DE2229195A1 - Beheizbares akkumulatorsystem und verfahren zum erwaermen von akkumulatoren, insbesondere fuer kraftfahrzeuge, gegebenenfalls in kombination mit der fluessigkeitserwaermung des heizungssystems - Google Patents

Description

• Beheizbares Akkumulatorsystem und Verfahren zum Erwärmen von Akkumulatoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gegebenenfalls in Kombination mit der Flüssigkeitserwärmung des Heizungssystems Die Erfindung betrifft ein beheizbares Akkumulatorsystem und ein Verfahren zum Erwärmen von Akkumulatoren mittels Mikrowellen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gegebenenfalls in Kombination mit der Flüssigkeitserwärmung des Heizungßsystems Mikrowellenenergie kann zur Aufheizung von wasserhaltigen festen und flüssigen Stoffen eingesetzt werden, wobei durch die dielektrischen Verluste des Stoffes elektrische Feldenergie in Joule'sche Wärme umgesetzt wird. Die Mikrowellen-Aufheizung findet u.a. in sogenannten Mikrowellenherden Anwendung, wo z.B. Tiefkühlkost innerhalb von Sekunden auf Garungstemperatur gebracht wird. Auch in der chemischen Industrie gewinnt die Mikrowellenheizung laufend an Bedeutung.
• Es ist bekannt, daß beispielsweise Bleiakkumulatoren vor allem unter Einfluß von Kälte stark an Ladungskapazität verlieren. Die Ladungskapazität, in Amperstunden (Ah) ausgedrückt, kann durch den Einfluß tieferer Temperaturen um mehr als 50 % fallen, d.h. daß ein Akkumulator mit 80 Ah bei 300 C nur noch 40 Ah Ladungskapazität aufweist. Dieser Leistungsabfall wirkt sich vor allem ungünstig auf Anlaßvorgänge größerer Diesel- oder Ottomotoren aus.
• Der Kälteeinfluß macht sich jedoch nicht nur bei Entladevorgängen bemerkbar, sondern ebenso bei Ladevorgängen, d.h. daß eine unter Kälteeinfluß entladene Batterie unter Kälteeinfluß nicht wieder auf die volle Ladungskapazität aufgeladen werden kann. Aus diesen Gründen werden Akkumulatorbatterien für Fahrzeuge um ca. 100 % überdimensioniert.
• Da Akkumulatoren ein sehr hohes Gewicht aufweisen, wirkt sich eine Uberdimensionierung vor allem bei Elektromobilen sehr ungünstig aus. Elektromobile sind Fahrzeuge, die mit Batteriestrom fahren. Die Ladungskapazität der Akkumulatoren ist für die Fahrreichweite der Fahrzeuge entscheidend.
• Da der Kälteeinfluß auf Batterien bekannt ist, werden bereits verschiedene Verfahren zur Temperierung praktiziert.
• So kann z.B. ein Heizdraht, der um die Batterie gewickelt wird, eine gewisse Erwärmung der Batterie einleiten. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß für die Erwärmung größerer Batterien eine zu lange Erwärmungszeit benötigt wird, da die Wärme von der Außenwandung nur langsam durch die Batteriezellen wandert. Dieses Verfahren wird bei kleinen Batterien angewendet.
• Ein anderes Verfahren kann z.B. bei Stahl- und Bleiakkumulatoren angewendet werden. Bei dem Verfahren wird um die Außenwandung der Batterie eine Spule aus Kupferdraht gewickelt. Ein starker hochfrequenter Wechselstrom durchfließt die Spule und erzeugt durch das starke Wechselmagnetfeld eine Erwärmung bzw. sie aktiviert die als Spulenkern wirkenden Akkumulatorplatten. Auch dieses Verfahren entwickelt die Wärme nur sehr langsam.
• Aufgabe der Erfindung war es, ein verbessertes beheizbares Akkumulatorsystem sowie ein Verfahren zum Erwärmen von Akkumulatoren sowie gegebenenfalls eines Heizkreislaufes zu schaffen, das auf alle Akkumulator- bzw. Batterietypen anwendbar ist und eine sekundenschnelle Erwärmung gestattet.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man als Wärmequelle einen Mikrowellengenerator verwendet und die von diesem ausgesendeten Mikrowellen parallel zu den Flächen der Elektrodenplatten gegen den Akkumulator richtet.
• Gegenstand der Erfindung ist somit ein beheizbares Akkumulatorsystem, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus a) einem Akkumulator mit zumindest einer für Mikrowellen durchlässigen Gehäusewand, vorzugsweise aus Bakelit, und b) einem Heizaufsatz mit einem Mikrowellengenerator, der Wellen in zu den Akkumulator-Elektrodenplatten paralleler Richtung aussendet, besteht, wobei der Heizaufsatz gegebenenfalls einen Ausgangskanal für die Ableitung eines Teils der Mikrowellen zu einem mikrowellendurohlässige Wände aufweisenden Durchlaufbehälter eines Heizkreislaufes aufweist.
• Die Erfindung betrifft ferner den Heizaufsatz (b) in getrennter Ausführung, der dann zweckmäßig mit geeigneten Einrichtungen zum Festmachen an den Platten ausgestattet ist.
• Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Erwärmung von Akkumulatoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, sowie gegebenenfalls eines Heizkreislaufs, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als Heizquelle einen Mikrowellengenerator verwendet und die Mikrowellen parallel zu den Flächen der Elektrodenplatten gegen den Akkumulator richtet.
• Die Erfindung gestattet eine sekundenschnelle Erwärmung der Akkumulatorflüssigkeit, z.B. der in den Zellen eines Bleiakkumulators enthaltenen Schwefelsäure, auf die optimale Betriebstemperatur für Entlade- oder liadevorgange.
• Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich ohne weiters auf alle Akkumulator- bzw. Batterie typen anwenden.
• Außerdem gestattet es das erfindungsgemäße System, daß die Energie des Mikrowellengenerators nach dem Erwärmen der Batterie auf den Heizkreislauf umgeschaltet wird, wobei das in diesem Kreislauf befindliche Wasser derart schnell aufgeheizt wird, daß bereits kurz nach dem Anspringen des Motors die für die Kabinenheizung erforderliche Wärmemenge zur Verfügung steht. DadUrch wird es möglich, daß selbst bei noch kalt laufendem Fahrzeugmotor die Fensterscheiben des Fahrzeuges in kürzester Zeit eisfrei abgetaut werden. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil beruht darauf, daß die Batterieheizung im Vergleich zu der einige Stunden erfordernden Drahtheizung stets nur kurzzeitig in Betrieb ist.
• Als Mikrowellengenerator wird beispielsweise ein sogenanntes Magnetron mit einer Frequenz von 2400 MHz entsprechend einer Wellenlänge von 12,5 cm verwendet. Das Magnetron wird mit Gleichstrom betrieben. Es können Magnetrons mit den Abmessungen von 200 x 200 x 150 mm verwendet werden, so daß kein größerer Platzbedarf erforderlich ist. Als Magnetrons können solche mit Dauerstrichleistung oder auch intermittierend arbeitende Magnetrons eingesetzt werden. Als Mikrowellengenerator können erfindungsgemäß natürlich auch Magnetrone mit einer anderen Frequenz als 2400 MHz verwendet werden.
• Dadurch, daß die Mikrowellen erfindungsgemäß in paralleler Richtung zu den Elektrodenplatten gegen die Batterie gerichtet werden, wird ihre Reflexion auf ein Minimum herabgesetzt und somit ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
• Es sollen nun besondere erfindungsgemäße Ausführungsformen anhand der Zeichnungen (Fig. 1 bis 3) erläutert werden.
• Fig. 1 zeigt eine Batterie, die einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. Die paarweise oder zu dritt angeordneten, vollkommen mit verdünnter Schwefelsäure bedeckten Bleiplatten befinden sich im Gehäuse 2, das aus verlustarmem dielektrischen Material, z.B. Bakelit (Phenolformaldehydkondensat) besteht und für Mikrowellen, z.B. von 2400 MEz, weitgehend durchlässig ist. Während der dielektrische Verlustwinkel tan g des Gehäuses einen sehr niedrigen Wert (etwa 100) aufweist, besitzt die verdünnte Schwefelsäure einen Verlustwinkel von etwa 10 00Q (bei 20 a, weshalb die Mikrowellen in der Säure absorbiert und in Joule'sche Wärme umgewandelt werden.
• Eine- mögliche Einstrahlungsrichtung für die Mikrowellen ist mit 3 gekennzeichnet; die Mikrowellen können jedoch auch von der anderen Seite her oder von oben bzw. von unten gegen die Batterie gerichtet werden.
• Zur Vernichtung von gegebenenfalls auftretenden Streustrahlungen, die von den Bleiplatten reflektiert werden, kann sich die Batterie zusätzlich in einem Blechgehäuse befinden. lediglich auf der Seite, an der die Mikrowelleneinstrahlung stattfindet, befindet sich das freie Gehäuse aus dem verlustarmen dielektrischen Material, z.B. Bakelit.
• Das Blechgehäuse kann innenseitig zusätzlich mit Mikrowellen absorbierenden Materialien beschichtetsein.
• Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes beheizbares Akkumulatorsystem. Ein Magnetron 4 sendet Mikrowellen über einen Koppelstift 5 durch den als Gehäuse ausgebildeten Hohlraumresonator bzw. Hohlleiter 6 in die Batterie. Die Innenwände des die Batterie umgebenden Gehäuses 7 sind so ausgebildet, daß sie die Mikrowellen, welche die Batterie aus unvorhersehbaren Grunden, z.Bt infolge eines zu geringen Säurestandes, durchdringen können, wahlweise absorbieren oder reflektieren. Wenn die Innenwände aus Metall bestehen, werden die Mikrowellen reflektiert. Soll eine Absorption stattfinden, wie in einem Absohlußwiderstand, so werden die Innenwände aus magnetische Verluste hervorrufenden Ferriten hergestellt, oder sie bestehen aus einer elektrisch halbleitenden Schicht, z.B. Graphit, wobei die elektrische Komponente der Mikrowellenstrahlung absorbiert wird. Vorzugsweise besteht die gesamte Fläche der Innenwände 7 aus die Mikrowellen absorbierenden Materialien. Zur thermischen Isolierung der warmen Batterie ist deren Gehäuse zusätzlich mit einer iolyurethan Hartschaumschicht 8 umgeben, die für eine langzeitige Wärmespeicherung sorgt.
• Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen beheizbaren Akkumulatorsystems, das eine zusätzliche Erwärmung der Flüssigkeit des Heizkreislaufs gestattet. Die Mikrowellen werden dabei über den Koppelstift 5 in einen Hohlraumresonator mit zwei Ausgangskanälen übergeführt. Der eine Ausgangskanal 9 führt zur Batterie, der andere Ausgangskanal zu einem Durchlaufbehälter 11 des Wasserkreislaufs. Die Mikrowellen können wahlweise in den Ausgangskanal 9 oder 10 gelenkt werden, oder die Strahlung wird in einem bestimmten Teilverhältnis in die beiden Kanäle geführt. Die Aufteilung bzw. Umlenkung der Mikrowellen erfolgt durch an sich bekannte Mittel, wie Richtkoppler, Kurzschlußschieber oder Umlenkbleche.
• Der Durchlaufbehälter 11 ist ein Teil des Reizungssystems.
• Der Flüssigkeitskreislauf wird in der herkömmlichen Weise durch eine vom Motor angetriebene Pumpe in Bewegung gehalten. Das Gehäuse des Durchlaufbehälters 11 besteht aus einem Kunststoff mit sehr geringen dielektrischen Verlusten, so daß die Mikrowellen hauptsächlich durch das den Behälter 11 durchlaufende Wasser absorbiert werden. Das Wasser erwärmt sich dabei derart schnell, daß das Heizungssystem bei noch kalt laufendem Motor bereits betriebsbereit ist. Auch das Heizungssystem kann wie die Batterieheizung kurz nach der Erwärmung des Wassers wieder abgeschaltet werden. Der Durchlaufbehälter 11 ist analog wie die Batterie durch einen Mikrowellenabsorber 12 abgeschirmt. Als Heizflüssigkeit kann Wasser verwendet werden, das elektrisch leitfähig gemacht wurde, vorzugsweise durch einen geringen Säurezusatz.
• Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Akkumulatorbeheizung mittels Mikrowellen nicht nur auf Fahrzeuge beschränkt, sondern kann beispielsweise auch für Ladestationen, bei denen kalte Batterien aufgeladen werden, angewendet werden.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Beheizbares Akkumulatorsystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß es aus a) einem Akkumulator mit zumindest einer für Mikrowellen durchlässigen Gehäusewand, vorzugsweise aus Bakelit, und b) einem Heizaufsatz (13) mit einem Mikrowellengenerator (4), der Wellen in zu den Akkumulator-Elektrodenplatten paralleler Richtung aussendet., besteht, wobei der Heizaufsatz (13) gegebenenfalls einen Ausgangskanal (10) für die Ableitung eines Teils der Mikrowellen zu einem mikrowellendurchlässige Wände aufweisenden Durchlauferhitzer (11) eines Heizkreislaufs aufweist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Akkumulator zusätzlich in einem Gehäuse (7) aus Metallblech zur Vernichtung der Streustrahlung befindet.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände des Gehäuses (7), vorzugsweise an ihrer gesamten Fläche, aus einem für Mikrowellen absorptionsfähigen Material bestehen, vorzugsweise aus einem Ferrit oder aus Graphit.

4. System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator eine thermische Außenisolierung (8), vorzugsweise eine Polyurethan-Hartschaumschicht, aufweist.

5. System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Durchlaufbehälter (11) durch einen Mikrowellenabsorber (12) abgeschirmt ist.

6. System nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umlenkung der Mikrowellen Richtkoppler, Kurzschlußschieber oder Umlenkbleche vorhanden sind.

7. Verfahren zur Erwärmung von Akkumulatoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, sowie gegebenenfalls eines Heizkreislaufs, dadurch gekennzeichnet, daß man als Heizquelle einen Mikrowellengenerator verwendet und die Mikrowellen parallel zu den Flächen der Elektrodenplatten gegen den Akkumulator richtet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mikrowellen teilweise ablenkt und den abgelenkten Teil gegen einen dem Heizkreislauf angehörenden Flüssigkeits-Durchlaufbehälter richtet.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Heizflüssigkeit Wasser verwendet, das elektrisch leitfähig gemacht wurde, vorzugsweise durch einen geringen Säurezusatz. Leerseite