EP2664022A1 - Batterietemperierung durch aggregatzustandswechselmaterial - Google Patents

Batterietemperierung durch aggregatzustandswechselmaterial

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Publication number
EP2664022A1
EP2664022A1 EP12700456.2A EP12700456A EP2664022A1 EP 2664022 A1 EP2664022 A1 EP 2664022A1 EP 12700456 A EP12700456 A EP 12700456A EP 2664022 A1 EP2664022 A1 EP 2664022A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
latent heat
heat storage
state
crystallization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12700456.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo Kerkamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2664022A1 publication Critical patent/EP2664022A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/659—Means for temperature control structurally associated with the cells by heat storage or buffering, e.g. heat capacity or liquid-solid phase changes or transition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a device for tempering a battery (1) comprising a battery (2) and a latent heat accumulator (3), which can change its state of aggregation from liquid to solid and thereby
  • Heat of crystallization for heating the battery (2) can give off and wherein the crystallization can be triggered by a pulse.
  • the present invention further relates to products comprising this device and a method for controlling the temperature of batteries.
  • the usable capacity and performance of conventional Li-ion batteries is strongly influenced by the ambient temperature of the component. Therefore, especially at low ambient temperatures, it is necessary to set the battery to near-room temperature, i.e., prior to or directly at start-up. To heat 18 ° C to 20 ° C. For this purpose, separate heating systems are optionally heated in conjunction with an additional battery of other chemistry (e.g., lead acid).
  • chemistry e.g., lead acid
  • Heat of crystallization for heating is known, for example, from gel pocket warmers.
  • a gel pocket warmer For a gel pocket warmer, the
  • Crystallization be initiated for example by a bendable metal plate.
  • the invention relates to a device for controlling the temperature of a battery (1) comprising a battery (2) and a latent heat accumulator (3), which can change its state of aggregation from liquid to solid and thereby
  • Heat of crystallization for heating the battery (2) and emits the crystallization is triggered by a pulse.
  • the invention also provides a device for tempering a battery (1) comprising a battery (2) and a latent heat accumulator (3), which can absorb excess heat of the battery (2) and thereby changes its state of aggregation from solid to liquid and thus the battery (2) cools.
  • the device is characterized
  • the latent heat storage (3) is a gel.
  • the device is characterized
  • the latent heat store (3) is located in a housing (4) which is arranged around the battery (1).
  • the housing can completely enclose the battery.
  • the housing can only enclose parts of the battery.
  • the device is characterized in that the latent heat accumulator (3) is located in a plurality of separate housings (4) arranged around the battery (1).
  • the device is characterized in that the change of the state of aggregation of the latent heat storage (3) in the separate
  • Housings (4) can be controlled independently.
  • the device is characterized in that the latent heat accumulator (3) is located directly in the battery (1).
  • Another aspect of the invention relates to a product, characterized in that it comprises a device according to the invention.
  • the product is a device or a vehicle.
  • Another aspect of the invention relates to a method for controlling the temperature of a battery, characterized in that a battery (2) with a
  • Latent heat storage (3) is brought into contact and wherein the battery is heated by the latent heat storage (3) has a liquid
  • Has state of aggregation and the latent heat storage (3) his State of matter from liquid to solid can change while heat of crystallization to heat the battery (2) and the crystallization of the latent heat storage (3) is triggered by a pulse, and wherein the battery is cooled by the fact that the latent heat storage (3) has a solid state and the latent heat storage (3) can absorb heat and thereby changes its state of matter from solid to liquid.
  • Another aspect of the invention relates to a method for heating a battery (2), characterized in that a battery (2) with a
  • Latent heat store (3) has a liquid state of matter and the latent heat storage (3) can change its state from liquid to solid and thereby heat of crystallization to heat the battery (2) emits and wherein the crystallization of the latent heat storage (3) is triggered by a pulse.
  • Another aspect of the invention relates to a method for cooling a battery (2), characterized in that a battery (2) with a
  • Latent heat storage (3) has a solid state of matter and the
  • Latent heat storage (3) can absorb heat while keeping its
  • the present invention utilizes the in the crystallization of a
  • Latent heat storage (3) released heat of crystallization for heating a battery (2) at low ambient temperature to an optimum
  • the liberated heat of crystallization may be used to heat a battery (2) to a preferred temperature range for operation of the battery (eg 18 °, 19 °, 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C).
  • the preferred temperature range depends on the cell chemistry used and the battery type.
  • Electrochemical cells are electrochemical energy storage and
  • battery is used as a generic term for battery, electrochemical cell and accumulator.
