DE4230583A1 - Elektrische Speicherbatterie, insbesondere für einen Fahrzeug-Antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speicherbatterie, insbesondere für einen Fahrzeug-Antrieb, mit einer das Batteriegehäuse umgebenden Wärmeisolationsschicht Hochleistungs-Speicherbatterien, insbesondere für Elek­ trofahrzeuge sind Hochtemperatur-Batterien, die bei­ spielsweise im Falle der Na/S-Batterie der Firma ABB im Temperaturbereich von 280°C-320°C arbeiten. Benötigt wird bei diesen Batterien eine hocheffektive Wärmeisola­ tion, um die erforderliche Temperatur mit möglichst ge­ ringen Wärmeverlusten zu halten. Andererseits benötigen diese Batterien komplexe Kühlsysteme, um bei starker Be­ lastung dieser Batterie die durch den ohmschen Widerstand der Batteriezellen erzeugte Verlustwärme abzuführen. Steht hingegen eine derartige Batterie über längere Zeit unbenutzt, so muß ein Teil der in der Batterie gespei­ cherten Energie darauf verwendet werden, die Batterie elektrisch nachzuheizen, um die Isolationswärmeverluste zu kompensieren. Diese Heiz- und Kühlsysteme, die erfor­ derlich sind, um die Betriebstemperatur der Batterie im vorgeschriebenen Bereich zu halten, verschlechtern den Gesamtwirkungsgrad einer derartigen elektrischen Speicherbatterie, da im Belastungsfall Wärme abgeführt werden muß, die in der Standphase über eine verlustreiche Wirkungsgradkette wieder zuzuführen ist.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zur Steige­ rung des Gesamtwirkungsgrades aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Wärme­ isolationsschicht zumindest teilweise als Latentwärme­ speicher ausgebildet ist. Vorteilhafte Aus- und Weiter­ bildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die Überschußwärme, die während eines Batterieladevorganges oder bei Belastung der Batte­ rie anfällt, in einem in der Batterie integrierten Latentwärmespeicher gespeichert. Durch Wärmeabgabe aus diesem Latentwärmespeicher werden die Isolationswärmever­ luste, die während der Batteriestandphase entstehen, ge­ deckt. Bevorzugt liegt der Latentwärmespeicher dabei in einem hocheffektiv isolierten Raum, so daß keine besonde­ ren Anforderungen hinsichtlich Belade- und Entladedynamik vorliegen. Da darüber hinaus in Form der Begrenzungsflä­ chen der eigentlichen Speicherbatterie relativ große Wärmeübertragungsflächen zur Verfügung stehen, läßt sich ein Latentwärmespeicher für diesen Anwendungsfall relativ einfach aufbauen.

Latentwärmespeicher sind an sich bekannt, so beispiels­ weise aus der WO 89/09375. Analog diesem bekannten Latentwärmespeicher kann auch im vorliegenden Fall eines eine elektrische Speicherbatterie umgebenden Latentwärme­ speichers ein geeignetes Speichermedium, das in den sich einstellenden Temperaturspannen einen Phasenwechsel er­ fährt, zum Einsatz kommen. Dieses Speichermedium wird be­ vorzugt in einen Raum zwischen dem eigentlichen Batterie­ gehäuse, das die einzelnen Batteriezellen aufnimmt, sowie einem das Batteriegehäuse umgebenden Speichergehäuse ein­ gefüllt. Dabei sollte das zur Verfügung stehende theore­ tische Speichervolumen nur teilweise mit Speichermedium befüllt werden, da neben der Volumenänderung beim Phasen­ übergang auch ein Pufferraum von beispielsweise 2% des theoretisch zur Verfügung stehenden Gesamtvolumens vorge­ sehen werden sollte.

