistung, Reichweite und Lebensdauer der zentralen Energiespeicher in aktuellen Antriebssystemen auch von der Betriebstemperatur abhängt. Die Energiespeicher sollten also mindestens kurz vor dem Betrieb auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden.
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Aktuelle Lösungen zur Erwärmung des Energiespeichers, wie z.B. mit Wärmepumpen oder Heizdrähten, sind dabei auf die Energie von den zu erwärmenden zentralen oder weiteren dezentralen Energiespeichern angewiesen. In Situationen, in denen die Betriebstemperatur des (zentralen oder dezentralen) Energiespeichers außerhalb des idealen Temperaturbereichs liegt und somit der Energiespeicher erwärmt werden muss, steht den aktuellen Lösungen diese gespeicherte Energie eben genau nicht zur Verfügung.
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Bei den aktuellen Lösungen muss der Energiespeicher also - zumindest für eine gewisse Zeit - in diesen ungünstigen Betriebszuständen betrieben werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Temperieren bzw. Erwärmen einer Batterie zu schaffen, mit der es möglich ist, die erforderliche Wärmemenge zum Erwärmen der Batterie schnell bereitzustellen und dabei negative Auswirkungen hinsichtlich des Ladezustandes der Batterie zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Temperieren bzw. Erwärmen einer Batterie, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren bzw. Erwärmen einer Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass ein Latentwärmespeicher in wärmeleitenden Kontakt mit der Batterie ist. Der Latentwärmespeicher selbst umfasst einen wärmeleitenden Behälter, der ein Speichermedium einschließt und in Form hält. Ein Auslöser ist durch eine Dichtung von zumindest einer Wand des Latentwärmespeichers geführt. Der Auslöser ist somit im Speichermedium des Latentwärmespeichers angeordnet, um bei Bedarf eine Kristallisation des Speichermediums auszulösen. Bei der Kristallisation wird die für die Erwärmung der Batterie erforderliche Wärme frei.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die für eine Erwärmung der Batterie erforderliche Wärme bei Bedarf verfügbar ist und somit eine Batterie frühzeitig bei dem idealen Temperaturbereich betrieben werden kann.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann ein Heizelement in den wärmeleitenden Behälter durch die Dichtung geführt sein, damit dieses im Speichermedium des Latentwärmespeichers angeordnet ist.
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Der Latentwärmespeicher kann sowohl auf der elektrischen Speicher-Partielle als auch neben und damit bei einer Blockbauweise zwischen den Partiellen sitzen.
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Neben dem Speichermedium befindet sich innerhalb des Behälters des Latentwärmespeichers außerdem der Auslöser, wie z.B. ein Piezoelement mit entsprechend gestalteter Oberfläche, der das Kristallisationskeimwachstum begünstigt. Die Zuleitung zum Auslöser endet außerhalb des Behälters. Das Heizelement, wie z.B. eine Heizschlange, befindet sich bei dieser Ausführungsform innerhalb des Behälters des Latentwärmespeichers. Eine Dichtung verhindert den Austritt des Speichermediums an der Einfüllstelle oder dem Leitungsaustritt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement in wärmeleitenden Kontakt außerhalb des Behälters des Latentwärmespeichers angeordnet. Auch hier kann der Latentwärmespeicher sowohl auf der elektrischen Speicher-Partielle als auch neben der Speicher-Partielle und damit bei einer Blockbauweise zwischen den einzelnen Speicher-Partiellen angeordnet sein. Hier ist nur der Auslöser durch eine Dichtung von außen in den Latentwärmespeicher geführt. Das Heizelement ist bei dieser Ausführungsform außerhalb des Behälters des Latentwärmespeichers als eine weitere Ummantelung auf dem Behälter ausgebildet. Das Heizelement leitet die notwendige Verflüssigungswärme an das Speichermedium heran.
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Für Speicher-Partiellen am Rand kann der Behälter in die jeweilige Richtung mit einem entsprechenden Wärmeisolator überzogen werden, um die Wärme zielgerichtet einzusetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mindestens ein Latentwärmespeicher mit dem Speichermedium innerhalb der Batterie vorgesehen sein. Der Auslöser ist für jeden Latentwärmespeicher durch eine Wand der Batterie und eine Wand des Latentwärmespeichers mittels Dichtungen geführt. Bei dieser Ausführungsform können ein oder mehrere Latentwärmespeicher in Form von Ballons o.ä. in der Batterie intergiert sein. Die Wärme aus der Batterie (des elektrischen Speichers) kann dann zur Erhitzung und damit zur Verflüssigung des Speichermediums des Latentwärmespeichers verwendet werden (ein Heizelement wäre dann hinfällig).
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Wenn z.B. die Betriebstemperatur des Antriebsstrangs eine Fahrzeugs außerhalb des idealen Temperaturbereichs liegt (also unterhalb der genannten +5°C), wird bspw. von der Batteriesteuerung mit einem Auslöser der Kristallisationsvorgang des Latentwärmespeichers gestartet. Der Auslöser kann bspw. elektromechanisch wirken und muss die für die Kristallisation notwendige Startbedingung liefern (z.B. Startenergie) sowie das Keimwachstum begünstigen. Die während der (exothermen) Kristallisation freigesetzte Wärmeenergie kann dann weitere elektrische Speicher-Komponenten, wie z.B. Batterien oder Akkus, erwärmen und diese elektrischen Speicher damit von einer ungünstigen tiefen Temperatur in den idealen Temperaturbereich bringen.
