EP3718163A1 - Verfahren zur temperierung einer batterieanordnung und temperierte batterieanordnung - Google Patents

Verfahren zur temperierung einer batterieanordnung und temperierte batterieanordnung

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EP3718163A1
EP3718163A1 EP18812111.5A EP18812111A EP3718163A1 EP 3718163 A1 EP3718163 A1 EP 3718163A1 EP 18812111 A EP18812111 A EP 18812111A EP 3718163 A1 EP3718163 A1 EP 3718163A1
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EP
European Patent Office
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heat
battery
adsorber
adsorbent
working medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18812111.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Herrmann
Walter Mittelbach
Charles PEUROIS
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.)
Fahrenheit GmbH
Original Assignee
Fahrenheit 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 Fahrenheit GmbH filed Critical Fahrenheit GmbH
Publication of EP3718163A1 publication Critical patent/EP3718163A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6552—Closed pipes transferring heat by thermal conductivity or phase transition, e.g. heat pipes
    • 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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    • H01M10/65—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
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
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    • H01M10/66—Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells
    • H01M10/663—Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells the system being an air-conditioner or an engine
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    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • H01M10/6568—Liquids characterised by flow circuits, e.g. loops, located externally to the cells or cell casings
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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 invention relates to a method for controlling the temperature of a battery assembly and tempered battery assembly according to the preambles of claim 1 and a tempered battery assembly according to the preamble of claim 7.
  • Methods for tempering a battery assembly aim at an optimal temperature setting of the battery assembly taking into account the respective operating conditions of the battery , A temperature of the
  • Battery arrangement is particularly in battery arrangements in the higher
  • the battery assembly of an electric vehicle requires in a special way cooling to protect the battery, which is effective both during the charge and during the discharge of the battery while driving.
  • superchargers i. special charging stations with relatively high charging currents are released in the battery assembly considerable amounts of heat that possible
  • batteries used in electric vehicles must be heated to a certain operating temperature, even at low outside temperatures, to maximize their range. At low outdoor temperatures, in particular, a cold start of the battery leads to a rapid discharge and this has a negative effect on the life of the battery.
  • the temperature control of such battery arrangements can be achieved by using adsorption technology with so-called adsorption heat pumps be made.
  • the battery cells are in thermal contact with an adsorbent. They may in particular be coated with a solid adsorbent.
  • the coating consists, for example, of crystallized zeolites on an aluminum sheet or of a coating using organic or inorganic binders.
  • the adsorber is in fluid communication with a heat exchanger which is used for the phase transformation of the adsorptive.
  • This heat exchanger thus acts as a phase converter.
  • a working medium is driven. This circulation takes place via cyclic adsorption and desorption of the working medium at the adsorber.
  • the phase converter is cooled or heated with an external refrigeration cycle or external heat source, preferably using the existing air conditioning system of the vehicle.
  • the waste heat released thereby will cause the working fluid, i. the adsorptive, desorbed from the saturated adsorber.
  • the released adsorbent flows to the phase converter where it condenses.
  • the resulting heat of condensation is dissipated by the external system, such as the vehicle's air conditioning system.
  • the adsorber sucks as a result of the adsorption process in the
  • Phase converter contained condensate The working medium is adsorbed in the adsorber and releases heat during adsorption. This heat is released via heat conduction to the cells of the battery.
  • the necessary Heat of vaporization, which must be supplied to the phase converter is at ambient temperature via an external system, eg. B. the heat exchanger of the vehicle air conditioning system, supplied to the phase converter.
  • Adsorptionsreaen based however, has a number of disadvantages. A very important disadvantage is that with such adsorptive
  • the adsorber can not be re-loaded with the working fluid, because during the operation of the battery is a supply of
  • the storage discharge of the adsorber can not or only very difficult, because the released heat of adsorption must be dissipated to the environment with high ambient temperature.
  • the battery assembly can only badly drive out the working medium from the adsorber whose heat is dissipated only insufficient and transmitted to the environment and the adsorption heat pump works very ineffective or is ineffective.
  • the method for temperature control of a battery assembly is a
  • Phase converter driven working fluid is cyclically cooled or heated.
  • the at least one battery cell is heat-contacted with an adsorbent of the adsorber and the battery cell is tempered by these
  • the method is characterized in that the
  • Battery assembly and the adsorber and the phase converter are heat contacted via an additional fluid circuit with a circulating in the additional fluid circuit heat transfer fluid. That's it
  • the additional fluid circuit is materially separated from the adsorption heat pump.
  • the heat transferring fluid is discharged from the assembly via a heat exchange surface
  • the additional fluid circuit allows in addition to the cyclic temperature of the battery assembly by the adsorption heat pump temperature control of the entire device of battery assembly and adsorber. This occurs especially in action when the battery assembly is to be tempered during normal operation and it allows regeneration of a desired
  • the adsorption heat pump when the auxiliary fluid circuit is put into operation, the adsorption heat pump is temporarily shifted from the cyclical operation into an operation mode of forced convection.
  • the working medium is introduced in excess into the adsorber and the adsorber flooded. Subsequently, the liquid working medium
  • Heat transfer circuit while the working medium of the adsorption heat pump without any phase transformations and adsorptions and desorptions acts only as a heat transfer fluid.
  • Forced convection in the present context means that the working medium is not sucked by adsorption and desorption in the adsorber or expelled from the adsorber, but that the working medium mechanically, in particular by means of a pump, circulated, and thereby the heat conventionally and by the mere Circulated.
  • Forced convection can be carried out in particular by supplying and discharging the working medium by means of a pump unit, wherein the control of the pump unit in dependence on current
  • the working medium is removed from an existing reservoir and fed through the pump unit.
  • the working medium is drawn back into the reservoir and collected there, so that only adsorbed in the adsorber
  • the additional fluid circuit is formed as a heat pipe, wherein the heat transfer fluid at the external heat source and / or the external heat sink performs a phase transition and there performs a corresponding heat exchange with external heat sources or heat sinks.
  • heat transfer fluid performs any adsorption and desorption.
  • the temperature-controlled battery arrangement comprises a plurality of battery cells and a battery cell tempering unit, which is integrated into the battery arrangement and surrounds each individual battery cell
  • Batteriezellentemperierü can be coupled to external temperature control.
  • the battery cell tempering unit has, in one embodiment, at least a first surface portion of the battery cell covering and with the
  • Battery cell in thermal contact adsorbent section for coupling with an adsorption heat pump and a second with the environment in the
  • the battery cell temperature control unit consists of a series of flow channels extending between the battery cells, wherein the flow channels are filled alternately as with an adsorbent and by a Adsorbate acted upon Sorptionsströmungskanäle and with a fluid
  • the battery cell tempering unit can also be designed as an arrangement of a first, surrounding the battery cell in the thermal contact inner flow channel and a second, the inner flow channel in a thermal contact surrounding outer flow channel.
  • the inner or outer flow channel is filled with an adsorbent and the adsorbent is acted upon by an adsorbate, wherein the with the
  • Adsorbent filled flow channel is coupled to an adsorption heat pump, and the respective other flow channel to an external
  • Heat transfer circuit is coupled.
  • the battery cell tempering unit can also be in thermal contact with a first surface section of the battery cell and one with an adsorbent in the form of heat transfer plates through which a fluid flows
  • Heat exchanger plates are connected to an external heat transfer circuit and the sorption channel is part of a Adsorptions Scripumpe.
  • Fig. La is a schematic representation of a battery temperature control with a
  • 1 b is a schematic representation of the additional heat transfer circuit in addition to the cyclical operation of the adsorption heat pump
  • 1c shows a schematic representation of the additional heat transfer medium circuit using a heat pipe
  • Id a basic representation of a battery temperature control with a
  • Fig. 2 is an illustration of the heat conduction processes within the
  • FIG. 3 shows a representation of a first embodiment of the battery arrangement
  • FIG. 4 shows a representation of a second embodiment of the battery arrangement with inner and outer flow channels
  • FIG. 5 is an illustration of a third embodiment of the battery assembly with battery cells partially surrounded
  • Fig. 6 is a representation of the interconnection of the battery assembly with
  • 6a is an illustration of the battery temperature during a
  • 6b is an illustration of the battery temperature during a continuous operation of the battery assembly and an adsorber regeneration
  • Fig. 6c is a representation of the battery temperature during preheating of the battery assembly at cold ambient temperatures.
  • FIG. 7 shows a possible embodiment of a cooling circuit using a heat pipe
  • Fig. 8 is an illustration of an operating mode of the additional
  • Fig. 9 shows an operating mode for heating the battery at low
  • Fig. 10 is an illustration of the operating mode for charging the thermal
  • FIG. 12 shows an illustration of the mode of action in the case of an intrusion of air
  • FIG. 13 shows an exemplary application of the heat pipe system for tempering an electronic component
  • Fig. La shows a comparison of a basic representation of a
  • Battery temperature control with an adsorber and a phase converter according to the prior art.
  • the arrangement of the battery temperature control according to the prior art shown in Fig. La basically builds on an adsorption heat pump A.
  • a battery assembly Ba is in thermal contact with an adsorber Ad,
  • the adsorber is connected as part of the adsorption heat pump A with a phase converter Ph. Between the adsorber and the phase converter is a
  • Working medium AM driven.
  • the working medium is adsorbed or desorbed on the adsorbent ads of the adsorber.
  • a valve VI controls the flow of the gaseous working fluid between the adsorber and the phase converter.
  • Adsorption of the working medium releases heat of adsorption.
  • the battery assembly Ba heat is supplied.
  • the battery can also give off heat to the adsorbent and thereby be cooled.
  • the adsorbed working medium is expelled from the adsorbent and condenses in the phase converter Ph. Through these processes, the battery is thus warmed or cooled.
  • the heat which the working medium emits or absorbs via the adsorbent in these processes is transferred via the phase converter to external components
  • the working medium in the phase converter is condensed or evaporated.
  • Phase converter takes place when the working medium expelled from the adsorbent and thus the battery assembly Ba is cooled.
  • the evaporation of the working medium takes place during the adsorption of the working medium in the adsorbent and thus during the heating of the battery.
  • the condensation heat released during the condensation of the working medium in the phase converter or the heat of vaporization absorbed during the evaporation of the working medium in the phase converter is exchanged, for example, with a climate system K of the vehicle.
  • a climate system K of the vehicle In this case, in the air conditioning system of the vehicle, another medium flows, which absorbs the heat at the phase converter Ph or gives it to this.
  • Phase converter vaporizes the working medium in the phase converter and is adsorbed in the adsorbent of the adsorber, where it gives off this heat to the battery.
  • the climate system K can also be replaced by any external system that can absorb heat and thus serves as a heat sink, or that supplies heat and can thus be used as a heat source.
  • the air conditioning system K comprises a compressor C, valves V2 to V4 and various heat exchangers Hxl and Hx2 for
  • Adsorptive flows to the phase converter Ph, where it condenses.
  • Condensation heat is dissipated by the external system, in this case the air conditioner K of the car. After the end of the desorption, the valve VI closed within the adsorption heat pump A. The working medium is now almost completely condensed in the phase converter and the adsorbent ads is unloaded.
  • the adsorption of the working medium in the adsorber is carried out in a memory discharge of the battery when a heating of the battery, especially at low ambient temperatures is necessary. This happens to the fullest
  • the valve VI is opened.
  • the adsorber ad sucks the condensate contained in the phase converter Ph
  • the working medium is adsorbed in the adsorbent Ads and releases heat during adsorption.