  • Ah ampere-hours
  • ampere-seconds coulomb
  • the usable capacity of a battery depends on the discharge conditions, for example, the temperature and the history of the battery (for example, duration and conditions of storage before discharge).
  • Self-discharge speed depends, among other things, on the type of battery and the temperature. The lower the storage temperature, the lower the self-discharge. Therefore, it may be advantageous to store the battery at low temperature just before use, to the optimum
  • a lithium battery is a primary cell that uses lithium as the active material in the negative electrode. In contrast to the lithium-ion battery, it is not designed to be rechargeable. The latter are often referred to as lithium battery.
  • lithium batteries are the Lithium thionyl chloride battery, lithium manganese dioxide battery, lithium sulfur dioxide battery, lithium carbon monofluoride battery, lithium iodine battery, lithium iron sulfide battery.
  • Examples of other batteries are the alkaline manganese battery, nickel
  • Oxyhydroxide battery mercury oxide zinc battery, silver oxide zinc cells, zinc brownstone cell, zinc chloride battery, zinc air battery,
  • An accumulator (rechargeable battery) is a reusable storage for electrical energy, mostly based on an electrochemical system, and thus a
  • a rechargeable battery In contrast to a non-rechargeable battery of primary cells, a rechargeable battery consists of one or more rechargeable secondary cells.
  • accumulators are used as a starter battery for generating power for light, on-board electronics and for the starter for starting the internal combustion engine. They provide power until the engine is running, then the accumulator is recharged via the generator operating as a generator. Similarly, accumulators can be used in motorcycles, ships and aircraft.
  • rechargeable batteries examples include the NiCd (nickel-cadmium) rechargeable battery, the NiH 2 (nickel-hydrogen) rechargeable battery, the NiMH (nickel-metal hydride) rechargeable battery, NiFe (nickel-iron) rechargeable battery, the Li Ion - (Li-ion accumulator, LiPo (lithium-polymer) accumulator, LiFe (lithium-metal) accumulator, LMP (lithium-metal-polymer) accumulator, Li-Mn - (lithium-manganese -) Accumulator, the LiFeP0 4 - (Lithium-Iron-Phosphate) accumulator, the LiTi - (lithium titanate) accumulator, the LiS - (lithium-sulfur)
  • Rechargeable battery the Rechargeable Alkaline Manganese (RAM) rechargeable battery, PTMA (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl methacrylate) rechargeable battery, Na / NiCI (sodium nickel chloride high temperature) rechargeable battery, the SCiB - (Super charge lon-battery) accumulator, the SnC / Li 2 S - (tin-sulfur-lithium)
  • the latent heat store (3) is arranged around the battery (2).
  • the latent heat storage is a storage material that can change its state of aggregation from liquid to solid and vice versa, and thereby releases or absorbs energy.
  • the latent heat store (3) is preferably located in one or more containers, for example one or more housings (4), one or more foils in order to fix the latent heat store (3) in the liquid state.
  • Latent heat storage (3) is located for example in a container made of pure plastic or a container made of a plastic with additives (for example ceramic particles) to increase the thermal conductivity or a container made of metal, which preferably has a high thermal conductivity (eg copper, aluminum) and optionally in addition has a low density.
  • additives for example ceramic particles
  • the latent heat storage is present as a liquid that performs a phase change on cooling.
  • Usually salt water or a special gel with high heat storage coefficient is used as material for latent heat storage.
  • the phase change can be recognized by the fact that the
  • Latent heat storage is hard and thick when charged (i.e., cooled).
  • the latent heat storage can be added to a substance that prevents fouling.
  • Latent heat storage (3) work by utilizing the enthalpy of reversible thermodynamic changes in state of the storage material, preferably the solid-liquid phase transition (solidification / melting).
  • Latent heat storage contain, for example, special salts or paraffins as content, which serve as a storage medium.
  • the memory material When charging the storage material of the latent heat storage (3), the memory material is melted, which can thus absorb a lot of heat energy (heat of fusion). This process is reversible. When solidifying, the storage material returns exactly this amount of heat.
  • Glauber's salt or alum or sodium acetate trihydrate may be used as
  • Storage medium can be used in latent heat storage.
  • Sodium acetate trihydrate for example, is liquefied at a melting temperature of 58 ° C and remains even at much lower temperatures - possibly down to -20 ° C - liquid and exists there as a supercooled melt in one
  • the crystallization can be triggered by a pulse, for example a metal plate, which is pressed into the latent heat storage.
  • a pulse or trigger events or materials that initiate the crystallization of the latent heat storage are referred to as a pulse or trigger.
  • triggers are platelets that can be pushed into the latent heat storage.
  • Triggers are also crystallization seeds that are added to the latent heat storage.