Es wird vorgeschlagen, den mit dem Speichermedium befüll­ ten Raum zwischen Batteriegehäuse und Speichergehäuse nach dem Konstruktionsprinzip eines Plattenwärmetauschers mit eingelöteten Rippen bzw. Lamellen aufzubauen. Dabei sollten diese Rippen bzw. Lamellen so ausgerichtet wer­ den, daß sich geschlossene Ringräume bzw. Teilräume bil­ den, die sich über mehrere aneinander angrenzende Flächen des Batteriegehäuses erstrecken. Besitzt das Batteriege­ häuse beispielsweise eine übliche quaderförmige Gestalt, so können die meisten der durch die Lamellen bzw. Rippen gebildeten Teilräume diesen Querschnitt des Batteriege­ häuses bzw. das Batteriegehäuse umhüllen. An den beiden einander gegenüberliegenden Stirnflächen des quaderförmi­ gen Batteriegehäuses hingegen können einfache sich verti­ kal erstreckende Teilräume vorgesehen sein. Mit der ange­ gebenen Orientierung werden die Teilräume bzw. werden de­ ren Lamellen mit den geringstmöglichen Druckeinwirkungen beaufschlagt.

Wie bereits erwähnt, empfiehlt es sich nicht nur, zur Verringerung der Wärmeverluste das Speichergehäuse mit einer weiteren Isolationsschicht zu umgeben, sondern es kann darüber hinaus auch im oder am Speichergehäuse ein Wärmetauscher für einen hindurchzuschickenden Wärmeträger vorgesehen sein. Dieser Wärmeträger kann dann bei­ spielsweise dazu verwendet werden, den Innenraum eines Fahrzeuges, das mit einer erfindungsgemäßen Speicherbat­ terie ausgestattet ist, mit der im Latentwärmespeicher gespeicherten Überschußwärme zu beheizen. Selbstverständ­ lich kann dieser Wärmetauscher auch dazu dienen, bei be­ reits beladenem Latentwärmespeicher weiterhin anfallende überschußwärme abzuführen. Bevorzugt sollte jedoch das ganze System in seinen Dimensionen derart ausgelegt wer­ den, daß die eingangs angesprochenen separaten Heiz- und Kühleinrichtungen einer Hochtemperatur-Speicherbatterie vollständig entfallen können. Deren Funktion wird nämlich durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Latentwärmespei­ cher übernommen. Damit ist es möglich, die Batterie voll­ kommen zu hermetisieren und damit die Wärmeverluste so weit als möglich zu reduzieren. Daß damit wesentliche Steigerungen des Gesamtwirkungsgrades des Batteriesyste­ mes möglich sind, liegt auf der Hand. Vorteilhafterweise kann der Latentwärmespeicher zusätzlich als tragendes steifes Innengehäuse ausgeführt werden, und somit die me­ chanische Standfestigkeit der Speicherbatterie beispiels­ weise bei einem Fahrzeugcrash erhöhen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in zwei Prinzipskizzen (Fig. 1 zeigt einen Querschnitt, Fig. 2 den Teilschnitt X aus Fig. 1) dargestellt.

Mit der Bezugsziffer 1 ist das Batteriegehäuse einer elektrischen Hochtemperatur-Speicherbatterie bezeichnet. Innerhalb dieses Batteriegehäuses sind die einzelnen nicht gezeigten Batteriezellen angeordnet. Da diese Hoch­ temperatur-Speicherbatterie nur bei Betriebstemperaturen von 280°C-320°C wirkungsvoll arbeiten kann und daher die Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung über das Batte­ riegehäuse 1 geringzuhalten sind, ist das Batteriegehäuse allseitig u. a. von einer Wärmeisolationsschicht 2 umge­ ben.

Da es andererseits während des Batterieladevorganges so­ wie bei Entnahme hoher Entladeströme erforderlich ist, die Speicherbatterie zu kühlen, ist zwischen der Wärme­ isolationsschicht 2 sowie dem Batteriegehäuse l ein La­ tentwärmespeicher 3 vorgesehen. Dieser Latentwärmespei­ cher 3 besteht im wesentlichen aus einem geeigneten Spei­ chermedium, das in ein Speichergehäuse 4 eingefüllt ist, das das Batteriegehäuse 1 unter Bildung eines Zwischen­ raumes umgibt. In den Zeiten, in denen die Batterie Ab­ fallwärme bzw. Überschußwärme freisetzt, wird diese Wärme vom Latentwärmespeicher 3 aufgenommen und in diesem auf bekannte Weise, nämlich durch Phasenwechsel des Speicher­ materiales gespeichert. Ist zu anderen Zeiten hingegen eine Wärmezufuhr zur Speicherbatterie bzw. durch das Bat­ teriegehäuse 1 hindurch erforderlich, so ist der Latent­ wärmespeicher 3 in der Lage, diese erforderliche Wärme­ menge durch abermaligen Phasenwechsel des Speichermateri­ als wieder freizusetzen. Mit Auswahl eines geeigneten Speichermaterials sowie geeigneter Dimensionierung des Latentwärmespeichers 3 ist bei allen denkbaren Be­ triebszuständen die Wärmebilanz der elektrischen Speicherbatterie ausgeglichen.