  • the released heat passes through the thermal contact, in particular via heat conduction to the battery assembly Ba and is discharged to the cells.
  • the necessary heat of vaporization is supplied at ambient temperature via an external system, here in the present example, a heat exchanger of the air conditioner K to the phase converter Ph.
  • the sorbate is usually inversely correlated to the state of charge of the battery. This is because during the rapid charging of the battery for battery cooling, the working fluid is expelled from the adsorbent. The working medium is then completely or at least predominantly in condensed form in the phase converter and remains there as long as no heating of the battery is necessary. It is no longer available for further cooling of the battery assembly.
  • a return of the working medium in the adsorbate ads is no longer readily possible.
  • a transfer of the working fluid back into the adsorber would cause then the battery would be overheated.
  • the system shown in Fig. La thus provides none Ability to dissipate this heat of adsorption to the environment and also does not allow continuous cooling of the battery assembly Ba during operation.
  • Fig. Lb shows a schematic representation of the additional heat transfer circuit in addition to the cyclical operation of the adsorption heat pump according to a first embodiment of the method according to the invention.
  • the additional heat transfer circuit Z is assigned to the adsorption heat pump A. It runs over the entire arrangement of battery assembly Ba and adsorber Ad and exchanges heat via a heat exchanger WÜ with external heat sources and / or heat sinks. These external heat sources and heat sinks are for example a passenger compartment, the environment or an external heat pump.
  • the heat carrier circuit is also heat contacted with the phase converter Ph of the adsorption heat pump. That in the extra
  • Heat transfer fluid circulating heat transfer fluid is
  • the additional heat transfer circuit basically fulfills two functions. First, it allows a continuous temperature control of the battery assembly during regular operation, in particular its continuous cooling or heating to a suitable operating temperature. Second, the additional heat transfer circuit allows for a return of the working medium from the phase converter Ph back into the adsorbent ads or optionally one
  • the resulting heat or heat can be easily dissipated or supplied via the additional heat carrier circuit without the temperature of the battery assembly Ba is affected.
  • the additional heat transfer circuit thus allows the targeted setting of a specific output configuration of the adsorption heat pump.
  • the fluid forcibly driven in the additional heat carrier circuit can also be the working medium of the adsorption heat pump A itself and the components of the adsorption heat pump directly and thus not only in the Flow through thermal contact. In such a case, the working fluid is added in excess and thus become the components of
  • Adsorption heat pump flooded so far that the working fluid no phase transitions in the phase converter Ph and no adsorption and
  • Desorption in adsorbate ads can perform.
  • the working medium flows through the additional forced convective in such a case
  • Heat transfer circuit and acts as a mere heat transfer fluid.
  • the advantage of such a mode of operation is that all
  • Heat transfer circuit can be charged with the working fluid, the additional heat transfer circuit itself puts the adsorption heat pump in a defined initial state and in particular filled the adsorber with the working fluid. The resulting heat of adsorption is dissipated by the circulating in excess working fluid easily, the temperature of the battery assembly Ba to a required
  • Fig. Lc shows an embodiment of an additional heat transfer circuit Z using a heat pipe functionality, i. a so-called heat pipe.
  • the heat transfer circuit Z forms in its entirety the
  • Heat pipe which is always characterized by a partial circle for the steam transport and a partial circle for the liquid transport.
  • the heat transfer fluid circulates through the
  • Phase converter Ph where a phase transition from liquid to gas takes place. Via the valve VI, the resulting vapor flows to the adsorber Ad, where it condenses on the surface of the adsorbent Ads and thereby the
  • inventive structure for heat transfer between battery assembly and circuit K both without (Fig lb) and with phase transition (Fig lc) can be used and can be easily controlled by the system pressure and the pump controls.
  • an embodiment without the pump P2 is possible if the liquid transport via suitable mechanisms such. sufficient by capillary forces.
  • FIG. 1 d shows a further example of an arrangement according to the invention for controlling the temperature of the battery arrangement Ba.
  • the arrangement shown here contains all the components as shown in Fig. 1a, i. in particular the battery assembly Ba with the heat-contacted adsorber Ad and the adsorbent ads, which in turn is part of the
  • Adsorption heat pump A is.
  • the adsorption heat pump is again exemplarily coupled with the air conditioning system K of the vehicle as an external system.
  • Heat transfer circuit Z provided, the heat transfer to the
  • Adsorption heat pump is in this embodiment, no part of the additional heat transfer circuit Z.
  • Working medium can be returned to the adsorber Ad and adsorbed there again, without overheating the battery. Because the released there heat of adsorption can over the additional
  • Heat transfer circuit Z are derived. This can happen especially at high ambient temperatures and at a relatively high state of charge of the battery assembly Ba, so that enough working fluid is present in the adsorber Ad to the battery even at high
  • the heat to be supplied to or removed from the battery assembly Ba can be dissipated or supplied in a very different manner from the additional fluid circuit.
  • Possible heat transfer to the already used by the adsorption heat pump A external heat source or heat sink, here for example to the air conditioning of the vehicle, or a direct heat transfer via the circle Z to the environment.
  • the battery assembly Ba and the adsorbent ads arranged thereon are designed correspondingly for heat transfer to the additional heat transfer medium circuit.
  • some configurations of the battery assembly in connection with the adsorber will be exemplified.
  • the heat transfer to the battery cell for example, by a heat conduction within the Adsorber Modellmaterials, z. B. by
  • Aluminum sheets or by open-pore structures (aluminum foams or fibers) on which the adsorbent is applied.
  • a first device-side embodiment a first device-side embodiment
  • Heat conduction device 2 is provided.
  • Fig. 2 shows a corresponding example here. If the battery assembly Ba consists of a plurality of battery cells as functional basic units, this heat-conducting device is provided on each battery cell.
  • Fig. 2 shows a battery cell 1. This is surrounded with the adsorbent Ads and is in thermal contact with this. The adsorbent ads forms an adsorbent section 3 on the battery cell surface. Possible is a pushed onto the battery cover similar to a sleeve or a with the
  • Adsorbent filled flow channel In and out of the adsorbent is
  • the working medium is adsorbed or desorbed as adsorbent.
  • the device from FIG. 2 has a heat-conducting section 4 which is connected both to the battery cell 1 and to the adsorbent section 3 in FIG
  • the cherriesleitabites 4 may be formed as cooling plates.
  • the cooling plates thus cause a heat exchange with the additional heat transfer circuit. They form an additional temperature control unit of the battery cell 1.
  • the cooling plates 4 are then acted upon by the fluid, in particular a liquid, of the additional heat transfer medium circuit Z.
  • the designed as a liquid circulation heat transfer circuit Z cools the battery during continuous operation when the battery heat is too high in operation.
  • the liquid loop can also provide cooling when excess condensate needs to be adsorbed so that the next fast charge of the battery can be prepared.
  • the liquid circuit can be circulated as described either with a pump or designed as a heat pipe in which the heat transfer through a
  • an embodiment of the battery assembly Ba which is formed as a battery pack, wherein the battery pack is coupled as a whole both as a part of the fluid circuit and the adsorption heat pump.
  • the battery pack may be constructed so that each battery cell is in contact with a surface which is in fluid with the additional fluid
  • Heat transfer circuit Z which acts in particular as a cooling liquid, is covered, and on the other hand with a surface in thermal contact, which is covered with the material of the adsorbent Ads.
  • Adsorbent Ads is, provides the cooling during rapid charging and ensures the preheating of the battery cells in cold outside temperatures.
  • the additional heat transfer circuit provides a continuous cooling when the
  • Vehicle is in operation or if excess condensate adsorbed in the adsorbent and the released heat must be dissipated.
  • Fig. 3 shows an exemplary embodiment of such a battery pack 7, which forms the battery assembly Ba in the example shown here.
  • the battery pack consists of a series of battery cells 1. Flow channels run between the battery cells. These are alternating with either one
  • the battery pack in its entirety of battery cells and Sorptionsströmungskanälen is an integrated adsorber battery unit whose heat dissipation and heat absorption is controlled as a whole by the flow through the heat flow channels. With this integrated arrangement, the net heat balance of the adsorber and the battery arrangement as a whole can be regulated and monitored particularly effectively.
  • the battery arrangement according to FIG. 4 can be constructed so that the entire surface of each individual battery cell is in thermal contact with a cooling fluid from the additional heat transfer medium circuit Z, which arrangement in turn is in total contact with an adsorbent material.
  • the battery cells are in contact with an adsorbent material which in turn is in contact with a cooling fluid.
  • a solid thin layer, e.g. B. aluminum foil separates the range of cooling fluids from the adsorbent volume.
  • FIG. 4 Shown in FIG. 4 is a battery cell 1 in cylindrical form, which is surrounded concentrically by an inner flow channel 8.
  • the inner flow channel 8 in turn is surrounded by an outer flow channel 9.
  • These in turn are separated by a good heat-conducting partition 10 from each other, but stand in thermal contact with each other.
  • One of the two flow channels is filled with the adsorbent Ads and in this adsorption and desorption are performed cyclically, the other is flowed through by the fluid of the fluid circuit and serves, for example, the removal of excess
  • This arrangement can also be applied alternately at least in sections, as the lower example in FIG. 4 illustrates.
  • Fig. 4a shows the arrangement in a perspective view.
  • Battery cell 1 and the flow channels 8 and 9 form a concentric and cylindrical structure. In this, a dynamic thermal equilibrium between the battery cell and the flow channels 8 and 9 can be realized within the overall arrangement.
  • the battery cell 1 is characterized tempered by the flow channel 8 and the flow channel 9 in their properties as part of the adsorber or the fluid circuit
  • FIG. 5 shows a construction of a battery cell 1 with surrounding adsorbent ads as part of the adsorber of the adsorption heat pump and heat transfer plates 11 on their end faces in two variants.
  • the heat transfer plates form
  • the battery and the adsorber package may also be constructed so that the side surface of the battery cells is in contact with sorbent material and the top and bottom - or only the top or bottom - with the
  • Coolant of the additional heat carrier circuit are in contact.
  • the heat dissipation during fast charging is usually due to desorption of the
  • Adsorbent material achieved.
  • the heat dissipation during continuous operation or during the adsorption of excess condensate is usually achieved by heat transfer to the cooling liquid.
  • the preheating of the battery is achieved by the adsorption of the working fluid present as condensate.
  • the heat transfer plates 11 have in their interior flow channels 12, which are flowed through by the fluid of the additional heat transfer circuit.
  • Another option for achieving flexibility in the conditioning of the battery system with the adsorption heat pump system without the need for a second fluid system or a heat pipe structure is to use the same system for both heat transfer by adsorption and adsorption, i. in storage operation with the operation as adsorption heat pump, as well as heat transfer by circulation of the refrigerant without a
  • Liquid phase is released. This can be removed by the circulation of the liquid adsorptive.
  • the adsorptive thus acts exclusively as a heat transfer medium.
  • Such a system makes it possible both to circulate a fluid within the adsorber and to regenerate a dry adsorber, i. to re-feed with working medium. This provides both continuous cooling and cooling during fast charging.
  • the point can be selected in advance, from which the heat transfer by forced convection in the heat transfer by desorption / condensation passes and is replaced. This can be at high Lade- Ieisteptept, as well as high discharge capacity, eg. B. at high
  • the system can be determined by supplying and discharging the liquid adsorbate by means of a pump, whether the system is in the forced convection mode and thus the heat cycle or in the desorption / condensation mode and thus the adsorption heat pump.