  • Triggers can be pressure waves that trigger crystallization in the supersaturated solution of latent heat storage. The compression of the latent heat storage can also trigger the crystallization.
  • the advantage of this heat storage technique is based on storing as much heat energy in as little mass as possible in a temperature range which is precisely defined by the melting temperature of the latent heat storage used. For technical applications of liquid-crystalline latent heat storage, recrystallization shortly below the melting temperature is generally desired.
  • Crystallization is the process of forming crystals from a supersaturated solution.
  • the material to be crystallized must first be supersaturated. This happens, for example, by cooling processes of solutions or melts, or by evaporation of the solvent.
  • the supersaturation can also be produced by mixing two solutions, each containing one of the components.
  • the previously solved Molecules or elements in a regular, partly substance-specific form can be accelerated by adding seed crystals, which then continue to grow in the supersaturated solution.
  • Algglomeration sites i.e. without nucleation, supercooling down to -30 ° C is possible before the water molecules are arranged in a crystal lattice.
  • a vibration can trigger the crystallization spontaneously.
  • the heat of crystallization (solidification heat) is released when a substance changes its state of aggregation from liquid to solid. Due to the
  • Fig. 1 shows the schematic structure of a device for temperature control of a battery (1).
  • Figure 1 shows a device for temperature control of a battery (1), with battery
  • the latent heat storage (3) is arranged around the battery cell (2).
  • the latent heat storage is a storage material that can change its state of matter from liquid to solid and vice versa and thereby emits or absorbs energy.
  • Latent heat storage (3) in one or more containers for example one or more housings (4), one or more film to fix the latent heat storage (3) in the liquid state.
  • the functioning device for battery temperature control (1) is as follows:
  • the device for temperature control of a battery (1) has on the one hand a
  • Latent heat storage absorbs the heat energy.
  • the heat supply causes a phase transition in the latent heat storage, causing the
  • Storage material changes into the liquid state of aggregation.
  • the absorption of the excess heat of the battery by the latent heat storage leads to melting of the storage material.
  • the heat dissipation cools the battery.
  • the device for controlling the temperature of a battery (1) has a heating function.
  • the latent heat storage (3) is in the liquid state.
  • the crystallization of the latent heat storage (3) is triggered. In this case, there is a phase transition from the liquid to the solid state in the latent heat storage. During the crystallization, the heat of crystallization is released, that of the at
  • Latent heat storage (3) adjacent battery (2) is recorded. This will warm the battery up.
  • the device acts as a heating element.
  • Heat of crystallization can be used to heat or preheat the battery.
  • the housing (4) can be designed such that the latent heat accumulator is mounted in several separate housings.
  • the individual housings can be controlled together.
  • the individual housings can be controlled independently of one another. This means that the crystallization can be triggered independently in the individual housings. This means that the pulses can be triggered independently of each other in the individual housings. About the number of triggered
  • Crystallization processes or the number of driven housing or the number of driven latent heat storage can be adjusted in this way, the amount of heat released. In this way, regardless of the low outlet temperature, the optimum operating temperature of the battery can be adjusted. With a large number of small cases, the
  • the battery can be tempered and optionally the temperature of the battery can be set exactly.
  • Latent heat storage also be installed in the battery. Preferably, the latent heat storage is then in small intervals in the battery.
  • the crystallization of the latent heat storage and thus the heating function of the device for temperature control of a battery (1) is not triggered when the ambient temperature is high enough.
  • the latent heat storage (1) then remains off and does not heat up the battery.
  • the device according to the invention for controlling the temperature of a battery (1) can be used in all stationary or mobile batteries regardless of the chemical composition.
  • the invention also includes products comprising the device for controlling the temperature of a battery (1), for example devices and vehicles.
  • the device for controlling the temperature of a battery (1) can be used in all devices in which a battery is to operate at a certain temperature, for example in motor vehicles, in stationary power stores (for example in connection with photovoltaic systems or wind turbines) or in
  • a particular embodiment of the invention relates to the use of the device for temperature control of a battery (1) in vehicles, such as cars, ships, aircraft, motorcycles.
  • the advantages of the device according to the invention for controlling the temperature of a battery (1) are that a car can start at very low temperatures without requiring an energy-intensive preheating of the battery by means of a separate system. Energy consumption for preheating the battery at low ambient temperatures is reduced. With the device, a faster heating of the battery can be achieved, the warm-up phase is shortened. With the device, operation of the battery in the optimal
  • Temperature range can be ensured. This can increase the life of the battery. An additional battery heater may be unnecessary. As a result, the manufacturing and repair costs are reduced.
  • the invention can be detected clearly and simply visually or by simple measuring technology on the product by the use of a heating / cooling medium with latent heat storage.

