EP3114725A1 - Passive temperaturregelung von akkumulatoren - Google Patents

Passive temperaturregelung von akkumulatoren

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EP3114725A1
EP3114725A1 EP15714159.9A EP15714159A EP3114725A1 EP 3114725 A1 EP3114725 A1 EP 3114725A1 EP 15714159 A EP15714159 A EP 15714159A EP 3114725 A1 EP3114725 A1 EP 3114725A1
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EP
European Patent Office
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battery
heat
vapor chamber
battery cells
battery according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15714159.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Cornelia Neidl-Stippler
Hans Kunstwadl
Gerhard Mitic
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery with a temperature control.
  • Battery power at low temperature decreases sharply and at elevated temperature possible decomposition of the battery, including fire / oxidation can occur.
  • JP3050051 discloses an air conditioner for electric vehicles, wherein the cooling or
  • Heating of the battery can be done via air cooling.
  • JP3733682 teaches a battery temperature control device which is a
  • Car interior air system used in the battery case can cool or heat housed via an inlet duct ..
  • Japanese Patent Application (Kokai) No. 10-32021 discloses a battery having a heat-insulating material, and the use of an auxiliary heater such as an electric heater to maintain a suitable working temperature of the battery in the cold.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication (Kokai) No. 2006-269426 discloses a battery having a plurality of battery units, in which partition walls are disposed side by side between the battery units, a housing in which the battery units and the partition wall are installed, and an inlet and an outlet through which Heat carrier flows, and a PTC heating element between the partition and the battery unit
  • DAIMLER proposes for this purpose in DE 102010013025 heat transfer plates, the Connected to heat pipes, which quickly remove the heat from the battery
  • a generic battery or accumulator has at least one battery cell and a temperature control for the battery cells, wherein the temperature control:
  • At least one vapor chamber which is in direct contact with the surface of the at least one battery cell with a first battery contact surface, and heat pipes, which are partially disposed on a second heat pipe contacting surface of the vapor chamber and lead out of the battery to a heat exchanger.
  • the heat absorption surface of the vapor chamber is arranged between two battery cells of a battery and to this purpose for optimal
  • Heat transfer adapted.
  • the heat pipe contact surface of the Vapor Chamber can have recesses to accommodate the heat pipe inner sections to provide a larger heat transfer area between the heat pipe and the vapor chamber with better heat transfer.
  • thermosyphon heat pipes
  • variable Conductance heat pipes loop heat pipes
  • CPL capillary pumped loops
  • the in a simple embodiment of the invention, which cools only the battery cells, the varnishleitrohrinnenabites is carried out as a condensation zone and the varnishleitrohraussen- section as the evaporation zone in the heat exchanger for heating the battery cells.
  • the vapor chamber is at least partially made of electrically non-conductive material and is preferably designed as an electrical insulator between the Vaporchamber contact portion and the Vaporchambereben Ieitrohrutton construction to avoid leakage currents.
  • an external heat exchanger for warming up or warming the battery cells is preferably used to control the battery temperature
  • Optimized performance of the same provided and the heat exchange medium is selected from: fluid materials, air, coolant from the coolant circuit, PCMs or a solid heat storage material comprising zeolite, salt hydrates or phase change material, comprising paraffins and fatty acids, are provided and the at least one heat tube, which is thermally connected to the battery at one end via the Vapor Chamber, which heats the battery via the Vapor Chamber as a heating device and / or can operate as a cooling device that heats the battery via the Vapor Chamber.
  • the at least one battery cell may be selected from rectangular columnar battery cells, laminated battery cells, and cylindrical battery cells.
  • planar heat pipes - also called vapor chambers or heat spreaders - are arranged between the battery cells, which locally dissipate locally occurring heat peaks over their area.
  • Vapor Chambers are significantly faster and more efficient than classic heatsinks, whose thermal conductivity easily increases around them
  • the surface structure of the Vapor Chamber can be designed so that it surrounds the heat pipes on three sides and thus allows a good heat transfer.
  • the heat pipes pass through a heat accumulator, preferably a latent heat accumulator, which receives the latent heat of the working fluid of the heat pipes. It may be beneficial to use loop heat pipes, which have great heat transport capabilities.
  • a heat pipe type is selected so that it removes heat from a certain initial temperature of the battery cells from the battery and at least one heat conduction
  • the tube type is selected to return heat from the heat storage to the battery via the heat spreader at a predetermined minimum temperature of the battery.
  • latent heat storage solid storage such as zeolites
  • the heat release is easily controlled.
  • Latentowski Eatmaykeiten be used, which are performed in a battery independent circuit - eg. A heating circuit.
  • the use of latent heat storage depends on its capacity and - in mobile use of the battery - and its weight.