  • a pump supplying and discharging the liquid adsorbate by means of a pump, whether the system is in the forced convection mode and thus the heat cycle or in the desorption / condensation mode and thus the adsorption heat pump.
  • the adsorption / desorption ie between the operation as a heat carrier circuit and the operation as adsorption heat pump
  • FIGS. 6, 6a to 6c show the corresponding operating states on the basis of exemplary block diagrams. Shown in FIG. 6 are a series of
  • Phase converter Ph are driven. It is further provided a reservoir V for the working medium and a pump P3, which can be switched by a control unit S. Via a pump P2, a circuit between the adsorber Ad, the phase converter and the pump P2 can be realized. A temperature sensor T and a loading sensor L register the temperature and the fluid loading of the adsorber unit and the battery cells and output these values to the control unit S.
  • the battery assembly Ba consists of individual battery cells 1, between which the Adsorberiki Ad are arranged with the adsorbent. Via a valve VI is the adsorber with a
  • Phase converter Ph connected. Furthermore, a pump P2 is provided. These are located in a branch that leads from the phase converter back to the adsorber Ad. The over the pump P2 leading branch is then activated when the arrangement acts as a heat carrier circuit.
  • valve VI During a rapid charging process of the battery, the valve VI is opened. However, the pump P2 is inactive. The working medium is desorbed by the heat output of the battery cells 1 from the adsorber Ad and enters the
  • Phase converter Ph where it condenses and releases the heat Q as described previously in the environment or external components. After completion of the rapid charge process, the working fluid is in the phase converter Ph as condensate.
  • the battery assembly is electrically charged and ready for operation. During the continuous operation of the vehicle, and thus during the discharge, it constantly gives off heat and has to
  • phase converter is now charged as shown in Fig. 6b from a working medium supply V with working fluid in excess.
  • the pump P2 drives the excess added working fluid into the adsorber Ad within the
  • the preheating of the battery assembly at low temperatures is illustrated in Fig. 6c.
  • the adsorber Ad is practically free of the working medium.
  • the phase converter Ph contains a supply of liquid working medium. Now the valve VI is opened. The liquid working medium evaporates and is adsorbed on the adsorbent of the adsorber Ad. The thereby released
  • Adsorption heat is dissipated to the battery and warms it up.
  • the adsorbent consists in particular of highly capillary materials such as zeolites.
  • the working medium diffuses into the part coated with the adsorbent. This part fulfills the role of desorption of the working medium Evaporative cooler during battery cooling. When adsorbing the working medium, this acts as a heater for warming up the battery.
  • FIG. 1 Another possible construction of the system is shown in FIG. 1
  • 7 to 13 means: 13 coolant pump, 14 battery with adsorber, 15 coolant piping, 16 recooler, 17 phase changer, 18 heaters, 19 condensate valve and line, 20 condensate pump, 21 steam valve and line.
  • the steam valve 21 is needed only for heat storage in adsorptive operation.
  • FIG. 8 illustrates an operating mode of continuous battery cooling over the additional heat transfer circuit. This mode of operation is carried out as follows:
  • the working medium which serves as a system refrigerant of the adsorption heat pump, for example water, is supplied by the phase changers 17 through the
  • Condensate line and the condensate valve 19 pumped into the adsorber volume of the battery with the adsorber 14 by means of the condensate pump 20.
  • the sorbent material is wet and the heat generated by the electrical losses in the battery cells vaporizes the liquid refrigerant.
  • the pressure within the adsorber volume is therefore close to the evaporation pressure of the refrigerant at the desired battery temperature.
  • Phase changer which is achieved either via an ambient temperature recooler circuit 16 or via a coupling of the vehicle heat pump (or a compressor-based air conditioning). It is important here that this process is enforced by the condensate pump 20 and not driven by adsorption and desorption. As a result, the adsorbent material plays only the role of a heat spreader in this mode of operation. This process takes place continuously as long as waste heat from the battery is present to drive the evaporation of the refrigerant, with the condensed refrigerant being pumped back into the adsorber.
  • Fig. 9 illustrates the operating mode of continuous heating of the battery.
  • the system can be used to heat the battery on cold days thanks to external heat input. In this mode, the system works as follows:
  • Heat from an external heat pump of the vehicle or from an external heater 18 is supplied to the phase changers 17.
  • the heat allows the evaporation of the coolant condensate located in the phase changers 17.
  • the vaporized coolant flows to the adsorber volume of the battery and adsorber 14, where it condenses on contact with the cold surface. The surface heats up when the condensation heat is received. This heat is then transferred by conduction to the battery.
  • the condensed refrigerant flows by gravity to the bottom of Adsorbervolumens and is thanks to the condensate pump 20 via the
  • This cycle can be continued until the desired battery temperature is reached.
  • FIG. 10 Another operating mode is based on a heat storage.
  • a steam valve 21 is shown on the steam line of the system. This valve is present when a thermal energy store is to be used with the system.
  • the heat storage capacity depends on the amount of
  • Sorbent material contained in the adsorber is Sorbent material contained in the adsorber.
  • the loading of the storage system in connection with a cooling process is shown in FIG.
  • the condensate line is by means of the condensate valve 19th closed.
  • the electrical waste heat from the battery during fast charging or other modes of operation is used to reduce the humidity
  • Phase changers where it condenses. This condensation takes place by active cooling of the phase changer via external circuits such as
  • the steam line valve 21 may be closed to completely isolate the adsorber from the phase changers 17.
  • FIG. 11 The discharge of the storage system in conjunction with a warm-up of the battery assembly is shown in FIG. 11.
  • the adsorber Before the heat energy is delivered to the adsorber, the adsorber is cold and both the condensate and the steam lines are in closed states, i. the adsorber 14 and the phase changer 17 are completely isolated from each other.
  • the release of heat energy takes place when the steam line is opened.
  • the opening of the valve 21 reduces the pressure in the phase converter and the refrigerant condensate begins to evaporate, flows to the adsorber and is adsorbed by the adsorbent material.
  • the adsorption of the refrigerant releases heat energy, which is transmitted via line to the battery.
  • the evaporation taking place cools down the phase changers.
  • the heat of vaporization must be supplied to the phase transducers. This heat of vaporization can be supplied at ambient temperature via the recooler circuit to the temperature of the
  • the refrigerant such as water
  • the refrigerant can be a safe and environmentally friendly substance.
  • Most of the refrigerant present in the adsorber volume is vaporous, which is non-conductive in the case of water and has better dielectric strength than air.
  • At the bottom of the adsorber only small amounts of liquid refrigerant can collect.
  • FIG. 12 in the event of a system failure, the Liquid volume due to the increased system pressure automatically leave the adsorber. As a result, the system is intrinsically safe and that
  • Adsorbent material can be placed near the battery cells without compromising vehicle safety.
  • the heat pipe system described here can be extended to applications where small electronic components are cooled for high density and space constrained cooling requirements.
  • the heat pipe system described here can be extended to applications where small electronic components are cooled for high density and space constrained cooling requirements.
  • the heat pipe system described here can be extended to applications where small electronic components are cooled for high density and space constrained cooling requirements.
  • Heat conduction through the material with a layer of sorbent material can amount to more than 10 kW / m 2 K, which is a big improvement compared to a
  • Cooling system based on coolant circulation represents.
  • Circuits can be used in a conventional manner to dissipate the heat to the environment. This is shown in FIG. In Fig. 13 mean: 22 coolant pump, 23 cooled chip with adsorber, 24 coolant piping, 25 recooler, 26 phase changer, 27 condensate valve and line, 28
  • the main advantages of an adsorption based heat pipe system are an extremely high heat conduction, a uniform heat removal and supply, a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung aus mindestens einer Batteriezelle mittels einer zyklisch betriebenen Adsorptionswärmepumpe, bestehend aus einem Adsorber und einem Phasenwandler mit einem zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler umgetriebenen Arbeitsmedium, wobei die mindestens eine Batteriezelle mit einem Adsorbens des Adsorbers wärmekontaktiert ist und die Batteriezelle temperiert wird, indem die Batterieanordnung Adsorptionswärme aufnimmt und Desorptionswärme abgibt, wobei die in dem Phasenwandler während eines Kondensationsprozesses des Arbeitsmediums freigesetzte Wärme und die während eines Verdampfungsprozesses des Arbeitsmediums aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt und aus dieser zugeführt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Batterieanordnung und der Adsorber bedarfsweise über einen Zusatzfluidkreislauf mit einem in dem Zusatzfluidkreislauf umgetriebenen wärmeübertragenden Fluid wärmekontaktiert werden, wobei das wärmeübertragende Fluid mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken wärmekontaktiert ist, wobei der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf bedarfsweise Wärmeenergie aus externen Wärmequellen zugeführt wird oder von der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf Wärmeenergie entzogen und zu externen Wärmequellen abgeführt wird.

Description

Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung und temperierte
Batterieanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung und temperierte Batterieanordnung nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und eine temperierte Batterieanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Verfahren zum Temperieren einer Batterieanordnung zielen auf eine optimale Temperatureinstellung der Batterieanordnung unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden Betriebszustände der Batterie ab. Eine Temperierung der
Batterieanordnung ist insbesondere bei Batterieanordnungen im höheren
Leistungsbereich notwendig, um die Batterieanordnungen effektiv und in möglichst kurzer Zeit laden zu können oder auch die Batterieanordnung möglichst schnell betriebsbereit zu machen. Dies ist insbesondere bei Batterieanordnungen der Fall, die zur Energieversorgung von Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen dienen.
Die Batterieanordnung eines Elektrofahrzeuges benötigt in besonderer Weise eine Kühlung zum Schutz der Batterie, die sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung der Batterie während der Fahrt wirksam ist. Vor allem bei einer Schnellladung derartiger Batterieanordnungen durch so genannte Supercharger, d.h. spezielle Ladestationen mit verhältnismäßig hohen Ladeströmen, werden in der Batterieanordnung beträchtliche Wärmemengen frei, die möglichst
gleichmäßig abgeführt werden müssen, um eine lokale Überhitzung der Zellen in der Batteriepackung zu verhindern. Gleichzeitig müssen in Elektrofahrzeugen eingesetzte Batterien auch bei niedrigen Außentemperaturen auf eine gewisse Betriebstemperatur erwärmt werden, damit deren Reichweite maximiert wird. Bei niedrigen Außentemperaturen führt insbesondere ein Kaltstart der Batterie zu einer schnellen Entladung und dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie aus.
Die Temperierungen derartiger Batterieanordnungen können durch Anwendung der Adsorptionstechnologie mit so genannten Adsorptionswärmepumpen vorgenommen werden. Die Batteriezellen stehen dabei im Wärmekontakt mit einem Adsorbens. Sie können insbesondere mit einem festen Adsorbens beschichtet sein. Die Beschichtung besteht beispielsweise aus aufkristallisierten Zeolithen auf einem Aluminiumblech oder aus einem Coating unter Verwendung organischer oder anorganischer Bindemittel. Dadurch können die Oberflächen der einzelnen Batteriezellen in Batteriepackungen als Adsorber für Sorptionsprozesse mit unterschiedlichen Adsorptiven im Unterdrück, beispielsweise unter
Verwendung von Wasserdampf, oder im Überdruck, beispielsweise unter
Verwendung von Kohlenstoffdioxid, verwendet werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr durch De- und Adsorptionsprozesse ermöglicht.