Zusätzlich ist jedoch noch in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform ein in seiner Gesamtheit mit 5 bezeichneter Wärmetauscher zwischen dem Speichergehäuse 4 sowie der Wärmeisolationsschicht 2 vorgesehen. Über diesen Wärme­ tauscher 5 kann zum einen in den Fällen, in denen der La­ tentwärmespeicher 3 nicht in der Lage ist, die gesamte Überschußwärme der elektrischen Speicherbatterie aufzunehmen, überschüssige Abfallwärme abgeführt werden. Insbesondere jedoch kann über diesen Wärmetauscher 5, der aus einer Vielzahl von Rohren 5a besteht, ein Wärmeträger erwärmt werden, der aus der elektrischen Speicherbatterie herausführbar ist und beispielsweise der Beheizung des Fahrzeuges, in dem diese Speicherbatterie eingebaut ist, dienen kann.

Wie Fig. 2 zeigt, sind im Raum zwischen dem Batteriege­ häuse 1 sowie dem Speichergehäuse 4 Rippen 6 vorgesehen, die durch mäanderförmig zwischen dem Batteriegehäuse 1 sowie dem Speichergehäuse 4 eingelötete Lamellen gebildet werden. Diese Rippen bilden eine Vielzahl von Teilräumen 7, von denen einer in Fig. 1 zu sehen ist und von denen zumindest die meisten in sich geschlossene Ringräume bil­ den. Lediglich die nicht gezeigten, durch die Verrippung entstehenden Teilräume an den beiden Stirnseiten des Bat­ teriegehäuses 1 erstrecken sich lediglich längs der Stirnseiten bevorzugt in vertikaler Richtung. Befüllt sind die einzelnen Teilräume 7 mit dem in den sich ein­ stellenden Temperaturspannen einen Phasenwechsel durch­ führenden Speichermedium. Die gezeigte Orientierung der Teilräume 7 ist dabei einem optimalen Phasenwechsel för­ derlich. Jedoch kann dies sowie weitere konstruktive De­ tails durchaus anderweitig gestaltet sein, ohne den In­ halt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Elektrische Speicherbatterie, insbesondere für einen Fahrzeug-Antrieb, mit einer das Batteriegehäuse (1) umgebenden Wärmeisolationsschicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolations­ schicht (2) zumindest teilweise als Latentwärmespei­ cher (3) ausgebildet ist.

2. Speicherbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Latentwärmespeicher (3) aus einem geeigneten, in den sich einstellenden Temperaturspannen einen Phasenwechsel durchführenden Speichermedium besteht, das sich in einem Raum zwi­ schen dem Batteriegehäuse (1) sowie einem dieses um­ gebenden Speichergehäuse (4) befindet.

3. Speicherbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Batte­ riegehäuse (1) und Speichergehäuse (4) verrippt ist.

4. Speicherbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) sich über mehrere aneinander angrenzende Flächen des Batterie­ gehäuses (1) erstreckende Teilräume (7) bilden.

5. Speicherbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Teilräume (7) in sich geschlossene Ringräume bilden.

6. Speicherbatterie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) durch mä­ anderförmig zwischen Batteriegehäuse (1) und Spei­ chergehäuse (4) eingelötete Lamellen gebildet wer­ den.

7. Speicherbatterie nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichergehäuse (4) von einer weiteren Isolationsschicht (2) umgeben ist.

8. Speicherbatterie nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im oder am Speicherge­ häuse (4) ein Wärmetauscher (5) für ein aus der Bat­ terie herausführbares Wärmeträgermittel vorgesehen ist.