  • Salt water eutectics 0 ° C - paraffins -30 ° C - 130 ° C - salt hydrates 5 ° C-130 ° C - sugar alcohols 90 ° C-180 ° C - salts and their eutectic mixtures logo CNRS logo INIST 180 ° C and mobile latent heat storage (macro-encapsulated) with a phase change material. Melting point of 58 ° C, inlet temperature of 56 ° C-180 ° C
  • Latent heat storage are known and are already used for a variety of technical applications, such as house heating or motor vehicles. With regard to the latent heat storage is fully contained in the book published on the Internet: http: //www.bueh ⁇ der-synergie.de/c new html / c 10 07 e .store thermal. htm - "Book of Synergy" by Ahmed A.W. Khammas, Rukn-eddin, al-Buti Bldg., Damascus / Iran P.O. Box 2361.
  • PCM microencapsulated phase change materials
  • Such materials are commercially available, inter alia, from BASF SE under the trademark MIKRONAL®
  • the heat can also be stored in hydrated salt crystals - for example, hydrated Na 2 SO 4, chlorides, hydrates, fluorides, etc
  • heat pipes have the property to be able to transport heat bidirectionally, heat can also be transferred back from the latent heat storage - for example, to maintain a suitable working temperature for the battery.
  • loop heat pipes some of which run outside the battery and have a very large heat transfer capacity.
  • the working fluid may be, for example, water, ammonia, carbon dioxide, ammonia and propane, alcohol or methanol or i-propanol or mixtures thereof, this list is merely exemplary and the Invention is by no means limited thereto. Taking into account the performance and effect on the global environment, water, and alcohols and possibly mixtures thereof are preferred as working fluid of the heat pipes for mobile applications.
  • the heat pipes can retrieve heat from the latent heat storage and also release heat there.
  • the latent heat storage may be a fluid latent heat storage, such as a micro-encapsulated phase change material (PCM), which can be used at various points of a vehicle and can be promoted there - for example, for heating or for heating an internal combustion engine Reduce emissions and consumption during cold start, to support heating etc.
  • PCM micro-encapsulated phase change material
  • Fig. 1 is a schematic view of thermally conductive applied to a vapor chamber heat pipes in plan view
  • Fig. 2 is a schematic view of a cross section through the vapor chamber of Fig.1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a heat pipe
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a vapor chamber
  • FIG. 5 schematically shows a section through a battery along the vapor chamber according to FIG. 1 with heat conducting plates connected to the upper region of the heat pipe, which are surrounded by a heat removal medium;
  • FIG. 6 schematically shows a section through a rechargeable battery along the vapor chamber according to FIG. 1 with a cooling fluid heat exchanger connected to the upper region of the heat conducting tube, which is flushed through by a cooling fluid;
  • Fig. 7 shows schematically an arrangement similar to Fig. 6 with connected
  • Fig. 1 is a schematic view of a heat transfer unit according to the invention, consisting of a vapor chamber and thereon - as shown in FIG. 2 - in thermal contact applied heat pipes (10).
  • Vapor Chamber (20) which ensures an exceptionally fast heat distribution over its entire surface. This heat is absorbed by on the surface of the vapor chamber (20) thermally connected heat pipes (10) and transported at the end outside the battery.
  • On the bathleitrohraussenabêt (5) can be mounted in a conventional manner politiciansleitbleche (so-called. Fins), which are lapped by a heat-storing fluid, such as air or other gas and thus cooled. It is also possible to use this fluid for heating the battery during cold start, if it is then available tempered.
  • Heat pipes work bidirectionally - that is, the heat transfer direction is reversed when the heat pipe outer portion (5) is warmer than the heat pipe inner portion (3) on the vapor chamber (2, 2A, 2B) and thus uniformly heats the vapor chamber due to its high heat dissipation capability.
  • Heat pipes work bidirectionally - that is, the heat transfer direction is reversed when the heat pipe outer portion (5) is warmer than the heat pipe inner portion (3) on the vapor chamber (2, 2A, 2B) and thus uniformly heats the vapor chamber due to its high heat dissipation capability.
  • local overheating - for example, when charging the battery, which can lead to battery / battery damage to the fire, can be avoided.
  • Batteries usually include a plurality of battery cells (1, 1A, 1B, AC, 1D, 1E) that are regularly arranged. These battery cells are interconnected to a battery or accumulator.
  • FIG. 5 Such an arrangement is shown in FIG. 5 on a vapor chamber (FIGS. 2, 2A, 2B).
  • the heat pipe (10) absorbs heat from the vapor chamber surface (4), heats with it a liquid which passes under the absorption of latent heat in the gaseous state and transports the vapor to its outer end (5) with baffles, the then be traversed by a heat transfer fluid, which is gaseous or liquid.
  • a heat transfer fluid which is gaseous or liquid.
  • the liquid return is done only by gravity.
  • Fig. 6 shows the use of the inventive heat transfer element in a battery or accumulator attached thereto réelleleitfluidtechnisch.
  • the heat pipes (IO) run vertically and end in a fluid line used as a heat exchanger, for example for water.