Das Wärmemanagement und somit die Temperierung der Batterien wird bei Verwendung von Adsorptionswärmepumpen nach dem Stand der Technik in folgender Form umgesetzt:
Der Adsorber steht in fluidleitender Verbindung mit einem Wärmeübertrager, der zur Phasenumwandlung des Adsorptivs verwendet wird. Dieser Wärmeübertrager wirkt somit als ein Phasenwandler. Über die Verbindung zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler wird ein Arbeitsmedium umgetrieben. Dieses Umtreiben erfolgt über zyklische Adsorptionen und Desorptionen des Arbeitsmediums an dem Adsorber. Der Phasenwandler wird mit einem externen Kältekreislauf oder einer externen Wärmequelle bevorzugt unter Verwendung der bestehenden Klimaanlage des Fahrzeugs, gekühlt oder beheizt.
Während des Schnellladens der Batterie wird durch die dabei freiwerdende Abwärme das Arbeitsmedium, d.h. das Adsorptiv, aus dem gesättigten Adsorber desorbiert. Das freigesetzte Adsorptiv strömt zum Phasenwandler, wo es kondensiert. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird durch das externe System, beispielsweise die Klimaanlage des Fahrzeugs, abgeführt.
Zur Erwärmung der Batterieanordnung wird der dazu umgekehrte Betrieb ausgeführt. Der Adsorber saugt infolge des Adsorptionsvorganges das im
Phasenwandler enthaltene Kondensat an. Das Arbeitsmedium wird im Adsorber adsorbiert und setzt während der Adsorption Wärme frei. Diese Wärme wird über Wärmeleitung an die Zellen der Batterie abgegeben. Die notwendige Verdampfungswärme, die dem Phasenwandler zugeführt werden muss, wird bei Umgebungstemperatur über ein externes System, z. B. den Wärmetauscher der Klimaanlage des Fahrzeugs, an den Phasenwandler zugeführt.
Eine derartige Temperierung der Batterieanordnung, die auf derartigen
Adsorptionsprozessen basiert, weist allerdings eine Reihe von Nachteilen auf. Ein sehr wichtiger Nachteil besteht darin, dass mit einem solchen adsorptiven
Temperierungsverfahren eine kontinuierliche Kühlung der Batterieanordnung nicht gewährleistet werden kann. Das liegt daran, dass bei dem beschriebenen System aus dem Stand der Technik die Sorbatbeladung des Adsorbers invers mit dem Ladezustand der Batterie korreliert ist. Da bei dem Aufladen der Batterie das Arbeitsmedium aus dem Adsorber ausgetrieben wird, wobei dabei die Batterie gekühlt wird, ist der Adsorber in der Regel dann unbeladen, sobald die Batterie ihren maximalen Ladezustand erreicht hat. Eine weitere Desorption des
Arbeitsmittels ist dann nicht mehr möglich. Wenn anschließend die Batterie wieder entladen wird, kann die beim Batteriebetrieb freigesetzte Wärme aus der Batterie nicht mehr über die Adsorptionswärmepumpe abgeführt werden.
Außerdem kann der Adsorber nicht wieder mit dem Arbeitsmedium beladen werden, denn während des Betriebs der Batterie ist eine Zufuhr von
Adsorptionswärme an die Batteriezellen nicht notwendig oder tendenziell sogar nachteilig.
Außerdem tritt sehr häufig der Fall ein, dass während des Betriebs des
Fahrzeuges oder bei hohen Außentemperaturen, bei denen keine Erwärmung der Batterie im Kaltstart benötigt wird, die Speicherentladung des Adsorbers nicht oder nur sehr schwer erfolgen kann, weil die freiwerdende Adsorptionswärme an die Umgebung mit hoher Umgebungstemperatur abgeführt werden muss. Die Batterieanordnung kann dabei das Arbeitsmedium aus dem Adsorber nur schlecht austreiben, deren Wärme wird nur ungenügend abgeführt und an die Umgebung übertragen und die Adsorptionswärmepumpe arbeitet sehr ineffektiv oder ist unwirksam.
Es besteht nun die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, den genannten Schwierigkeiten und Nachteilen abzuhelfen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer temperierten Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Temperieranordnung.
Das Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung geht von einer
Grundkonfiguration aus, bei der mindestens eine Batteriezelle mittels einer zyklisch betriebenen Adsorptionswärmepumpe, bestehend aus einem Adsorber und einem Phasenwandler, mit einem zwischen dem Adsorber und dem
Phasenwandler umgetriebenen Arbeitsmedium zyklisch gekühlt bzw. beheizt wird. Dabei ist die mindestens eine Batteriezelle mit einem Adsorbens des Adsorbers wärmekontaktiert und die Batteriezelle wird temperiert, indem diese
Adsorptionswärme aufnimmt und Desorptionswärme abgibt. Dabei wird die in dem Phasenwandler während eines Kondensationsprozesses des Arbeitsmediums freigesetzte Wärme und die während eines Verdampfungsprozesses des
Arbeitsmediums aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt und aus dieser zugeführt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die
Batterieanordnung und der Adsorber sowie der Phasenwandler bedarfsweise über einen Zusatzfluidkreislauf mit einem in dem Zusatzfluidkreislauf umgetriebenen wärmeübertragenden Fluid wärmekontaktiert werden. Dabei ist das
wärmeübertragende Fluid mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken wärmekontaktiert, wobei der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf bedarfsweise Wärmeenergie aus externen Wärmequellen zugeführt wird oder von der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf Wärmeenergie entzogen und zu externen Wärmequellen abgeführt wird.
Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens ist der Zusatzfluidkreislauf von der Adsorptionswärmepumpe stofflich getrennt. Das wärmeübertragende Fluid wird über eine Wärmeaustauschfläche an der Gesamtanordnung aus der
Batterieanordnung und dem Adsorber entlanggeführt und ist von dem
Arbeitsmedium der Adsorptionswärmepumpe verschieden. Der Zusatzfluidkreislauf ermöglicht in Ergänzung zur zyklischen Temperierung der Batterieanordnung durch die Adsorptionswärmepumpe eine Temperierung der gesamten Vorrichtung aus Batterieanordnung und Adsorber. Dieser tritt vor allem dann in Aktion, wenn die Batterieanordnung während des Normalbetriebs zu temperieren ist und er ermöglicht eine Regenerierung einer gewünschten
Beladung des Adsorbers mit dem Arbeitsmedium während des Regelbetriebs der Batterie.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Inbetriebnahme des Zusatzfluidkreislaufs die Adsorptionswärmepumpe zeitweise aus dem zyklischen Betrieb in eine Betriebsweise der Zwangskonvektion versetzt. Dabei wird das Arbeitsmedium im Überschuss in den Adsorber eingeleitet und der Adsorber geflutet. Nachfolgend wird dann das flüssige Arbeitsmedium
zwangskonvektiv ohne jeden Phasenwechsel als wärmeübertragendes Fluid umgetrieben. Durch das Einleiten des Arbeitsmediums im Überschuss finden keine Desorptions- und Adsorptionsprozesse statt und die Komponenten der
Adsorptionswärmepumpe wirken dann effektiv nur als Teile eines
Wärmeträgerkreislaufs, während das Arbeitsmedium der Adsorptionswärmepumpe ohne jegliche Phasenumwandlungen sowie Adsorptionen und Desorptionen lediglich als wärmeübertragendes Fluid fungiert.
Zwangskonvektion bedeutet im hier vorliegenden Zusammenhang, dass das Arbeitsmedium nicht durch Adsorption und Desorption in den Adsorber eingesaugt bzw. aus dem Adsorber ausgetrieben wird, sondern dass das Arbeitsmedium mechanisch, insbesondere mittels einer Pumpe, umgewälzt wird, und dabei die Wärme konventionell und durch den bloßen Umlauf transportiert.
Das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der
Zwangskonvektion wird bei einer Ausgestaltung des Verfahrens durch eine gesteuerte Veränderung des Systemdruckes innerhalb der
Adsorptionswärmepumpe ausgeführt. Dabei erfolgt die Veränderung des
Systemdruckes in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern und/oder Betriebszuständen der Batterieanordnung, insbesondere von Lade- und/oder Entladeleistungen der Batterieanordnung, und/oder in Abhängigkeit von aktuellen Umgebungsbedingungen. Das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der
Zwangskonvektion kann insbesondere auch durch ein Zuführen und ein Abführen des Arbeitsmediums mittels einer Pumpeneinheit ausgeführt werden, wobei die Steuerung der Pumpeneinheit in Abhängigkeit von momentanen
Betriebsparametern der Batterieanordnung und/oder von aktuellen
Umgebungsbedingungen erfolgt.
Hierbei wird insbesondere das Arbeitsmedium aus einem bestehenden Reservoir entnommen und durch die Pumpeneinheit zugeführt. Bei der Rückkehr in die zyklische Betriebsweise wird das Arbeitsmedium wieder in das Reservoir abgezogen und dort gesammelt, sodass nur das im Adsorber adsorbierte
Arbeitsmedium verbleibt und wieder als eigentlich zyklisches Arbeitsmedium zur Verfügung steht.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahren ist der Zusatzfluidkreislauf als ein Wärmerohr ausgebildet, wobei das wärmeübertragende Fluid an der externen Wärmequelle und/oder der externen Wärmesenke einen Phasenübergang ausführt und dort einen entsprechenden Wärmeaustausch mit externen Wärmequellen oder Wärmesenken ausführt. Zu beachten ist hierbei aber, dass das
wärmeübertragende Fluid keinerlei Adsorptionen und Desorptionen vollführt.
Vorrichtungsseitig besteht die temperierte Batterieanordnung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer in die Batterieanordnung integrierten, jede einzelne Batteriezelle umgebenden Batteriezellentemperiereinheit, wobei die
Batteriezellentemperiereinheit an externe Temperiereinrichtungen ankoppelbar ist.
Die Batteriezellentemperiereinheit weist bei einer Ausführungsform mindestens einen ersten Flächenabschnitt der Batteriezelle bedeckenden und mit der
Batteriezelle im Wärmekontakt stehenden Adsorbensabschnitt zu Kopplung mit einer Adsorptionswärmepumpe und einen zweiten mit der Umgebung im
Wärmekontakt stehenden Wärmeleitabschnitt auf.
Bei einer Ausführungsform besteht die Batteriezellentemperiereinheit aus einer Reihe zwischen den Batteriezellen verlaufenden Strömungskanälen, wobei die Strömungskanäle alternierend als mit einem Adsorbens gefüllte und von einem Adsorbat beaufschlagte Sorptionsströmungskanäle und mit einem Fluid
durchströmbare Wärmeströmungskanäle ausgebildet sind.
Die Batteriezellentemperiereinheit kann auch als eine Anordnung aus einem ersten, die Batteriezelle im Wärmekontakt umgebenden inneren Strömungskanal und einem zweiten, den inneren Strömungskanal in einem Wärmekontakt umgebenden äußeren Strömungskanal ausgebildet sein.
Der innere oder der äußere Strömungskanal ist mit einem Adsorbens gefüllt und das Adsorbent ist von einem Adsorbat beaufschlagbar, wobei der mit dem
Adsorbent gefüllte Strömungskanal an eine Adsorptionswärmepumpe angekoppelt ist, und der jeweils andere Strömungskanal an einen externen
Wärmeträgerkreislauf gekoppelt ist.