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Bei Betriebszuständen der elektrischen Komponenten, in denen Wärme abgeführt werden muss, kann diese Wärmeenergie zur Erhitzung und damit zur (endothermen) Verflüssigung des Speichermediums des Latentwärmespeichers verwendet werden.
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Dieser chemische Vorgang ist also reversibel, kann nahezu beliebig oft wiederholt werden und ist in erster Näherung wartungsfrei. Die notwendige Auslöser-Energie muss zwar weiterhin aus einem zentralen oder dezentralen Speicher kommen (am Beispiel des elektromechanischen Auslösers aus einer Batterie oder einem Akku), diese ist allerdings im Vergleich zur freigesetzten chemischen Energie vernachlässigbar klein.
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Ist der elektrische Speicher partiell aufgebaut, kann der Latentwärmespeicher entsprechend den elektrischen Speicher-Partiellen ebenfalls partiell aufgebaut werden, sodass die Wärmezufuhr in die elektrischen Partiellen feiner gesteuert werden kann.
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Gemäß der Erfindung ist es also das Ziel, die zentralen oder dezentralen Energiespeicher (Batterien) komplett oder zum Teil auf eine Temperatur innerhalb des idealen Temperaturbereichs zu erwärmen. Im Falle einer teilweisen Erwärmung hat z.B. das Antriebssystem eines Fahrzeugs dann weiterhin die Möglichkeit, sich selbst komplett zu erwärmen.
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Der Kerngedanke der Erfindung ist die Speicherung der notwendigen (Wärme-)Energie in einer Speicherform außerhalb des elektrischen Speichers (Batterie/Akku). Es wird hierzu ein sogenannter Latentwärmespeicher gewählt, der die notwendige Energie in chemischer Energieform speichern kann. Aktuelle Beispiele eines klassischen Taschenwärmers mit Latentwärme zeigen, dass eine Temperaturerhöhung von min. 30-35°C erreicht werden kann. Durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung des Speichermediums ist ein höherer Temperaturbereich denkbar. Das Speichermedium des Latentwärmespeichers liegt im Allgemeinen und zum Startpunkt der Funktionserfüllung im flüssigen Aggregatzustand vor.
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Generell ist der Einsatz des Wärmespeichers bei aber auch außerhalb der Elektromobilität bei allen Batterieanwendungen mit gleicher Problemstellung (Temperaturbereich) denkbar.
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Für die Energieversorgung bei der E-Mobilität können mehrere Batterien bzw. Speicher-Partiellen zu einem Energiespeicher zusammengeschaltet werden. Jede der Batterien bzw. Speicher-Partiellen kann mit einem Latentwärmespeicher versehen sein. Dadurch kann die Wärme im Energiespeicher fein gesteuert werden.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun die Erfindung und ihre Vorteile durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie bzw. eines Akkus.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1 entlang der Schnittlinie A-A.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie bzw. eines Akkus.
- 4 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 3 entlang der Schnittlinie B-B.
- 5 zeigt eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie bzw. eines Akkus.
- 6 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 5 entlang der Schnittlinie A-A.
- 7 zeigt eine schematische Darstellung einer zusätzlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie bzw. eines Akkus.
- 8 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 7 entlang der Schnittlinie B-B.
- 9 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie bzw. eines Akkus.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Erwärmen bzw. Temperieren einer Batterie 2 bzw. eines Akkus oder einer Speicher-Partielle. In 2 ist dazu eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 1 entlang der Schnittlinie A-A der 1 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Batterie 2, die erwärmt bzw. in einem vordefinierten Temperaturbereich betrieben werden soll. Hierzu ist der Latentwärmespeicher 4 z.B. mit einer oberen Wand 30 des Latentwärmespeichers 4 in wärmeleitenden Kontakt. Der Latentwärmespeicher 4 auf der Batterie 2 bzw. dem Akku kann noch mit einem Wärmeisolator 16 versehen sein, um die Wärmeverluste aus dem Latentwärmespeicher 4 zu minimieren.