  • the water flows through the heat exchanger (20) with the arranged therein.
  • banksleitrohreaussenablvesen cools them and can then be used as warm water for heating the car or dissipate the heat in a conventional manner in the radiator, if it is connected to the cooling fluid line.
  • Fig. 7 shows schematically an embodiment with latent heat storage.
  • the planteleit rohrau touchabitese (5) transfer their heat to a latent heat storage unit (20) -.
  • a latent heat storage unit (20) - For example, zeolite, but also paraffins and other latent heat storage, such as acetates and other salts.
  • the thus charged heat storage can also be liquid and belong to a latent storage fluid circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie oder Akkumulator (8), mit - zumindest einer Batteriezelle (1, 1A,1B,1C,1D,1E) und einer Temperatursteuerung für die Batteriezellen (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E), wobei die Temperatursteuerung: zumindest eine Vapor Chamber (2, 2A, 2B), die mit einer ersten Batteriekontaktoberfläche ( 4 ) direkt mit der Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle (1,1A, 1B, 1C, 1D, 1E) in Kontakt steht und Wärmeleitrohre (10), die teilweise auf einer zweiten Wärmeleitrohrkontaktoberfläche (4) der Vapor Chamber (2, 2A, 2B) angeordnet sind und aus der Batterie (8) zu einem Wärmetauscher (20) herausführen, aufweist.

Description

Passive Temperaturregelung von Akkumulatoren
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Temperatursteuerung.
Es ist heute üblich, Batterien (Akkumulatoren) für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie für Bedarfsfälle einzusetzen. Typische Anwendungen sind Hausbatterien,
Notfallbatterien, insbesondere aber auch Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, eingeschlossen Schienenfahrzeuge und Luftfahrzeuge.
Batterien haben optimale Nutzungstemperaturbereiche und es ist bekannt, dass die
Batterieleistung bei zu tiefer Temperatur stark abnimmt und bei erhöhter Temperatur eine mögliche Zersetzung der Batterie, eingeschlossen Brand/Oxidation eintreten kann.
Um somit einen optimalen Arbeitstemperaturbereich für derartige Batterien einzustellen, werden verschiedenste Lösungen vorgeschlagen.
JP3050051 offenbart ein Klimagerät für Elektrofahrzeuge, wobei die Kühlung oder
Erwärmung der Batterie über Luftkühlung erfolgen kann.
Das JP3733682 lehrt eine Batterietemperaturregelvorrichtung, die zu eine
Fahrzeugantriebsbatterie in einem Batteriegehäuse durch Einleiten von Luft für
Autoinnenraumluftanlage in das Batteriegehäuse verwendet, über einen Einführungskanal untergebracht kühlen oder erwärmen kann..
Die japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 10-32021 beschreibt eine Batterie mit einem wärmeisolierenden Material, und die Verwendung einer Zusatz-Heizvorrichtung, wie einer elektrischen Heizeinrichtung, um eine geeignete Arbeitstemperatur der Batterie in der Kälte aufrechtzuerhalten.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2006-269426 offenbart eine Batterie mit mehreren Batterieeinheiten, wobei Trennwände zwischen den Batterieeinheiten nebeneinander angeordnet sind, einem Gehäuse, in dem die Batterieeinheiten und die Trennwand installiert sind und einem Einlass und einem Austass, durch die ein Wärmeträger strömt, und ein PTC-Heizelement zwischen der Trennwand und der Batterieeinheit
DAIMLER schlägt zu diesem Zweck in der DE 102010013025 Wärmetransferplatten vor, die mit Wärmeleitrohren verbunden sind, welche die Wärme schnell aus der Batterie
heraustransportieren.
Auch die DE 102012220873 A1 empfiehlt die Verwendung von Wärmeleitrohren zum schnellen Wärmeabtransport aus der Batterie vor. DE 102012200401 A1 der Zahnradfabrik Friedrichshafen verwendet dazu flächige Wärmeieitrohre oder Vapor Chambers, welche die Wärme der Batteriezellen flächig aufnehmen und diese Wärme an ihren den Stirnflächen an Kollektoren abgeben. Es wurde auch schon versucht, die Abwärme von Batterien für spätere Verwendungin Wärmespeichern zu speichern (JP2001236145A und DE102011105366 A1)
Die bisherigen Wärmesteuerungen von Batterien waren verbesserungsfähig.
Technisches Problem
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bisherigen Wärmesteuerungen von Batterien zu verbessern und insbesondere auch den Verlust an Wärmeenergie innerhalb eines Systems, welches die Batterie einsetzt, zu vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
Eine gattungsgemässe Batterie oder Akkumulator, weist mindestens eine Batteriezelle und eine Temperatursteuerung für die Batteriezellen auf, wobei die Temperatursteuerung:
zumindest eine Vapor Chamber , die mit einer ersten Batteriekontaktoberfläche direkt mit der Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle in Kontakt steht und Wärmeieitrohre, die teilweise auf einer zweiten Wärmeleitrohrkontaktoberfläche der Vapor Chamber angeordnet sind und aus der Batterie zu einem Wärmetauscher herausführen, aufweist.