Die Batteriezellentemperiereinheit kann auch in Form von mit einem Fluid durchströmten Wärmeübertragerplatten im Wärmekontakt mit einem ersten Oberflächenabschnitt der Batteriezelle und einem mit einem Adsorbens
beaufschlagten Sorptionskanal ausgebildet sein, wobei die
Wärmeübertragerplatten an einen externen Wärmeträgerkreislauf angeschlossen sind und der Sorptionskanal Teil einer Adsorptionswärmepumpe ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung zur Temperierung einer Batterieanordnung und die temperierte Batterieanordnung sollen nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren la bis 13. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt
Fig. la eine prinzipielle Darstellung einer Batterietemperierung mit einem
Adsorber und einem Phasenwandler nach dem Stand der Technik,
Fig. lb eine prinzipielle Darstellung des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs in Ergänzung des zyklischen Betriebs der Adsorptionswärmepumpe, Fig. lc eine prinzipielle Darstellung des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs unter Verwendung eines Wärmerohrs,
Fig. Id eine prinzipielle Darstellung einer Batterietemperierung mit einem
Adsorber und einem Phasenwandler in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung,
Fig. 2 eine Darstellung der Wärmeleitungsvorgänge innerhalb des
Strukturmaterial des Adsorbers während des Dauerbetriebs der
Batterieanordnung,
Fig. 3 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der Batterieanordnung, Fig. 4 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Batterieanordnung mit inneren und äußeren Strömungskanälen,
Fig. 4a eine perspektivische Darstellung der umgebenden Strömungskanäle,
Fig. 5 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Batterieanordnung mit abschnittsweise umgebenen Batteriezellen, Fig. 6 eine Darstellung der Verschaltung der Batterieanordnung mit
Komponenten des Wärmeträgerkreislaufs,
Fig. 6a eine Darstellung der Batterietemperierung während eines
Schnellladeprozesses,
Fig. 6b eine Darstellung der Batterietemperierung während eines Dauerbetriebs der Batterieanordnung und einer Adsorberregeneration,
Fig. 6c eine Darstellung der Batterietemperierung während eines Vorwärmens der Batterieanordnung bei kalten Umgebungstemperaturen.
Fig. 7 eine mögliche Ausführungsform eines Kühlkreislaufs unter Verwendung einer Heatpipe, Fig. 8 eine Darstellung eines Betriebsmodus des zusätzlichen
Wärmeträgerkreislaufs für eine kontinuierliche Kühlung,
Fig. 9 einen Betriebsmodus zur Erwärmung der Batterie bei niedrigen
Umgebungstemperaturen mittels externer Wärmezufuhr, Fig. 10 eine Darstellung des Betriebsmodus zum Laden des thermischen
Speichersystems, insbesondere zum Kühlen,
Fig. 11 eine Darstellung des Betriebsmodus zum Entladen des thermischen
Speichersystems, insbesondere zum Aufwärmen der Batterie,
Fig. 12 eine Darstellung der Wirkungsweise bei einem Eindringen von Luft, Fig. 13 eine beispielhafte Anwendung des Heatpipe-Systems zur Temperierung eines elektronischen Bauteils
Fig. la zeigt zum Vergleich eine prinzipielle Darstellung einer
Batterietemperierung mit einem Adsorber und einem Phasenwandler nach dem Stand der Technik. Die in Fig. la gezeigte Anordnung der Batterietemperierung nach dem Stand der Technik baut grundsätzlich auf einer Adsorptionswärmepumpe A auf. Eine Batterieanordnung Ba steht im Wärmekontakt mit einem Adsorber Ad,
insbesondere mit einem in dem Adsorber Ad enthaltenen Adsorbens Ads. Der Adsorber ist als Teil der Adsorptionswärmepumpe A mit einem Phasenwandler Ph verbunden. Zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler wird ein
Arbeitsmedium AM umgetrieben. Das Arbeitsmedium wird an dem Adsorbens Ads des Adsorbers adsorbiert oder desorbiert. Ein Ventil VI steuert den Fluss des gasförmigen Arbeitsmittels zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler.
Bei der Adsorption des Arbeitsmediums wird Adsorptionswärme frei. Hierdurch wird der Batterieanordnung Ba Wärme zugeführt. Die Batterie kann aber auch Wärme an das Adsorbens abgeben und hierdurch gekühlt werden. Wenn die Batterie Wärme an das Adsorbens Ads abgibt wird das adsorbierte Arbeitsmedium aus dem Adsorbens ausgetrieben und kondensiert im Phasenwandler Ph. Durch diese Prozesse wird die Batterie somit gewärmt bzw. gekühlt. Die Wärme, die das Arbeitsmedium bei diesen Prozessen über das Adsorbens abgibt bzw. aufnimmt, wird über den Phasenwandler mit externen Komponenten
ausgetauscht. Dabei wird in der Regel das Arbeitsmedium in dem Phasenwandler kondensiert oder verdampft. Die Kondensation des Arbeitsmediums im
Phasenwandler erfolgt dann, wenn das Arbeitsmedium aus dem Adsorbens ausgetrieben und somit die Batterieanordnung Ba gekühlt wird. Die Verdampfung des Arbeitsmedium erfolgt bei der Adsorption des Arbeitsmediums im Adsorbens und somit bei dem Erwärmen der Batterie.
Die bei der Kondensation des Arbeitsmediums im Phasenwandler freiwerdende Kondensationswärme bzw. die bei dem Verdampfen des Arbeitsmediums im Phasenwandler aufgenommene Verdampfungswärme wird beispielsweise mit einem Klimasystem K des Fahrzeuges ausgetauscht. Dabei strömt im Klimasystem des Fahrzeugs ein weiteres Medium, das die Wärme am Phasenwandler Ph aufnimmt oder an diesen abgibt. Beim Zuführen von Wärme an den
Phasenwandler verdampft das Arbeitsmedium im Phasenwandler und wird im Adsorbens des Adsorbers adsorbiert, wobei es diese Wärme an die Batterie abgibt. Das Klimasystem K kann grundsätzlich auch durch ein beliebiges externes System ersetzt sein, das Wärme aufnehmen kann und somit als Wärmesenke dient, oder das Wärme liefert und somit als Wärmequelle gebraucht werden kann.
In dem hier vorliegenden Beispiel umfasst das Klimasystem K einen Kompressor C, Ventile V2 bis V4 und verschiedene Wärmetauscher Hxl und Hx2 zur
Temperierung eines Fahrgastraumes und/oder zum Wärmeübergang mit der Umgebung.
Die Desorption des Adsorbers Ad und somit die Kühlung der Batterieanordnung Ba erfolgt insbesondere beim Schnellladen der Batterieanordnung, bei dem eine große Wärmemenge von der Batterieanordnung abgeführt werden muss.
Während des Schnellladens der Batterieanordnung desorbiert die
Batterieaufladungsabwärme den gesättigten Adsorber Ad. Das freigesetzte
Adsorptiv strömt zum Phasenwandler Ph, wo es kondensiert. Die
Kondensationswärme wird durch das externe System abgeführt, in diesem Fall die Klimaanlage K des Autos. Nach dem Ende der Desorption wird das Ventil VI innerhalb der Adsorptionswärmepumpe A geschlossen. Das Arbeitsmedium ist nun praktisch vollständig im Phasenwandler kondensiert und das Adsorbens Ads ist unbeladen.
Die Adsorption des Arbeitsmediums im Adsorber wird bei einer Speicherentladung der Batterie ausgeführt, wenn ein Beheizen der Batterie vor allem bei niedrigen Umgebungstemperaturen notwendig ist. Dies geschieht, um die volle
Batterieleistung entnehmen zu können, die nur in einem optimalen
Temperaturbereich vorliegt.
Zur Erwärmung der Batterieanordnung Ba wird das Ventil VI geöffnet. Der Adsorber Ad saugt das im Phasenwandler Ph enthaltene Kondensat des
Arbeitsmediums an. Das Arbeitsmedium wird im Adsorbens Ads adsorbiert und setzt während der Adsorption Wärme frei. Die freigesetzte Wärme gelangt über den Wärmekontakt, insbesondere über Wärmeleitung an die Batterieanordnung Ba und wird an deren Zellen abgegeben. Die notwendige Verdampfungswärme wird bei Umgebungstemperatur über ein externes System, im hier vorliegenden Beispiel hier ein Wärmetauscher der Klimaanlage K an den Phasenwandler Ph zugeführt.
Mit einer derartigen Anordnung kann jedoch eine kontinuierliche Kühlung der Batterieanordnung Ba durch das adsorptive Temperierungssystem nicht gewährleistet werden. Denn bei einem derartigen System ist die Beladung des Adsorbens im Adsorber mit dem Arbeitsmedium, d.h. dem Sorbat in der Regel invers zum Ladezustand der Batterie korreliert. Das liegt daran, dass während des Schnellladens der Batterie zur Batteriekühlung das Arbeitsmedium aus dem Adsorbens ausgetrieben wird. Das Arbeitsmedium befindet sich dann vollständig oder zumindest mehrheitlich in kondensierter Form im Phasenwandler und verbleibt auch dort, so lange keine Erwärmung der Batterie notwendig ist. Es steht für eine weitere Kühlung der Batterieanordnung nicht mehr zur Verfügung.
Außerdem ist ein Rückführen des Arbeitsmediums in das Adsorbat Ads nicht mehr ohne weiteres möglich. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen, bei denen keine Erwärmung der Batterie im Kaltstart benötigt wird, würde ein Überführen des Arbeitsmediums zurück in den Adsorber dazu führen, dass dann die Batterie überheizt werden würde. Das in Fig. la dargestellte System bietet somit keine Möglichkeit, diese Adsorptionswärme, an die Umgebung abzuführen und es erlaubt außerdem keine fortlaufende Kühlung der Batterieanordnung Ba während des laufenden Betriebs.
Hierzu werden in den vorliegenden Ausführungsbeispielen Lösungsmöglichkeiten angegeben.
Fig. lb zeigt eine prinzipielle Darstellung des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs in Ergänzung des zyklischen Betriebs der Adsorptionswärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf Z ist der Adsorptionswärmepumpe A zugeordnet. Er verläuft über die Gesamtanordnung aus Batterieanordnung Ba und Adsorber Ad und tauscht Wärme über einen Wärmeübertrager WÜ mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken aus. Diese externen Wärmequellen und Wärmesenken sind beispielsweise ein Fahrgastraum, die Umgebung oder auch eine externe Wärmepumpe. Der Wärmeträgerkreislauf ist ebenfalls mit dem Phasenwandler Ph der Adsorptionswärmepumpe wärmekontaktiert. Das in dem zusätzlichen
Wärmeträgerkreislauf zirkulierende wärmeübertragende Fluid wird
zwangskonvektiv, d.h. über eine Pumpe P2 umgetrieben.
Der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf erfüllt grundsätzlich zwei Funktionen. Er ermöglicht erstens eine kontinuierliche Temperierung der Batterieanordnung während des regulären Betriebs, insbesondere deren fortlaufende Kühlung oder Erwärmung auf einer zweckmäßigen Betriebstemperatur. Zweitens ermöglicht der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf ein Rücküberführen des Arbeitsmediums aus dem Phasenwandler Ph zurück in das Adsorbens Ads oder wahlweise ein
Verschieben des Arbeitsmediums von dem Adsorbens Ads in den Phasenwandler Ph, wobei die dabei anfallende oder aufzunehmende Wärme problemlos über den zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf abgeführt bzw. zugeführt werden kann, ohne dass die Temperierung der Batterieanordnung Ba beeinträchtigt wird. Letztlich ermöglicht der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf somit das gezielte Einstellen einer bestimmten Ausgangskonfiguration der Adsorptionswärmepumpe.