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Description

Beschreibung Titel
Batterietemperierung durch Aggregatzustandswechselmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie (1) umfassend eine Batterie (2) und einen Latentwärmespeicher (3), der seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei
Kristallisationswärme zum Aufheizen der Batterie (2) abgeben kann und wobei die Kristallisation durch einen Impuls ausgelöst werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Erzeugnisse, die diese Vorrichtung umfassen und ein Verfahren zur Temperierung von Batterien.
Stand der Technik
Die nutzbare Kapazität und Leistung von herkömmlichen Li-Ionen-Batterien wird stark durch die Umgebungstemperatur des Bauteils beeinflusst. Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist es daher notwendig, die Batterie vor oder direkt bei der Inbetriebnahme auf fast Raumtemperatur, d.h. 18° C bis 20° C zu heizen. Dazu werden separate Heizsysteme gegebenenfalls in Verbindung mit einer zusätzlichen Batterie anderer Chemie (z.B. Blei-Säure) aufgeheizt.
Das Prinzip, die bei der Kristallisation eines Materials freiwerdende
Kristallisationswärme zum Heizen zu verwenden, ist beispielsweise von Gel- Taschenwärmern bekannt. Bei einem Gel-Taschenwärmer kann die
Kristallisation beispielsweise durch ein knickbares Metallplättchen eingeleitet werden.
Offenbarung der Erfindung Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie (1) umfassend eine Batterie (2) und einen Latentwärmespeicher (3), der seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei
Kristallisationswärme zum Aufheizen der Batterie (2) abgibt und wobei die Kristallisation durch einen Impuls ausgelöst wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie (1) umfassend eine Batterie (2) und einen Latentwärmespeicher (3), der überschüssige Wärme der Batterie (2) aufnehmen kann und dabei seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig ändert und somit die Batterie (2) kühlt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (3) ein Gel ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass sich der Latentwärmespeicher (3) in einem Gehäuse (4) befindet, das um die Batterie (1) angeordnet ist. Das Gehäuse kann die Batterie vollständig umschließen. Das Gehäuse kann nur Teile der Batterie umschließen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sich der Latentwärmespeicher (3) in mehreren, separaten Gehäusen (4) befindet, die um die Batterie (1) angeordnet ist. In einer besonderen
Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel des Aggregatszustands der Latentwärmespeicher (3) in den separaten
Gehäusen (4) unabhängig voneinander gesteuert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sich der Latentwärmespeicher (3) direkt in der Batterie (1) befindet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Erzeugnis, dadurch gekennzeichnet, dass es eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Erzeugnis ein Gerät oder ein Fahrzeug.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, das eine Batterie (2) mit einem
Latentwärmespeicher (3) in Kontakt gebracht wird und wobei die Batterie dadurch erwärmt wird, das der Latentwärmespeicher (3) einen flüssigen
Aggregatzustand aufweist und der Latentwärmespeicher (3) seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei Kristallisationswärme zum Aufheizen der Batterie (2) abgibt und wobei die Kristallisation des Latentwärmespeichers (3) durch einen Impuls ausgelöst wird, und wobei die Batterie dadurch gekühlt wird, dass der Latentwärmespeicher (3) einen festen Aggregatzustand aufweist und der Latentwärmespeicher (3) Wärme aufnehmen kann und dabei seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig ändert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen einer Batterie (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (2) mit einem
Latentwärmespeicher (3) in Kontakt gebracht wird und wobei der
Latentwärmespeicher (3) einen flüssigen Aggregatzustand aufweist und der Latentwärmespeicher (3) seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei Kristallisationswärme zum Aufheizen der Batterie (2) abgibt und wobei die Kristallisation des Latentwärmespeichers (3) durch einen Impuls ausgelöst wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (2) mit einem
Latentwärmespeicher (3) in Kontakt gebracht wird, wobei der
Latentwärmespeicher (3) einen festen Aggregatzustand aufweist und der
Latentwärmespeicher (3) Wärme aufnehmen kann und dabei seinen
Aggregatzustand von fest nach flüssig ändert.
Die vorliegende Erfindung nutzt die bei der Kristallisation eines
Latentwärmespeichers (3) freiwerdende Kristallisationswärme zum Aufheizen einer Batterie (2) bei niedriger Umgebungstemperatur auf eine optimale
Betriebstemperatur. Die frei werdende Kristallisationswärme kann zum Aufheizen einer Batterie (2) auf einen bevorzugten Temperaturbereich für den Betrieb der Batterie (beispielsweise 18°, 19°, 20°C, 40°C, 60°C) verwendet werden. Der bevorzugte Temperaturbereich ist hierbei von der verwendeten Zellchemie und dem Batterietyp abhängig.