Durch diese passive Wärmesteuerung kann bedarfsweise sehr schnell Wärme aus der Batterie herausgeführt werden und Überhitzung derselben beim Laden oder aufgrund von Kriechströmen bei Materialfehlern vermieden werden. Besonders bei den Li-Zellen ist dies äusserst sinnvoll, da diese sich leicht entzünden und zu Bränden führen können. Einige spektakuläre Unfälle mit diesen Batterietypen in Elektro-Autos und auch bei Laptops und sonstigen Mobilgeräten sorgten dafür, dass diese grossen Sicherheitsbeschränkungen bps. Im Luftverkehr unterworfen werden. Da chemische Reaktionen, die für die Batteriebrände verantwortlich sind, exotherm verlaufen und Reaktionswärme benötigen, kann eine schnelle Entwärmung dieser Batterien die Sicherheit derselben erhöhen. Ferner ist bekannt, dass Batterien generell einen Arbeitstemperaturbereich, in dem sie optimal arbeiten, haben. Daher ist es sinnvoll, diese innerhalb des erwünschten
Temperaturbereichs zu halten.
Erfindungsgemäss wird dazu die Wärmeaufnahmeoberfläche der Vapor Chamber zwischen zwei Batteriezellen einer Batterie angeordnet und an diese zwecks optimalen
Wärmeübergangs angepasst. Bspw. kann die Wärmeleitrohrkontaktoberfläche der Vapor Chamber Vertiefungen zur Aufnahme der Wärmeleitrohrinnenabschnitte haben, um eine grössere Wärmeübergangsfläche zwischen Wärmeleitrohr und Vapor Chamber mit besserem Wärmetransfer herzustellen..
Die Auswahl der Wärmeleitrohre ist für den Fachmann auf dem Gebiet der Wärmeleitrohre aufgrund seines Fachwissens entsprechend den Anforderungen (Explosionssicherheit und/oder hohe Effizienz und/oder rechtliche Vorschriften und räumlicher Gegebenheiten) ohne erfinderisches Zutun möglich und sie können ausgewählt werden aus Thermosiphon, Wärmeleitrohre, Variable Conductance Wärmeleitrohre, Loop-Wärmeleitrohre (Loop- Wärmeleitrohre), auch Thermosiphon-Loops und kapillar gepumpte Wärmeleitrohr-Schleifen (capillary pumped Loops - CPL) , wobei der Wärmeleitrohr-Aussenabschnitt im
Wärmetauscher verläuft und der Wärmeleitrohrinnenabschnitt zwischen den Batteriezellen auf den Vapor Chambersausgeführt ist.
Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung, die lediglich die Batteriezellen kühlt, ist der Wärmeleitrohrinnenabschnittals Kondensationszone und der Wärmeleitrohraussen- abschnitt als Verdampfungszone im Wärmetauscher zum Erwärmen der Batte-riezellen ausgeführt.
Es ist sinnvoll, dass die Vapor Chamber zumindest abschnittsweise aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt ist und bevorzugt als elektrischer Isolator zwischen dem Vaporchamber Kontaktabschnitt und der Vaporchamberwärme-Ieitrohrkontaktfläche ausgeführt ist, um Kriechströme zu vermeiden.
Bevorzugt wird im Temperaturregelsystem ein aussenliegender Wärmetauscher zum Er- oder Entwärmen der Batteriezellen zwecks Regelung der Batterietemperatur zur
Leistungsoptimierung derselben vorgesehen und das Wärmetauschermedium ausgewählt ist aus: fluiden Materialen, Luft, Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf, PCMs oder einem Fest- stoffwärmespeicher-material, umfassend Zeolith, Salzhydrate oder Phasenänderungsmaterial, umfassend Paraffine und Fettsäuren, vorgesehen sind und das mindestens eine Wärme- rohr, das an einem Ende über die Vapor Chamber thermisch mit der Batterie verbunden ist, als Heizvorrichtung die Batterie über die Vapor Chamber erwärmt und / oder als eine Kühlvorrichtung, die die Batterie über die Vapor Chamber entwärmt, arbeiten kann.
Je nach Einsatz der Batterie - ob mobil in Fahrzeugen aller Art - Gewichts- und Raumerfordernissen - oder als stationäre Batterie in permanenten oder vorübergehenden Bauwerken, Zeltstädten, als Pufferbatterie etc. - ist es möglich, geeignete Wärmeleiteinrichtungen auszuwählen.
Die mindestens eine Batteriezelle kann ausgewählt sein aus rechteckigen säulenförmigen Batteriezellen, laminierten Batteriezellen und zylindrischen Batteriezellen.