Das in dem zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf zwangsumgetriebene Fluid kann auch das Arbeitsmedium der Adsorptionswärmepumpe A selbst sein und die Komponenten der Adsorptionswärmepumpe direkt und somit nicht nur im Wärmekontakt durchströmen. In einem solchen Fall wird das Arbeitsmedium im Überschuss zugesetzt und es werden somit die Komponenten der
Adsorptionswärmepumpe soweit geflutet, dass das Arbeitsmedium keinerlei Phasenübergänge im Phasenwandler Ph und keinerlei Adsorptions- und
Desorptionsprozesse im Adsorbat Ads ausführen kann. Das Arbeitsmedium durchströmt in einem solchen Fall zwangskonvektiv den zusätzlichen
Wärmeträgerkreislauf und fungiert hierbei als bloßes wärmeübertragendes Fluid. Der Vorteil einer solchen Betriebsweise besteht darin, dass sämtliche
Komponenten der Adsorptionswärmepumpe über den zusätzlichen
Wärmeträgerkreislauf mit dem Arbeitsmedium beschickt werden können, wobei der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf selbst die Adsorptionswärmepumpe in einen definierten Ausgangszustand versetzt und insbesondere den Adsorber wieder mit dem Arbeitsmedium befüllt. Dabei wird die dabei anfallende Adsorptionswärme von dem im Überschuss zirkulierenden Arbeitsmedium problemlos abgeführt, wobei die Temperierung der Batterieanordnung Ba auf eine geforderte
Betriebstemperatur stets gewährleistet ist.
Fig. lc zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs Z bei Verwendung einer Wärmerohrfunktionalität, d.h. einer so genannten heat pipe. Der Wärmeträgerkreislauf Z bildet dabei in seiner Gesamtheit das
Wärmerohr, das immer durch einen Teilkreis für den Dampftransport und einen Teilkreis für den Flüssigkeitstransport gekennzeichnet ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zirkuliert das wärmeübertragende Fluid durch den
Phasenwandler Ph, wo ein Phasenübergang von flüssig zu gasförmig stattfindet. Über das Ventil VI strömt der entstandene Dampf zum Adsorber Ad, wo er auf der Oberfläche des Adsorbens Ads kondensiert und dabei die
Kondensationswärme an den Adsorber abgibt und damit die Batterie erwärmt. Der Transport der kondensierten Flüssigkeit erfolgt über die Pumpe P2 zurück zum Phasenwandler Ph.
Zur Kühlung der Batterie wird der Prozess umgekehrt und der
Wärmeträgerkreislauf Z in umgekehrter Richtung durchlaufen : bei der
Verdampfung auf dem Adsorber Ad wird dieser und mit ihm die Batterie gekühlt, der Dampf strömt über das Ventil VI zum Phasenwandler. Auf diesem kondensiert der Dampf und erwärmt dabei den Kreislauf K über die Pumpe PI zu den oben beschriebenen Wärmesenken. Die Flüssigkeit im Kreislauf Z wird über die Pumpe P2 zurück zum Adsorber gefördert.
Der Wärmetransport im heat pipe-Modus mit Phasenwechsel ermöglicht über die Übertragung der Phasenwechselenthalpie somit sehr effektiv die Wärme zwischen Batterieanodnung Ba und Kreislauf K auch ohne Adsorptions- und
Desorptionsvorgänge. Es zeigte sich überraschenderweise, dass der
erfindungsgemäße Aufbau zum Wärmetransport zwischen Batterieanordnung und Kreislauf K sowohl ohne (Fig lb) als auch mit Phasenübergang (Fig lc) genutzt werden kann und einfach über den Systemdruck und die Pumpensteuerungen geregelt werden kann. Auch ist eine Ausführung ohne die Pumpe P2 möglich, wenn der Flüssigkeitstransport über geeignete Mechanismen wie z.B. durch Kapillarkräfte ausreicht.
Fig. Id zeigt ein weiteres Beispiel für eine dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Anordnung zur Temperierung der Batterieanordnung Ba. Die hier gezeigte Anordnung enthält alle Komponenten gemäß der Darstellung aus Fig. la, d.h. insbesondere die Batterieanordnung Ba mit dem wärmekontaktierten Adsorber Ad und dem Adsorbens Ads, der wiederum Bestandteil der
Adsorptionswärmepumpe A ist. Die Adsorptionswärmepumpe ist hier wieder beispielhaft mit der Klimaanlage K des Fahrzeugs als externem System gekoppelt.
Im Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. la ist hier neben dem Kreislauf zwischen Phasenwandler und Batterieanordnung über VI ein zusätzlicher
Wärmeübertragungskreislauf Z vorgesehen, der wärmeübertragend an die
Gesamtanordnung aus Batterieanordnung Ba und Adsorber Ad angefügt, die aus dieser Gesamtanordnung anfallende Wärme abführt, bzw. die dieser
Gesamtanordnung gegebenenfalls benötigte Wärme zuführt und getrennt von Kreislauf über das Ventil VI aufgebaut ist. Der Phasenwandler Ph der
Adsorptionswärmepumpe ist bei diesem Ausführungsbeispiel kein Bestandteil des zusätzlichen Wärmeübertragungskreislaufs Z. Für die Batterieanordung Ba bedeutet dies, dass hier die für die Temperierung erforderliche Wärmemenge über zwei Kanäle verteilt übertragen werden kann und zwar so, dass die
Batterieeinheit praktisch kontinuierlich gleichmäßig und je nach Betriebsbelastung abgestuft über zwei voneinander baulich getrennten Einrichtungen temperiert wird. Für die Ausführungsbeispiele in den Figuren lb bis ld bedeutet dies
insbesondere, dass die in dem Phasenwandler Ph befindliche Menge des
Arbeitsmediums in den Adsorber Ad zurückgeführt und dort wieder adsorbiert werden kann, ohne die Batterie übermäßig zu erwärmen. Denn die dort freiwerdende Adsorptionswärme kann über den zusätzlichen
Wärmeübertragungskreislauf Z abgeleitet werden. Dies kann insbesondere auch bei hohen Umgebungstemperaturen geschehen und bei einem vergleichsweise hohen Ladezustand der Batterieanordnung Ba, sodass im Adsorber Ad wieder genug Arbeitsmedium vorhanden ist, um die Batterie auch bei hohen
Leistungsentnahmen gegebenenfalls deutlich zu kühlen. Es ist somit möglich, die vorhergehend erwähnte inverse Korrelation zwischen dem Batterieladezustand und der Verteilung des Arbeitsmediums in der Adsorptionswärmepumpe aufzuheben und stattdessen variabel zu gestalten.
Die der Batterieanordnung Ba zuzuführende oder von dieser abzuführenden Wärme kann auf sehr unterschiedliche Weise von dem zusätzlichen Fluidkreislauf ab- oder zugeführt werden. Möglich sind eine Wärmeübertragung an die auch bereits von der Adsorptionswärmepumpe A benutzte externe Wärmequelle oder Wärmesenke, hier beispielsweise an die Klimaanlage des Fahrzeugs, oder eine direkte Wärmeübertragung über den Kreis Z an die Umgebung.
Die Batterieanordnung Ba sowie das daran angeordnete Adsorbens Ads sind für eine Wärmeübertragung an den zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf entsprechend ausgebildet. Nachfolgend werden einige Gestaltungen der Batterieanordnung in Verbindung mit dem Adsorber beispielhaft erläutert.
Die Wärmeübertragung an der Batteriezelle erfolgt beispielsweise durch eine Wärmeleitung innerhalb des Adsorberstrukturmaterials, z. B. durch
Aluminiumbleche oder durch offenporige Strukturen (Aluminiumschäume oder Fasern), auf denen das Adsorbens aufgebracht ist.
Hierzu ist bei einer ersten vorrichtungsseitigen Ausführungsform eine
Wärmeleitungsvorrichtung 2 vorgesehen. Fig. 2 zeigt hier ein entsprechendes Beispiel. Sofern die Batterieanordnung Ba aus einer Mehrzahl von Batteriezellen als funktionale Grundeinheiten besteht, ist diese Wärmeleitungsvorrichtung an jeder Batteriezelle vorgesehen. Fig. 2 zeigt eine Batteriezelle 1. Diese ist mit dem Adsorbens Ads umgeben und steht mit diesem in einem Wärmekontakt. Das Adsorbens Ads bildet einen Adsorbensabschnitt 3 auf die Batteriezellenoberfläche. Möglich ist eine auf die Batterie aufgeschobene Umhüllung ähnlich einer Hülse oder ein mit dem
Adsorbens gefüllter Strömungskanal. In und aus dem Adsorbens wird
entsprechend der zyklischen Arbeitsweise der Adsorptionswärmepumpe das Arbeitsmedium als Adsorbens adsorbiert bzw. desorbiert.
Weiterhin weist die Vorrichtung aus Fig. 2 einen Wärmeleitabschnitt 4 auf, der sowohl mit der Batteriezelle 1 als auch mit dem Adsorbensabschnitt 3 im
Wärmekontakt steht. Der Wärmeleitabschnitt 4 kann als Kühlplatten ausgebildet sein. Die Kühlplatten bewirken somit einen Wärmeaustausch mit dem zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf. Sie bilden eine Zusatztemperiereinheit der Batteriezelle 1 aus.
Die Kühlplatten 4 sind dann mit dem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs Z beaufschlagt.
Der als Flüssigkeitskreislauf ausgebildete Wärmeträgerkreislauf Z kühlt die Batterie während des kontinuierlichen Betriebs, wenn die Batteriewärme im Betrieb zu hoch ist. Der Flüssigkeitskreislauf kann auch Kühlung bereitstellen, wenn überschüssiges Kondensat adsorbiert werden muss, sodass die nächste Schnellladung der Batterie vorbereitet werden kann. Der Flüssigkeitskreislauf kann wie beschrieben entweder mit einer Pumpe umgewälzt werden oder als Wärmerohr ausgeführt sein, in dem die Wärmeübertragung durch eine
Phasenwandlung erfolgt.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Batterieanordnung Ba, die als ein Batteriepack ausgebildet ist, wobei das Batteriepack als Ganzes sowohl als ein Teil des Fluidkreislaufs und der Adsorptionswärmepumpe eingekoppelt ist.
Das Batteriepack kann so aufgebaut sein, dass jede Batteriezelle zum einen mit einer Oberfläche in Kontakt steht, die mit dem Fluid aus dem zusätzlichen
Wärmeträgerkreislauf Z, das insbesondere als Kühlflüssigkeit wirkt, bedeckt ist, und zum anderen mit einer Oberfläche im Wärmekontakt steht, die mit dem Material des Adsorbens Ads bedeckt ist. Die Seite, die mit Adsorbens Ads bedeckt ist, stellt die Kühlung während der schnellen Aufladung bereit und gewährleistet die Vorwärmung der Batteriezellen bei kalten Außentemperaturen. Der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf stellt eine kontinuierliche Kühlung bereit, wenn das
Fahrzeug in Betrieb ist oder wenn überschüssiges Kondensat im Adsorbens adsorbiert werden und die dabei freigesetzte Wärme abgeleitet werden muss.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Batteriepacks 7, der im hier gezeigten Beispiel die Batterieanordnung Ba bildet. Der Batteriepack besteht aus einer Reihe von Batteriezellen 1. Zwischen den Batteriezellen verlaufen Strömungskanäle. Diese sind alternierend entweder mit einem
Adsorbens gefüllte Sorptionsströmungskanäle 5 oder mit dem Fluid durchströmte Wärmeströmungskanäle 6. Die Sorptionsströmungskanäle bilden als Ganzes den Adsorber Ad der Adsorptionswärmepumpe aus. Somit ist das Batteriepack in seiner Gesamtheit aus Batteriezellen und Sorptionsströmungskanälen eine integrierte Adsorber-Batterieeinheit, deren Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme als Ganzes durch die durchströmten Wärmeströmungskanäle geregelt wird. Bei dieser integrierten Anordnung lässt sich die Nettowärmebilanz aus Adsorber und Batterieanordnung als Ganzes besonders effektiv regeln und überwachen.