Soll die Batterie (2) nach längerer Standzeit bei niedrigen Temperaturen eingeschaltet werden, kann durch einen geeigneten Impuls (Tigger) die
Kristallisation des Latentwärmespeichers (3) eingeleitet werden, woraufhin dieser seine thermisch gespeicherte Energie in Form von Kristallisationswärme freigibt und die Batterie (2) damit aufheizt.
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiespeicher und
Energiewandler. Bei der Entladung einer elektrochemischen Zelle wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In diesen Zellen sind die Reaktionen bei der Entladung teilweise unumkehrbar. Dagegen sind die wiederaufladbaren
Sekundärbatterien (Akkumulatoren) weitgehend in den Ladezustand ähnlich dem
Neuzustand zu bringen, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist. In der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff Batterie als Oberbegriff für Batterie, elektrochemische Zelle und Akkumulator verwendet.
Die Kapazität wird in Amperestunden (Abkürzung: Ah) oder in Amperesekunden = Coulomb (Einheitenzeichen: C) angegeben. Als Kapazität einer Batterie wird die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladung bezeichnet. Man
unterscheidet die theoretische Kapazität (hängt von der Menge des aktiven Materials in der Batterie ab) von der unter bestimmten Bedingungen
entnehmbaren Ladung (nutzbare Kapazität). Die nutzbare Kapazität einer Batterie hängt von den Entladebedingungen, beispielsweise der Temperatur und der Vorgeschichte der Batterie (beispielsweise Dauer und Bedingungen der Lagerung vor der Entladung) ab.
Alle Batterien unterliegen bei Lagerung der Selbstentladung. Die
Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Batterie bei niedriger Temperatur zu lagern, um sie erst kurz vor, Gebrauch auf die optimale
Betriebstemperatur zu bringen.
Eine Lithium Batterie ist eine Primärzelle, bei der Lithium als aktives Material in der negativen Elektrode verwendet wird. Sie ist im Gegensatz zum Lithium- Ionen-Akkumulator nicht wieder aufladbar ausgelegt. Letztere werden häufig ebenfalls als Lithium Batterie bezeichnet. Beispiele für Lithium Batterien sind die Lithium-Thionylchlorid-Batterie, Lithium-Mangandioxid-Batterie, Lithium- Schwefeldioxid-Batterie, Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie, Lithium-lod- Batterie, Lithium-Eisensulfid-Batterie. Beispiele für andere Batterien sind die Alkali-Mangan-Batterie, Nickel-
Oxyhydroxid-Batterie, Quecksilberoxid-Zink-Batterie, Silberoxid-Zink-Zellen, Zink- Braunstein-Zelle, Zinkchlorid-Batterie, Zink-Luft-Batterie,
Ein Akkumulator (Akku) ist ein mehrfach nutzbarer Speicher für elektrische Energie, meistens auf Basis eines elektrochemischen Systems, und damit eine
Sonderform einer Batterie. Im Unterschied zu einer nicht wieder aufladbaren Batterie aus Primärzellen besteht ein Akkumulator aus einer oder mehreren wiederaufladbaren Sekundärzellen. In Fahrzeugen werden Akkumulatoren als Starterbatterie zur Erzeugung von Strom für Licht, Bordelektronik und für den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors eingesetzt. Sie liefern Strom bis der Motor läuft, dann wird der Akkumulator über die als Generator arbeitende Lichtmaschine wieder aufgeladen. Analog sind Akkumulatoren in Motorrädern, Schiffen und Flugzeugen einsetzbar. Beispiele für Akkumulatoren sind der NiCd - (Nickel-Cadmium-) Akkumulator, der NiH2 - (Nickel-Wasserstoff-) Akkumulator, der NiMH - (Nickel-Metallhydrid-) Akkumulator, NiFe - (Nickel-Eisen-) Akkumulator, der Li-Ion - (Lithium-Ionen- Akkumulator, LiPo - (Lithium-Polymer-) Akkumulator, LiFe - (Lithium-Metall-) Akkumulator, LMP - (Lithium-Metall-Polymer-) Akkumulator, Li-Mn - (Lithium- Mangan-) Akkumulator, der LiFeP04 - (Lithium-Eisen-Phosphat-) Akkumulator, der LiTi - (Lithium-Titanat-) Akkumulator, der LiS - (Lithium-Schwefel-)
Akkumulator, der RAM - (Rechargeable Alkaline Manganese-) Akkumulator, PTMA - (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl-Methacrylat-) Akkumulator, Na/NiCI - (Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur) Akkumulator, der SCiB - (Super Charge lon-Battery) Akkumulator, der SnC/Li2S - (Zinn-Schwefel-Lithium-)
Akkumulator, der Silber-Zink-Akkumulator, der Vanadium-Redox-Akkumulator, der Zink-Brom-Akkumulator.