Bei vielen Anwendungen sind die Wärmeleitrohraussenabschnitte mit Wärmeleitblechen verbunden, welche schnelle und grosse Wärmedissipation von der Oberfläche ermöglichen.
Je nach Anforderung können auch unterschiedliche Wärmeleitrohre - sowohl hinsichtlich des Arbeitsmediums als auch der Bauweise, eingesetzt werden.
Erfindungsgemässe werden flächige Wärmeleitrohre - auch Vapor-Chambers oder Heat- Spreader genannt, zwischen den Batteriezellen angeordnet, welche lokal auftretende Wärmespitzen sofort über ihre Fläche dissipieren. Vapor Chambers sind erheblich schneller und effizienter als klassische Heatsinks, deren Wärmeleitfähigkeit sie leicht um das
Hundertfache übertreffen und damit eine extrem schnelle Wärmeverteilung und auch - gemeinsam mit den Wärmeleitrohren - leitung aus und in die Batterie ermöglichen.
Auf mindestens einer Oberfläche der Vapor-Chambers sind Wärmeleitrohre in innigem thermischen Kontakt angeordnet. Dabei kann die Oberflächenstruktur der Vapor Chamber so ausgelegt sein, dass sie die Wärmeleitrohre dreiseitig umgibt und dadurch einen guten Wärmeübergang ermöglicht.
Die Wärmeleitrohre durchlaufen ausserhalb der Batterie einen Wärmespeicher, bevorzugt einen Latentwärmespeicher, welcher die latente Wärme des Arbeitsfluids der Wärmeleitrohre aufnimmt. Es kann günstig sein, dazu Loop-Wärmeleitrohre einzusetzen, welche grosse Wärmetransportfähigkeiten haben.
Ein Wärmeleitrohrtyp ist so ausgewählt, dass er Wärme ab einer bestimmten Initialtemperatur der Batteriezellen aus der Batterie abtransportiert und mindestens ein Wärmeleit- rohrtyp ist so ausgewählt, dass er Wärme bei einer vorbestimmten Minimum-Temperatur der Batterie wieder aus dem Wärmespeicher in die Batterie über den Heat-Spreader liefert. Durch die beiden Wärmeleitrohrtypen kann ein Batterietemperaturbereich eingestellt werden und Überwärmung und Unterkühlung der Batterie vermieden werden. Dadurch wird eine erhöhte Lebensdauer der Batterie erzielt und ihre Kapazität optimal genutzt.
Als Latentwärmespeicher können Feststoffspeicher, wie Zeolithe, eingesetzt werden., deren Wärmefreisetzung leicht steuerbar ist Es können aber auch fluide Latentwärmespeicherflüssigkeiten eingesetzt werden, welche in einem von der Batterie unabhängigen Kreislauf geführt werden - bspw. einem Heizkreislauf. Die Verwendung des Latentwärmespeichers hängt von dessen Kapazität und - bei mobilem Einsatz der Batterie - auch von dessen Gewicht. Beispielhaft, aber nicht begrenzend, sollen Stoffe genannt werden, die für
Latentwärmespeicher genutzt werden, so : Salz-Wasser-Eutektika = 0°C - Paraffine -30°C- 130°C - Salzhydrate 5°C-130°C - Zuckeralkohole 90°C-180°C - Salze und deren eutektische Mischungen = 180°C und Mobile Latentwärmespeicher (makroverkapselt) mit einem Phase-Change-Material. Schmelzpunkt von 58°C, Einleittemperatur von 56°C-180°C-
Latentwärmespeicher sind bekannt und werden bereits für verschiedenste technische Anwendungen, wie Hausheizungen oder auch Kraftfahrzeuge, eingesetzt. Hinsichtlich der Latentwärmespeicher wird vollinhaltlich auf das im Internet veröffentlichte Buch : http://www.bueh~der-synergie.de/c neu html/c 10 07 e .speichern thermisch. htm -„Buch der Synergie" von Achmed A. W. Khammas, Rukn-Eddin, al-Buti Bldg., Damaskus/Syrien P.O.Box 2361 , bezug genommen.