Die Batterieanordnung gemäß Fig. 4 kann so aufgebaut sein, dass die gesamte Oberfläche jeder einzelnen Batteriezelle im Wärmekontakt mit einer Kühlfluid aus dem zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf Z steht, wobei diese Anordnung wiederum insgesamt in Kontakt mit einem Adsorbensmaterial steht. Eine feste dünne und gut wärmeleitende Schicht, z. B. eine Aluminiumfolie, trennt den Bereich des Kühlfluids von dem Adsorbensvolumen.
Die umgekehrte Konstruktion ist ebenfalls möglich : Die Batteriezellen sind in Kontakt mit einem Adsorbensmaterial, das wiederum mit einem Kühlfluid in Kontakt steht Eine feste dünne Schicht, z. B. Aluminiumfolie trennt den Bereich Kühlfluids vom Adsorbensvolumen.
Diese Konstruktion ist kann an die Form der Zellen angepasst sein. Gezeigt ist in Fig. 4 eine Batteriezelle 1 in zylindrischer Form, die konzentrisch von einem inneren Strömungskanal 8 umgeben ist. Der innere Strömungskanal 8 wiederum ist von einem äußeren Strömungskanal 9 umgeben. Diese wiederum sind durch eine gut wärmeleitende Trennwand 10 voneinander abgetrennt, stehen aber miteinander im Wärmekontakt. Einer der beiden Strömungskanäle ist dabei mit dem Adsorbens Ads gefüllt und in diesem werden zyklisch Adsorptionen und Desorptionen ausgeführt, der andere wird von dem Fluid des Fluidkreislaufs durchströmt und dient beispielsweise dem Abführen überschüssiger
Adsorptionswärme sowie dem Kühlen der Batteriezelle während des
Normalbetriebs.
Diese Anordnung kann auch eine zumindest abschnittsweise alternierend angelegt sein, wie das untere Beispiel in Fig. 4 verdeutlicht.
Fig. 4a zeigt die Anordnung in einer perspektivischen Darstellung. Die
Batteriezelle 1 sowie die Strömungskanäle 8 und 9 bilden einen konzentrischen und zylindrischen Aufbau. Bei diesem kann innerhalb des Gesamtanordnung ein dynamisches thermisches Gleichgewicht zwischen der Batteriezelle und den Strömungskanälen 8 und 9 realisiert werden. Letztlich wird die Batteriezelle 1 dadurch temperiert, indem der Strömungskanal 8 und der Strömungskanal 9 in ihren Eigenschaften als Teil des Adsorbers bzw. des Fluidkreislaufes
untereinander Wärme tauschen, wobei der sich daraus ergebende
Wärmenettofluss aus der Batteriezelle 1 gespeist oder in die Batteriezelle abgegeben wird.
Fig. 5 zeigt einen Aufbau einer Batteriezelle 1 mit umgebendem Adsorbens Ads als Teil des Adsorbers der Adsorptionswärmepumpe und Wärmeträgerplatten 11 an deren Stirnseiten in zwei Varianten. Die Wärmeträgerplatten bilden
beispielsweise Kühlplatten auf den Stirnseiten aus und kühlen bedarfsweise die Gesamtanordnung aus Batteriezelle und Adsorbens Ads. Die Batterie und die Adsorberpackung können auch so aufgebaut sein, dass die Seitenoberfläche der Batteriezellen mit Sorbentmaterial in Kontakt ist und die Oberseite und die Unterseite - oder nur die Oberseite oder nur die Unterseite - mit der
Kühlflüssigkeit des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs in Kontakt sind.
Die Wärmeableitung beim Schnellladen wird meist durch Desorption des
Adsorbensmaterials erreicht. Die Wärmeabfuhr bei Dauerbetrieb oder bei der Adsorption von überschüssigem Kondensat wird meist durch Wärmeübertragung auf die Kühlflüssigkeit erreicht. Die Vorwärmung der Batterie wird durch die Adsorption des als Kondensat vorliegenden Arbeitsmittels erreicht. Die Wärmeträgerplatten 11 weisen in ihrem Inneren Strömungskanäle 12 auf, die mit dem Fluid des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs durchströmt werden.
Eine weitere Option, um mit dem System der Adsorptionswärmepumpe eine Flexibilität der Temperierung der Batterieanlage zu erreichen, ohne ein zweites Fluidsystem oder eine Wärmeleitungsstruktur zu benötigen, besteht darin, das gleiche System sowohl zur Wärmeübertragung durch De- und Adsorption, d.h. im Speicherbetrieb mit dem Betrieb als Adsorptionswärmepumpe, als auch zur Wärmeübertragung durch Zirkulation des Kältemittels ohne einen
Phasenübergang im kontinuierlichen Betrieb zu kombinieren.
Hierzu wird nach dem Aufladen der Batterie und der dadurch bewirkten
Desorption des Adsorbens das Adsorptiv in flüssiger Form im Überschuss in den Adsorber eingeführt. Der Adsorber wird somit geflutet, so dass im Adsorbens nicht die Adsorptionswärme durch Anlagerung des Adsorptivs aus der
Dampfphase, sondern die wesentlich geringere Bindungswärme aus der
Flüssigphase freigesetzt wird. Diese kann durch den Kreislauf des flüssigen Adsorptivs abgeführt werden. Das Adsorptiv wirkt somit ausschließlich als Wärmeträgermedium.
Ein solches System ermöglicht es, sowohl ein Fluid innerhalb des Adsorbers zirkulieren zu lassen als auch einen trockenen Adsorber zu regenerieren, d.h. mit Arbeitsmedium neu zu beschicken. Hierdurch wird sowohl eine kontinuierliche Kühlung als auch eine Kühlung während der schnellen Aufladung bereitgestellt. Durch Einstellung des Systemdrucks im zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf mit Hilfe des sekundären Kältekreislaufs kann vorab der Punkt gewählt werden, ab dem die Wärmeübertragung durch Zwangskonvektion in die Wärmeübertragung durch Desorption/Kondensation übergeht und ersetzt wird. Dies kann bei hohen Lade-Ieistungen, als auch bei hohen Entladeleistungen, z. B. bei hoher
Beschleunigung des Fahrzeugs erfolgen.
Alternativ kann durch Zu- und Abführen des flüssigen Adsorptivs mittels einer Pumpe festgelegt werden, ob sich das System im Modus der Zwangskonvektion und somit des Wärmekreislaufs oder im Modus Desorption/Kondensation und somit der Adsorptionswärmepumpe befindet. Für den Fall niedriger Außentemperaturen, die eine Erwärmung der Batterie durch Adsorption während des Fährbetriebs oder für den Kaltstart erforderlich macht, muss rechtzeitig zwischen der kontinuierlichen Kühlung und dem Adsorptions- /Desorptionsbetrieb, d.h. zwischen dem Betrieb als Wärmeträgerkreislauf und dem Betrieb als Adsorptionswärmepumpe, umgeschaltet werden. Dieser Modus muss durch das Fahrzeugmanagementsystem bei bestimmten Außentemperaturen aktiviert werden.
Die Figuren 6, 6a bis 6c zeigen die entsprechenden Betriebszustände anhand beispielhafter Blockdiagramme. Gezeigt sind gemäß Fig. 6 eine Reihe von
Batteriezellen 1, die jeweils von der Adsorbereinheit Ad umgeben sind. Über ein Ventil VI kann das Arbeitsmedium zwischen der Adsorbereinheit und dem
Phasenwandler Ph umgetrieben werden. Es ist weiterhin ein Vorratsreservoir V für das Arbeitsmedium sowie eine Pumpe P3 vorgesehen, die von einer Steuereinheit S zugeschaltet werden kann. Über eine Pumpe P2 kann ein Kreislauf zwischen dem Adsorber Ad, dem Phasenwandler sowie die Pumpe P2 realisiert werden. Ein Temperatursensor T und ein Beladungssensor L registrieren die Temperatur und die Fluidbeladung der Adsorbereinheit und der Batteriezellen und geben diese Werte an die Steuereinheit S aus.
Fig. 6a zeigt die Schaltung des Temperiervorrichtung der Batterieanlage während eines Schneiladevorgangs (Energieeintrag E). Die Batterieanordnung Ba besteht aus einzelnen Batteriezellen 1, zwischen denen die Adsorbereinheit Ad mit dem Adsorbens angeordnet sind. Über ein Ventil VI ist der Adsorber mit einem
Phasenwandler Ph verbunden. Weiterhin ist eine Pumpe P2 vorgesehen. Diese befinden sich in einem Zweig, der von dem Phasenwandler zurück zum Adsorber Ad führt. Der über das die Pumpe P2 führende Zweig wird dann aktiviert, wenn die Anordnung als Wärmeträgerkreislauf fungiert.
Bei einem Schnellladeprozess der Batterie wird das Ventil VI geöffnet. Die Pumpe P2 ist jedoch inaktiv. Das Arbeitsmedium wird durch die Wärmeabgabe der Batteriezellen 1 aus dem Adsorber Ad desorbiert und gelangt in den
Phasenwandler Ph, wo es kondensiert und die Wärme Q wie vorhergehend beschrieben in die Umgebung oder externe Komponenten abgibt. Nach dem Abschluss des Schnellladevorgangs befindet sich das Arbeitsmedium als Kondensat im Phasenwandler Ph. Die Batterieanordnung ist elektrisch aufgeladen und betriebsbereit. Sie gibt während des kontinuierlichen Fahrzeugsbetriebs und somit während der Entladung beständig Wärme ab und muss zum
Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur gekühlt werden.
Der Phasenwandler wird nun wie in Fig. 6b dargestellt aus einem Arbeitsmedium- Vorrat V mit Arbeitsmedium im Überschuss beschickt. Die Pumpe P2 treibt das im Überschuss zugesetzte Arbeitsmedium in den Adsorber Ad innerhalb der
Batterieanordnung. Dabei erfolgt ein zwangsweises Beaufschlagen des Adsorbers, wobei nur eine geringe Adsorption des Arbeitsmediums im Adsorbens erfolgt. Die Adsorption erfolgt deshalb nicht in größerem Maße, weil die Wärmeabgabe der Batterieanordnung dies verhindert. Das Arbeitsmedium fließt jedoch durch den Adsorber und nimmt dabei die von der Batterieanordnung erzeugte Wärme auf.
Es wirkt somit als ein Kühlmittel für die Batterieanordnung, wobei der bei geöffnetem Ventil VI unter dem Einfluss der Pumpe P2 sich vollziehende Kreislauf als Kühlkreislauf der Batterieanordnung dient. Das Arbeitsmedium gelangt dabei wieder in den Phasenwandler Ph und kann dort gesammelt und gegebenenfalls abgeleitet werden.