In der einfachsten Ausführungsform ist der Latentwärmespeicher (3) um die Batterie (2) angeordnet. Der Latentwärmespeicher ist ein Speichermaterial, das seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest und umgekehrt wechseln kann und dabei Energie abgibt beziehungsweise aufnimmt. Vorzugsweise befindet sich der Latentwärmespeicher (3) in einem oder mehreren Behältnissen, beispielsweise einem oder mehreren Gehäusen (4), einer oder mehreren Folien, um den Latentwärmespeicher (3) im flüssigen Zustand zu fixieren. Der
Latentwärmespeicher (3) befindet sich beispielsweise in einem Behälter aus reinem Kunststoff oder einem Behälter aus einem Kunststoff mit Zusatzstoffen (beispielsweise Keramikpartikeln) zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit oder einem Behälter aus Metall, welches vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kupfer, Aluminium) aufweist und gegebenenfalls zusätzlich eine geringe Dichte aufweist.
Der Latentwärmespeicher liegt als Flüssigkeit vor, die bei Abkühlung einen Phasenwechsel ausführt. Meist wird Salzwasser oder ein spezielles Gel mit hohem Wärmespeicherkoeffizienten als Material für Latentwärmespeicher verwendet. In diesem Fall ist der Phasenwechsel daran zu erkennen, dass der
Latentwärmespeicher hart und dick ist, wenn er aufgeladen (d.h. gekühlt) wurde. Dem Latentwärmespeicher kann eine Substanz zugesetzt sein, die das Faulen verhindert.
Latentwärmespeicher (3) funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermaterials, vorzugsweise des Phasenübergangs fest-flüssig (Erstarren/Schmelzen).
Latentwärmespeicher enthalten beispielsweise spezielle Salze oder Paraffine als Inhalt, die als Speichermedium dienen. Beim Aufladen des Speichermaterials des Latentwärmespeichers (3) wird das Speichermaterial geschmolzen, das damit viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnehmen kann. Dieser Vorgang ist reversibel. Beim Erstarren gibt das Speichermaterial genau diese Wärmemenge wieder ab. Beispielsweise können Glaubersalz oder Alaun oder Natriumacetat-Trihydrat als
Speichermedium in Latentwärmespeichern verwendet werden. Natriumacetat- Trihydrat beispielsweise wird bei einer Schmelztemperatur von 58 °C verflüssigt und bleibt auch noch bei viel tieferen Temperaturen - unter Umständen bis -20 °C - flüssig und existiert dort als unterkühlte Schmelze in einem
metastabilen Zustand. Die Kristallisation kann durch einen Impuls, beispielsweise ein Metallplättchen, das in den Latentwärmespeicher gedrückt wird, ausgelöst. Der
Latentwärmespeicher erwärmt sich dabei, wobei sich die vollständige
Kristallisation und damit die Freigabe der latenten Wärme über eine längere Zeit erstrecken kann.
In der vorliegenden Erfindung werden Ereignisse oder Materialien, die die Kristallisation des Latentwärmespeichers auslösen als Impuls oder Trigger bezeichnet. Beispiele für Trigger sind Plättchen, die in den Latentwärmespeicher gedrückt werden können. Trigger sind auch Kristallisationskeime, die dem Latentwärmespeicher zugesetzt werden. Trigger können Druckwellen sein, die in der übersättigten Lösung des Latentwärmespeichers die Kristallisation auslösen. Die Kompression des Latentwärmespeichers kann ebenfalls die Kristallisation triggern.
Der Vorteil dieser Wärmespeichertechnik beruht darauf, in einem durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Latentwärmespeichers genau festgelegten Temperaturbereich möglichst viel Wärmeenergie in möglichst wenig Masse zu speichern. Für technische Anwendungen flüssigkristalliner Latentwärmespeicher ist in der Regel eine Rekristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur erwünscht.
Moderne Latentwärmespeicher auf Salz- oder Paraffinbasis haben für verschiedene Anwendungen entwickelte physikalische Eigenschaften und sind für nahezu alle Temperaturbereiche erhältlich. Sie finden zunehmend
Anwendung und ermöglichen das Abpuffern der Temperatur im Bereich der optimalen Betriebstemperatur der Batterie nach unten wie oben.