Bekannt sind bpsw. Die Aufschlämmungen von microverkapselten Phasen- Änderungsmaterialien (PCM)als flüssiges Latentspeichermedien (s.„slurry as a heat-transfer fluid Yasushi Yamagishi1 *, Hiromi Takeuchi2, Alexander T. Pyatenko2, Naoyuki Kayukawa3 AIChE Journal Volume 45, issue 4, pages 696-707, April 1999. Derartige Materialien sind kommerziell u.a. erhältlich von BASF S.E. unter der Marke MIKRONAL®. Die Wärme kann auch in hydratisierten Salzkristallen gespeichert werden - bspw. hydratisiertem Na2S04, Chloride, Hydrate, Fluoride etc
Hinsichtlich der Anwendung in mobilen Systemen werden diese in Kraftfahrzeugen bereits seit 1993 (Car Tech) mit Salzen, die sich bereits bei 78°C verflüssigen, verwendet.. Weitere Anwendungen in Fahrzeugen sind die von Modine Längerer & Reich seit 1997 verwendeten Latentwärmespeicher, der Salze einsetzt, die bei 70°C schmelzen - durch vom Motor erhitztes Wasser, das den LWS - wie in einem Autokühler - in Röhren durchströmt. Beim Start des erkalteten Motors läuft das Kühlwasser durch den LWS, das Salz kristallisiert, und die freiwerdende Wärme wird umgehend für die Heizung genutzt. Eine weitere Firma, die VW-Tochter Votex, bietet seit 1997 derartige Wärmespeicher auch als Nachrüstmög-lichkeit für den Golf und den Passat an. Diese Latentwärmespeicher lassen sich problemlos an Fahrzeugbatterien anschliessen.
Da Wärmeleitrohre die Eigenschaft haben, bidirektional Wärme transportieren zu können, kann Wärme auch aus dem Latentwärmespeicher zurückübertragen werden - bspw. um eine geeignete Arbeitstemperatur für die Batterie aufrechtzuerhalten.
Es ist auch möglich, Loop-Wärmeleitrohre zu verwenden, die teilweise ausserhalb der Batterie verlaufen und eine sehr grosse Wärmetransferkapazität aufweisen.
In einem Fall, in dem ein Wärmerohr wird als wärmeleitendes Element eingesetzt wird, kann das Arbeitsfluid bspw. Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid, Ammoniak und Propan, Alkohol oder Methanol oder i-Propanol bzw. Mischungen derselben sein, diese Aufzählung ist lediglich beispielhaft und die Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt. Unter Berücksichtigung der Leistung und Wirkung auf die globale Umwelt, sind Wasser, und Alkohole sowie ggf. Mischungen derselben als Arbeitsfluid der Wärmerohre für mobile Anwendungen bevorzugt.
Die Wärmeleitrohre können im Bedarfsfall Wärme aus dem Latentwärmespeicher abrufen und auch Wärme dorthin abgeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Latentwärmespeicher ein fluider Latentwärmespeicher, wie ein mikroverkapseltes Phasenänderungsmaterial (PCM = Phase Change Material) sein, das an verschiedensten Stellen eines Fahrzeugs einsetzbar ist und dort hin gefördert werden kann - bspw. zur Heizung oder zum Erwärmen eines Verbrennungsmotors, um Emissionen und Verbrauch beim Kaltstart zu verringern, zur Unterstützung der Heizung etc.
Somit kann ein problemloser Anschluss an ein bestehendes Kühlmittelsytem bzw. Tempe- rierfluidsystem erfolgen und die Wärme des PCM dort verwendet werden, wo sie gerade benötigt wird.
Bevorzugt erfolgt die geometrische Anordnung der Wärmeleitrohre so, dass die Schwerkraft ihre Funktion unterstützt. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, in der schematisch Ausführungsbeispiele dargestellt sind erläutert. Die Erfindung ist keineswegs auf diese eingeschränkt und die Beispiele sind rein exemplarisch zum besseren Verständnis angegeben. Darin zeigt:
Fig.. 1 ist eine schematische Ansicht von auf einer Vapor Chamber thermisch leitend aufgebrachten Wärmeleitrohre in Draufsicht;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch die Vapor Chamber der Fig.1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Wärmeleitrohr;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Vapor Chamber;
Fig. 5 schematisch einen Schnitt durch einen Akku entlang der Vapor Chamber gemäss Fig. 1 mit am oberen Bereich der Wärmeleitrohr angeschlossenem Wärmeleitblechen, die von einem Wärmeabführ-Medium umspült werden;
Fig. 6 schematisch einen Schnitt durch einen Akku entlang der Vapor Chamber gemäss Fig. 1 mit am oberen Bereich der Wärmeleitrohr angeschlossen Kühlfluidwärmetauscher, der von einem Kühlfluid durchspült wird; und
Fig. 7 schematisch eine Anordnung ähnlich der Fig. 6 mit angeschlossenem
Latentwärmespeicher.