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Den inneren Aufbau des Latentwärmespeichers 4 kann man der 2 entnehmen, die eine Schnittachsicht des Latentwärmespeichers 4 entlang der Schnittlinie A-A der 1 darstellt. Der Latentwärmespeicher 4 besteht aus einem wärmeleitenden Behälter 6, der durch Wände 5 des Latentwärmespeichers 4 definiert ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Heizelement 14 im wärmeleitenden Behälter 6 und somit auch im Speichermedium 10 vorgesehen. Der Auslöser 8 löst das Kristallisationskeimwachstum des Speichermediums 10 aus. Eine Zuleitung 18 für den Auslöser 8 wird von außerhalb des Behälters 6 zugeführt. Das Heizelement 14 wird ebenfalls von außerhalb des Behälters 6 zugeführt. Die Zuführung der Zuleitung 18 des Auslöser 8 und des Heizelements 14 erfolgt über eine Dichtung 12.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Erwärmen bzw. Temperieren einer Batterie 2 bzw. eines Akkus oder einer Speicher-Partielle. In 4 ist dazu eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 3 entlang der Schnittlinie B-B der 3 gezeigt. Der Unterschied zu der Ausführungsform der 1 und 2 ist, dass der Latentwärmespeicher 4 an einer seitlichen Wand 3S der Batterie 2 angebracht ist. Eine Wand 5 des Latentwärmespeichers 4 ist mit der seitlichen Wand 3S der Batterie 2 in wärmeleitenden Kontakt. Der Latentwärmespeicher 4 ist analog zum Latentwärmespeicher 4 der 2 ausgebildet. Die freie Wand 5 des Latentwärmespeichers 4, die nicht der seitlichen Wand 3S der Batterie 2 gegenüberliegt, ist mit einem Wärmeisolator 16 versehen, um die Wärme so weit wie möglich in der Vorrichtung 1 zu halten.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Erwärmen bzw. Temperieren einer Batterie 2 bzw. eines Akkus oder einer Speicher-Partielle. In 6 ist dazu eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 5 entlang der Schnittlinie A-A der 5 gezeigt. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform, ist der Latentwärmespeicher 4 mit der oberen Wand 30 der Wand 3 der Batterie 2 in wärmeleitenden Kontakt. Wie den Darstellung der 5 und 6 entnommen werden kann, ist das Heizelement 14 außerhalb des Latentwärmespeichers 4 vorgesehen. Das Heizelement 14 ist in wärmeleitenden Kontakt mit der Batterie. Um die Wärme aus dem Heizelement 14 zielgerichtet einzusetzen, ist das Heizelement 14 an der der Batterie 2 oder Speicher-Partielle abgewandten Seite mit einem entsprechenden Wärmeisolator 16 versehen. Wie in 6 gezeigt, befindet sich nur der Auslöser 8 im Speichermedium 10 des Latentwärmespeichers 4. Die Zuleitung 18 zum Auslöser 8 ist durch die Wand 5 des Latentwärmespeichers 4 über eine Dichtung 12 geführt.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Erwärmen bzw. Temperieren einer Batterie 2 bzw. eines Akkus oder einer Speicher-Partielle. In 8 ist dazu eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus 7 entlang der Schnittlinie B-B der 7 gezeigt. Wie der 8 zu entnehmen ist, ist das Heizelement 14 außerhalb des Latentwärmespeichers 4 als weitere Ummantelung des Latentwärmespeichers 4 vorgesehen. Der Latentwärmespeicher 4 ist bei dieser Ausführungsform mit einer seitlichen Wand 3S der Batterie 2 bzw. der Speicher-Partielle in wärmeleitenden Kontakt. Auch hier ist, wie in 8 gezeigt, nur der Auslöser 8 im Speichermedium 10 des Latentwärmespeichers 4 vorgesehen. Die Zuleitung 18 zum Auslöser 8 ist durch die Wand 5 des Latentwärmespeichers 4 über eine Dichtung 12 geführt. Bei einer Zusammenstellung aus mehreren Batterien 2 bzw. Speicher-Partiellen kann der Darstellung der 7 entnommen werden, dass die Latentwärmespeicher 4 der Batterien 2 bzw. Speicher-Partiellen am Rand der Zusammenstellung an der freien Wand 5 des Latentwärmespeichers 4 mit einem Wärmeisolator 16 versehen sind. Mit dem Wärmeisolator 16 kann die im Latentwärmespeicher 4 gebildete Wärme zielgerichtet eingesetzt werden.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Temperieren einer Batterie 2 bzw. einer Speicher-Partielle. Hier sind ein oder mehrere Latentwärmespeicher 4 in Form von Ballons o.ä. der Batterie 2 bzw. der Speicher-Partielle vorgesehen bzw. eingetaucht.
Die Wärme der Batterie 2 bzw. der Speicher-Partielle kann dann zur Erhitzung und damit zur Verflüssigung des Speichermediums 10 im Latentwärmespeicher 4 verwendet werden. Ein Heizelement 14, wie in den 2, 4, 6 und 8, wäre dann hinfällig. Der Auslöser 8 ist ebenfalls im Latentwärmespeicher 4 vorgesehen. Die Zuleitung 18 wird über eine Dichtung 12 in der Wand 3 der Batterie 2 bzw. der Speicher-Partielle und über eine Dichtung 12 in der Wand 5 des Latentwärmespeichers 4 zum Auslöser geführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Batterie
- 3
- Wand der Batterie
- 3O
- obere Wand
- 3S
- seitliche Wand
- 4
- Latentwärmespeicher
- 5
- Wand des Latentwärmespeichers
- 6
- wärmeleitender Behälter
- 8
- Auslöser
- 10
- Speichermedium
- 12
- Dichtung
- 14
- Heizelement
- 16
- Wärmeisolator
- 18
- Zuleitung
- A-A
- Schnittlinie
- B-B
- Schnittlinie