Als Kristallisation bezeichnet man den Vorgang der Bildung von Kristallen aus einer übersättigten Lösung. Damit sich ein Kristall bilden kann, muss der auszukristallisierende Stoff zunächst in Übersättigung gebracht werden. Dies geschieht zum Beispiel durch Abkühlungsprozesse von Lösungen oder von Schmelzen, oder durch Verdampfen des Lösungsmittels. Bei Kristallen, die aus mehreren Komponenten bestehen (zum Beispiel lonenkristalle), kann die Übersättigung auch durch Mischen von zwei Lösungen hergestellt werden, die jeweils eine der Komponenten enthalten. Dabei ordnen sich die zuvor gelösten Moleküle bzw. Elemente in einer regelmäßigen, teils stoffspezifischen Form an. Dieser Prozess kann beschleunigt werden, wenn Impfkristalle hinzugefügt werden, die dann in der übersättigten Lösung weiterwachsen. Ohne
„Anlagerungsstellen", d.h. ohne Kristallisationskeim ist eine Unterkühlung bis - 30°C möglich, bevor sich die Wassermoleküle in ein Kristallgitter einordnen.
Beispielsweise kann dann eine Erschütterung die Kristallisation spontan auslösen.
Die Kristallisationswärme (Erstarrungswärme) wird freigesetzt, wenn ein Stoff seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändert. Auf Grund des
Energieerhaltungssatzes ist die freiwerdende Energie gleich groß wie die für das Schmelzen des Stoffes aufzuwendende Energie (siehe auch Schmelzwärme). Bei verschiedenen Stoffen ist die Erstarrungswärme (=Schmelzwärme) pro Kilogramm Masse unterschiedlich groß.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie(1 ). Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1), mit Batterie
(2), Latentwärmespeicher (3) und Gehäuse (4). In dieser einfachsten
Ausführungsform ist der Latentwärmespeicher (3) um die Batteriezelle (2) angeordnet. Der Latentwärmespeicher ist ein Speichermaterial, das seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest und umgekehrt wechseln kann und dabei Energie abgibt beziehungsweise aufnimmt. Vorzugsweise befindet sich der
Latentwärmespeicher (3) in einem oder mehreren Behältnissen, beispielsweise einem oder mehreren Gehäusen (4), einer oder mehreren Folie, um den Latentwärmespeicher (3) im flüssigen Zustand zu fixieren.
Die Funktionsweise Vorrichtung zur Batterietemperierung (1) ist wie folgt: Die Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) hat einerseits eine
Kühlfunktion.
Wenn die Batterie in Betrieb ist, wird von der Batterie Energie erzeugt. Der überwiegende Teil der Energie wird verbraucht. Ein Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt. Die Wärmeenergie wird von der Batterie an den
Latentwärmespeicher abgegeben, der die Batterie umgibt. Der
Latentwärmespeicher nimmt die Wärmeenergie auf. Die Wärmezufuhr bewirkt einen Phasenübergang in dem Latentwärmespeicher, wodurch sich der
Aggregatzustand des Latentwärmespeichers ändert. Das zuvor feste
Speichermaterial geht in den flüssigen Aggregatzustand über. Die Aufnahme der überschüssigen Wärme der Batterie durch den Latentwärmespeicher führt zum Schmelzen des Speichermaterials. Durch die Wärmeabgabe wird die Batterie gekühlt.
Die Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) hat andererseits eine Heizfunktion.
Wenn die Batterie (2) nicht in Betrieb ist bzw. ausgeschaltet ist, wird von der Batterie (2) keine Energie erzeugt. Der Latentwärmespeicher (3) befindet sich im flüssigen Aggregatzustand. Durch einen Impuls wird die Kristallisation des Latentwärmespeichers (3) ausgelöst. Dabei findet ein Phasenübergang von dem flüssigen zum festen Aggregatzustand im Latentwärmespeicher statt. Bei der Kristallisation wird die Kristallisationswärme frei, die von der an den
Latentwärmespeicher (3) grenzende Batterie (2) aufgenommen wird. Dadurch wird die Batterie aufgewärmt. Die Vorrichtung wirkt als Heizelement.
Die Vorrichtung und die von dem Latentwärmespeicher abgegebene
Kristallisationswärme kann zum Aufheizen oder Vorheizen der Batterie verwendet werden.