Nachstehend wird die Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindunggemässen Wärmetransfereinheit, bestehend aus einer Vapor Chamber und darauf - wie aus Fig. 2 ersichtlich - in thermischem Kontakt aufgebrachten Wärmeleitrohren (10) . Man erkennt die Vapor Chamber (20), die für eine ausserordentlich schnelle Wärmeverteilung über ihre gesamte Fläche sorgt. Diese Wärme wird von auf der Oberfläche der Vapor Chamber (20) thermisch angebundenen Wärmeleitrohren (10) aufgenommen und an deren Ende ausserhalb der Batterie transportiert. Auf dem Wärmeleitrohraussenabschnitt (5) können in üblicher Weise Wärmeleitbleche (sog. Fins) angebracht sein, die von einem wärmespeichernden Fluid, wie Luft oder sonstigem Gas umspült und somit gekühlt werden. Es ist auch möglich, dieses Fluid zum Erwärmen der Batterie beim Kaltstart einzusetzen, falls es dann temperiert verfügbar ist. Wärmeleitrohre arbeiten bidirektional - d.h. die Wärmetransferrichtung kehrt sich um, wenn das Wärmeleitrohraussenabschnitt (5) wärmer als der Wärmeleitrohrinnenabschnitt (3)auf der Vapor Chamber (2, 2A, 2B) ist und wärmt somit die Vapor Chamber aufgrund deren hoher Wärmeverteilungsfähigkeit gleichmässig auf. So können auch lokale Überhitzungen - bspw. beim Laden der Batterie, die zu Batterie/Akku-Schäden bis zum Brand führen können, vermieden werden.
Deutlich ist in Fig. 3 der Verlauf des Arbeitsmediums im Wärmeleitrohr (10) zu sehen. Es wird am Wärmeleitrohrinnenabschnitt (3) erhitzt, tritt unter Aufnahme latenter Wärme in die Gasphase über und kondensiert am oberen Wärmeleitrohraussenabschnitt (5) unter Abgabe latenter Wärme, die von den dort an der Rohrwand angeschlossenen Wärmeleitblechen abgenommen und an ein Wärmetransfermedium - hier schematisch mit dünnen Pfeilen dargestellt - abgegeben und sogleich abtransportiert wird. So können aufgrund der extrem hohen Wärmeleitung der Wärmeleitrohre (10) Wärmemengen schnell aus den Batteriezellen (1 , 1A, 1B, AC, 1D, 1E) entfernt und Batterieversagen vermieden werden. .
Batterien enthalten üblicherweise mehrere Batteriezellen (1, 1A, 1B, AC, 1D, 1E), die regelmässig angeorndet sind. Diese Batteriezellen sind miteinander zu einer Batterie oder Akkumulator verschaltet.
In Fig. 5 ist eine solche Anordnung in auf einer Vapor Chamber (2, 2A, 2B) gezeigt. Das Wärmeleitrohr (10) nimmt Wärme von der Vapor-Chamber-Oberfläche (4) auf, erhitzt mit ihr eine Flüssigkeit, die unter Aufnahme latenter Wärme in den gasförmigen Zustand übergeht und transportiert den Dampf zu ihrem äusseren Ende (5) mit Leitblechen, die dann von einem Wärmetransferfluid, das gasförmig oder aber flüssig ist, durchströmt werden. Bei klassischen Wärmeleitrohren, sog. Thermosyphon, erfolgt der Flüssigkeitsrücklauf nur über die Schwerkraft. Bei klassischen Wärmeleitrohren befindet sich im Rohr noch ein dochtartiges Material - der sog. Wiek- meist ein Sinterkörper, Gelege/Gerwirke oder ausgeformte Kanäle, welcher aufgrund von Kapillarwirkung und auch Nukleationswirkung die verflüssigte Flüssigkeit wieder wieder effektiv in den heissen Bereich des Wärmeleitrohre zurückführt und Siedeverzüge an der Wärmeleitrohroberfläche vermeidet.. Daher arbeiten Wärmeleitrohre mit Wieks sehr effektiv. Eine weitere Ausführungsform sind Loop-Heatipes, welche als geschlossene Schleife das abgekühlte Gas als Flüssigkeit zurückführen. Hinsichtlich möglicher Wärmeleitrohre/Heatpipes wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf das Buch von David Reay und Peter Kew„Heat Pipes Theory, Design and Applications, 5. Auflage, Butterworth-Heinemann - Verlag 2006 hingewiesen, auf das vollinhaltlich bezug genommen wird.
Fig. 6 zeigt den Einsatz des erfindungsgemässen Wärmetransferelements in einer Batterie oder Akkumulator mit daran angebrachter Wärmeleitfluidleitung. Deutlich erkennt man, dass die Wärmerohre(IO) vertikal verlaufen und in einer als Wärmetauscher eingesetzten Fluidleitung - bspw. für Wasser enden. Das Wasser durchströmt den Wärmetauscher (20) mit den darin angeordneten. Wärmeleitrohreaussenabschnitten, kühlt diese und kann als warmes Wasser sodann zum Heizen des Autos eingesetzt werden oder die Wärme in üblicher Weise im Kühler dissipieren, falls es an der Kühlfluidleitung angeschlossen ist.
Fig. 7 zeigt schematische eine Ausführungsform mit Latentwärmespeicher. Die Wärmeleit- rohraußenabschnitte (5) geben ihre Wärme an eine Latentwärmespeichereinheit (20) ab - bspw. Zeolith, aber auch Paraffine und sonstige Latentwärmespeicher, wie Acetate und andere Salze. Der so aufgeladene Wärmespeicher kann auch flüssig sein und einem Latentspeicherfluidkreislauf angehören.