Das Gehäuse (4) kann derart ausgeführt sein, dass der Latentwärmespeicher in mehreren separaten Gehäusen gelagert ist. Die einzelnen Gehäuse lassen sich gemeinsam ansteuern. In einer bevorzugten Ausführungsform lassen sich die einzelnen Gehäuse unabhängig voneinander ansteuern. Das bedeutet, die Kristallisation kann in den einzelnen Gehäusen unabhängig ausgelöst werden. Das heißt, die Impulse können in den einzelnen Gehäusen unabhängig voneinander ausgelöst werden. Über die Anzahl der ausgelösten
Kristallisationsvorgänge bzw. die Anzahl der angesteuerten Gehäuse bzw. die Anzahl der angesteuerten Latentwärmespeicher kann auf diese Weise die freigesetzte Wärmemenge eingestellt werden. Auf diese Weise kann unabhängig von der zu niedrigen Ausgangstemperatur die optimale Betriebstemperatur der Batterie eingestellt werden. Mit einer Vielzahl kleiner Gehäuse, die
Latentwärmespeicher enthalten und die die Batterie umgeben, kann die Batterie temperiert werden und gegebenenfalls die Temperatur der Batterie exakt eingestellt werden.
Um eine bessere Heizung direkt an der Batterie zu erreichen kann der
Latentwärmespeicher auch in der Batterie angebracht sein. Vorzugsweise befindet sich der Latentwärmespeicher dann in kleinen Zwischenräumen in der Batterie.
Die Kristallisation des Latentwärmespeichers und damit die Heizfunktion der Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) wird nicht ausgelöst, wenn die Umgebungstemperatur hoch genug ist. Der Latentwärmespeicher (1) bleibt dann ausgeschaltet und heizt die Batterie nicht auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) ist bei allen stationär oder mobil eingesetzten Batterien unabhängig von der chemischen Zusammensetzung einsetzbar.
Die Erfindung umfasst auch Erzeugnisse, die die Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) umfassen, beispielsweise Geräte und Fahrzeuge.
Die Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) kann in allen Geräten, in denen eine Batterie bei einer bestimmten Temperatur arbeiten soll, angewendet werden, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in stationären Stromspeichern (z.B. in Verbindung mit Photovoltaik Anlagen oder Windkraftanlagen) oder in
Elektrowerkzeugen. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung der Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) in Fahrzeugen, z.B. Autos, Schiffen, Flugzeugen, Motorrädern.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie (1) sind, dass ein Auto bei sehr niedrigen Temperaturen starten kann, ohne dass ein energieaufwendiges Vorheizen der Batterie mittels eines separaten Systems notwendig wäre. Der Energieverbrauch zur Vorheizung der Batterie bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird reduziert. Mit der Vorrichtung kann eine schnellere Erwärmung der Batterie erreicht werden, die Aufwärmphase verkürzt sich. Mit der Vorrichtung kann ein Betrieb der Batterie im optimalen
Temperaturbereich gewährleistet werden. Dadurch kann die Lebensdauer der Batterie erhöht werden. Eine zusätzliche Batterieheizung wird gegebenenfalls überflüssig. Dadurch werden die Herstellungs- und Reparaturkosten gesenkt.
Die Erfindung ist am Erzeugnis durch den Einsatz eines Heiz-/Kühlmittels mit Latentwärmespeicher eindeutig und einfach optisch oder mittels einfacher Messtechnik nachweisbar.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie (1) umfassend eine Batterie (2) und einen Latentwärmespeicher (3), der seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei Kristallisationswärme zum Aufheizen der Batterie (2) abgeben kann und wobei die Kristallisation durch einen Impuls ausgelöst werden kann.
2. Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie (1) umfassend eine Batterie (2) und einen Latentwärmespeicher (3), der überschüssige Wärme der Batterie (2) aufnehmen kann und dabei seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig ändert und somit die Batterie (2) kühlt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (3) ein Gel ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (3) sich in einem Gehäuse (4) befindet, das um die Batterie (1) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Latentwärmespeicher (3) in mehreren, separaten Gehäusen (4) befindet, die um die Batterie (1) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel des Aggregatszustands der Latentwärmespeicher (3) in den separaten Gehäusen (4) unabhängig voneinander gesteuert werden kann.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Latentwärmespeicher (3) direkt in der Batterie (1) befindet.
8. Erzeugnis umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zum Aufheizen einer Batterie (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (2) mit einem Latentwärmespeicher (3) in Kontakt gebracht wird und wobei der Latentwärmespeicher (3) einen flüssigen Aggregatzustand aufweist und der Latentwärmespeicher (3) seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest ändern kann und dabei Kristallisationswärme zum
Aufheizen der Batterie (2) abgibt und wobei die Kristallisation des
Latentwärmespeichers (3) durch einen Impuls ausgelöst wird.
10. Verfahren zum Kühlen einer Batterie (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie (2) mit einem Latentwärmespeicher (3) in Kontakt gebracht wird, wobei der Latentwärmespeicher (3) einen festen Aggregatzustand aufweist und der Latentwärmespeicher (3) Wärme aufnehmen kann und dabei seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig ändert.
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