Bezugszeichenliste
1 , 1A , 1B , 1C , 1D , 1E Batteriezelle
2 , 2A , 2B Vapor Chamber
3 Wärmeleitrohrinnenabschnitt
4 Vapor Chamber-Kontaktabschnitt
5 Wärmeleitrohraussenabschnitt
7 elektrisch isolierender Abschnitt der Vapor Chamber
8 Batterie oder Akkumulator
10 Wärmeleitrohr
20 Wärmetauscher
Wärmetransfermediumsfluss
Arbeitsfluid in Vapor Chamber Wärmefluss

Claims

Ansprüche
1. Batterie oder Akkumulator ( 8 ), mit
- zumindest einer Batteriezelle ( 1 , 1A , 1B , 1C , 1D , 1E ) und
- einer Temperatursteuerung für die Batteriezellen ( 1 , 1A , 1B , 1C , 1D , 1E), dadurch gekennzeichnet , dass
die Temperatursteuerung:
- zumindest eine Vapor Chamber ( 2 , 2A , 2B ) , die mit einer ersten
Batteriekontaktoberfläche ( 4 ) direkt mit der Oberfläche der mindestens einen
Batteriezelle ( 1 , 1A , 1B , 1C , 1D , 1E ) in Kontakt steht und
- Wärmeleitrohre (10), die teilweise auf einer zweiten Wärmeleitrohrkontaktoberfläche (4) der Vapor Chamber (2, 2A, 2B) angeordnet sind und aus der Batterie (8) zu einem Wärmetauscher (20) herausführen,
aufweist.
2. Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeaufnahmeoberfläche (4) der Vapor Chamber ( 2 , 2A , 2B ) zwischen zwei Batteriezellen ( 1 - 1A , 1B - 1C , 1D - 1E ) einer Batterie ( 8) angeordnet ist und an diese angepasst ist.
3. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohrkontaktoberfläche ( 4 ) der Vapor Chamber ( 2 , 2A , 2B ) Vertiefungen zur Aufnahme der Wärmeleitrohrinnenabschnitte (3) hat ..
4. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohre (10) ausgewählt sind aus Thermosiphon, Wärmeleitrohrs, Variable Conductance Wärmeleitrohre, Loop-Wärmeleitrohrs (Loop-Heatpipes), auch
Thermosiphon-Loops und kapillar gepumpte Wärmeleitrohr-Schleifen (capillary pumped Loops - CPL) , wobei der Wärmeleitrohr-Aussenabschnitt ( 5 ) im Wärmetauscher (20) verläuft und der Wärmeleitrohrinnenabschnitt (3) zwischen den Batteriezellen ( 1 , 1A , 1B , 1C , 1D , 1E) auf den Vapor Chambers (2, 2A, 2B) ausgeführt ist.
5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitrohrinnenabschnitt (3) als Kondensationszone und der
Wärmeleitrohraussenabschnitt ( 5 ) als Verdampfungszone im Wärmetauscher ( 20 ) zum Erwärmen der Batteriezellen ( 1 , 1A , 1 B , 1C , 1D , 1E) ausgeführt sind.
6. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vapor Chamber ( 2 , 2A , 2B) zumindest abschnittsweise aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt ist und bevorzugt als elektrischer Isolator ( 7 ) zwischen dem Vacuumchamber Kontaktabschnitt ( 4 ) und Vacuumchamberwärmeleit-rohrkontaktfläche ( 5 ) vorgesehen ist.
7. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Temperaturregelsystem ein aussenliegender Wärmetauscher (20) zum Er- oder Entwärmen der Batteriezellen (1 , 1a...) zwecks Regelung der Batterietemperatur zur Leistungsoptimierung derselben vorgesehen ist und das Wärmetauschermedium ausgewählt ist aus: fluiden Materialen, Luft, Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf, PCKs oder einem Feststoffwärmespeichermaterial, umfassend Zeolith, Salzhydrate oder Phasenänderungsmaterial, umfassend Paraffine und Fettsäuren, vorgesehen sind und das mindestens eine Wärmerohr, das an einem Ende über die Vapor Chamber thermisch mit der Batterie verbunden ist, als Heizvorrichtung die Batterie über die Vapor Chamber erwärmt und / oder als eine Kühlvorrichtung, die die Batterie über die Vapor Chamber entwärmt, arbeiten kann.
8. Batterie nach Anspruch 1 , die mit einer einzelnen Batteriezelle oder mehreren ausgerichtet angeordneten Batteriezellen ausgerüstet ist, wobei das wärmeleitende Element zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist.
9. Batterie nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Batteriezelle ausgewählt ist aus rechteckigen säulenförmigen Batteriezellen, laminierten Batteriezellen und zylindrischen Batteriezellen.
10. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohraussenabschnitte mit Wärmeleitblechen verbunden sind.
11. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Wärmeleitrohre eingesetzt werden.
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