Nach Beendigung des Batteriebetriebs wird der Kühlkreislauf so betrieben, dass möglichst wenig flüssiges Arbeitsmedium im Adsorber verbleibt. Das im
Überschuss zugesetzte Arbeitsmedium wird aus dem Phasenwandler zurück in ein Reservoir abgeleitet. Der Kühlkreislauf ist damit bereit, um die Batterieanordnung erneut vorzuwärmen.
Das Vorwärmen der Batterieanordnung bei niedrigen Temperaturen ist in Fig. 6c verdeutlicht. Der Adsorber Ad ist praktisch von dem Arbeitsmedium frei. Der Phasenwandler Ph enthält einen Vorrat an flüssigem Arbeitsmedium. Es wird nun das Ventil VI geöffnet. Das flüssige Arbeitsmedium verdampft und wird an dem Adsorbens des Adsorbers Ad adsorbiert. Die dabei freiwerdende
Adsorptionswärme wird an die Batterie abgeleitet und wärmt diese auf.
Das Adsorbens besteht insbesondere aus hochkapillaren Materialien wie Zeoli- then. Das Arbeitsmedium diffundiert in den mit dem Adsorbens beschichteten Teil hinein. Dieser Teil erfüllt bei der Desorption des Arbeitsmediums die Rolle eines Verdampfungskühlers während der Batteriekühlung. Beim Adsorbieren des Arbeitsmediums wirkt dieser als eine Heizung zum Aufwärmen der Batterie.
Ein weiterer möglicher Aufbau des Systems ist in Fig. 7 dargestellt.
In den nachfolgenden Figuren 7 bis 13 bedeutet: 13 Kühlmittelpumpe, 14 Batterie mit Adsorber, 15 Kühlmittelverrohrung, 16 Rückkühler, 17 Phasenwechsler, 18 Heizer, 19 Kondensatventil und Leitung, 20 Kondensatpumpe, 21 Dampfventil und Leitung. Das Dampfventil 21 wird nur für die Wärmespeicherung im adsorptiven Betrieb benötigt.
Fig. 8 stellt einen Betriebsmodus einer kontinuierlichen Batteriekühlung über den zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf dar. Dieser Betriebsmodus wird wie folgt ausgeführt:
Das Arbeitsmedium, das als ein Systemkältemittel der Adsorptionswärmepumpe dient, beispielsweise Wasser, wird von den Phasenwechslern 17 durch die
Kondensatleitung und das Kondensatventil 19 in das Adsorbervolumen der Batterie mit dem Adsorber 14 mittels der Kondensatpumpe 20 gepumpt.
Beim Eintritt in das Adsorbervolumen breitet sich das Kühlmittel dank
Kapillarwirkung durch das Sorbensmaterial aus. Auf diese Weise wird das
Sorbensmaterial nass und die Wärme, die von den elektrischen Verlusten in den Batteriezellen erzeugt wird, verdampft das flüssige Kältemittel. Der Druck innerhalb des Adsorbervolumens ist daher nahe dem Verdampfungsdruck des Kältemittels bei der gewünschten Batterietemperatur.
Sobald es in Dampfform ist, fließt das Kühlmittel auf natürliche Weise zurück zu den Phasenwandlern 17, wo es wieder zu flüssiger Form kondensiert. Diese Kondensation erfolgt dank der aktiven Kühlung der Komponenten des
Phasenwechslers, die entweder über einen Umgebungstemperatur- Rückkühlerkreislauf 16 oder über eine Kopplung der Fahrzeug-Wärmepumpe (oder einer Kompressor-basierten Klimaanlage) erreicht wird. Wichtig ist hier, dass dieser Prozess durch die Kondensatpumpe 20 erzwungen und nicht durch Adsorptionen und Desorptionen getrieben wird. Infolgedessen spielt das Adsorbensmaterial in diesem Betriebsmodus lediglich die Rolle eines Wärmeverteilers. Dieser Prozess findet kontinuierlich statt, solange Abwärme von der Batterie vorhanden ist, um die Verdampfung des Kühlmittels anzutreiben, wobei das kondensierte Kühlmittel zurück in den Adsorber gepumpt wird.
Fig. 9 stellt den Betriebsmodus einer kontinuierlichen Erwärmung der Batterie dar. Das System kann zur Erwärmung der Batterie an kalten Tagen dank externer Wärmezufuhr verwendet werden. In diesem Modus arbeitet das System wie folgt:
Wärme von einer externen Wärmepumpe des Fahrzeugs oder von einer externen Heizung 18 wird an die Phasenwechsler 17 zugeführt. Die Wärme ermöglicht die Verdampfung des in den Phasenwechslern 17 befindlichen Kühlmittelkondensats. Das verdampfte Kühlmittel strömt natürlich zu dem Adsorbervolumen der Batterie und des Adsorbers 14, wo es bei Kontakt mit der kalten Oberfläche kondensiert. Die Oberfläche erwärmt sich beim Empfang der Kondensationswärme. Diese Wärme wird dann durch Wärmeleitung auf die Batterie übertragen.
Das kondensierte Kältemittel strömt durch Schwerkraft auf den Boden des Adsorbervolumens und wird dank der Kondensatpumpe 20 über die
Kondensatleitung zu den Phasenwechslern zurückgepumpt. Auch hier ist zu betonen, dass dieser Prozess zwangskonvektiv erfolgt und mittels der
Kondensatpumpe getrieben wird.
Dieser Zyklus kann fortgesetzt werden, bis die gewünschte Batterietemperatur erreicht ist.
Ein weiterer Betriebsmodus stellt auf eine Wärmespeicherung ab. In Fig. 10 ist ein Dampfventil 21 auf der Dampfleitung des Systems dargestellt. Dieses Ventil ist vorhanden, wenn ein thermischer Energiespeicher mit dem System verwendet werden soll. Die Wärmespeicherkapazität ist abhängig von der Menge an
Sorptionsmaterial, die in dem Adsorber enthalten ist.
Im Wärmespeichermodus arbeitet das System wie im Folgenden beschrieben :
Das Laden des Speichersystems in Verbindung mit einem Kühlvorgang ist in der Fig. 10 dargestellt. Die Kondensatleitung ist mittels des Kondensatventils 19 geschlossen. Die elektrische Abwärme von der Batterie während des Schnellladens oder anderer Betriebsmodi wird verwendet, um das feuchte
Adsorbens in der Anordnung aus Batterie und Adsorber 14 zu desorbieren. Der aus dieser Desorption freigesetzte Kältemitteldampf strömt zu den
Phasenwechslern, wo er kondensiert. Diese Kondensation erfolgt durch aktive Kühlung der Phasenwechsler über externe Schaltungen wie die
Fahrzeugwärmepumpe oder Kompressor-basierte Klimaanlage oder die
Umgebungstemperatur-Kühlkreislauf. Sobald die gewünschte Kältemittelmenge von dem Adsorbensmaterial desorbiert wurde oder sobald dieses trocken ist, kann das Dampfleitungsventil 21 geschlossen werden, um den Adsorber vollständig von den Phasenwechslern 17 zu isolieren.
Das Entladen des Speichersystems in Verbindung mit einer Aufwärmung der Batterieanordnung ist in Fig. 11 dargestellt. Bevor die Wärmeenergie an den Adsorber abgegeben wird, ist der Adsorber kalt und sowohl das Kondensat als auch die Dampfleitungen befinden sich in geschlossenen Zuständen, d.h. der Adsorber 14 und die Phasenwechsler 17 sind vollständig voneinander isoliert. Die Freisetzung von Wärmeenergie findet statt, wenn die Dampfleitung geöffnet wird. Das Öffnen des Ventils 21 verringert den Druck in dem Phasenwandler und das Kältemittelkondensat beginnt zu verdampfen, fließt zu dem Adsorber und wird durch das Adsorbensmaterial adsorbiert. Die Adsorption des Kältemittels setzt Wärmeenergie frei, die über Leitung zur Batterie übertragen wird. Auf der anderen Seite kühlt die stattfindende Verdampfung die Phasenwechsler ab. Damit dieser Prozess so lange wie erforderlich dauert oder solange das System nicht vollständig entladen ist, muss die Verdampfungswärme den Phasenwandlern zugeführt werden. Diese Verdampfungswärme kann bei Umgebungstemperatur über den Rückkühlerkreislauf zugeführt werden, um die Temperatur der
Phasenwechsler stabil zu halten.
Ein Vorteil des oben beschriebenen Wärmemanagementsystems besteht darin, dass es sehr sicher ist. Das Kältemittel, beispielsweise Wasser, kann eine sichere und umweltfreundliche Substanz sein. Der größte Teil des im Adsorbervolumen vorhandenen Kältemittels ist dampfförmig, was im Falle von Wasser nichtleitend ist und eine bessere elektrische Durchschlagsfestigkeit als Luft aufweist. Am Boden des Adsorbers können sich nur geringe Mengen flüssigen Kältemittels sammeln. Wie in der Fig. 12 gezeigt, bei einem Systemausfall würde das Flüssigkeitsvolumen aufgrund des erhöhten Systemdrucks den Adsorber automatisch verlassen. Infolgedessen ist das System eigensicher und das
Adsorbensmaterial kann in der Nähe der Batteriezellen angeordnet werden, ohne die Fahrzeugsicherheit zu beeinträchtigen.
Das hier beschriebene Heat-Pipe-System kann auf Anwendungen ausgedehnt werden, bei denen kleine elektronische Komponenten für hochdichte und raumbeschränkte Kühlanforderungen gekühlt werden. In der Tat kann die
Wärmeleitung durch das Material mit einer Schicht aus Sorptionsmaterial mehr als 10 kW/m2K betragen, was eine große Verbesserung im Vergleich zu einem
Kühlsystem auf der Basis von Kühlmittelzirkulation darstellt.
Elektronische Komponenten können große Wärmemengen pro Oberflächeneinheit freisetzen. Dieses Heat-Pipe-System ermöglicht es, diese Wärme auf eine viel größere Oberfläche zu versetzen, die Phasenwechsler, bei denen externe
Kreisläufe auf herkömmliche Weise verwendet werden können, um die Wärme an die Umgebung abzuführen. Dies ist in Fig. 13 dargestellt. In Fig. 13 bedeuten: 22 Kühlmittelpumpe, 23 Gekühlter Chip mit Adsorber, 24 Kühlmittelverrohrung, 25 Rückkühler, 26 Phasenwechsler, 27 Kondensatventil und Leitung, 28
Kondensatpumpe, 29 Dampfleitung.
Die Hauptvorteile einer Adsorption basierten Heat-Pipe-System sind eine extrem hohe Wärmeleitung, eine Gleichmäßige Wärmeab- und Zufuhr, ein
kontinuierlicher Betrieb sowohl bei der Kühlung als auch bei der Aufwärmung und eine Möglichkeit Wärme zu speichern für einen geringen Stromverbrauch.
Bezugszeichenliste
A Adsorptionswärmepumpe
Ad Adsorber
Ads Adsorbens
Ba Batterieanordnung
E elektrische Batterieladung bzw. -entladung
F Fluidkreislauf HP Wärmerohr
K Klimasystem
Pl-3 Pumpen
Ph Phasenwandler
VI Ventil
Q Wärme
WÜ Wärmeübertrager
Z zusätzlicher Wärmeträgerkreislauf
1 Batteriezelle
2 Wärmeleitungsvorrichtung
3 Adsorbensabschnitt
4 Wärmeleitabschnitt
5 Sorptionsströmungskanal
6 Wärmeströmungskanal
7 Batteriepack
8 innerer Strömungskanal
9 äußerer Strömungskanal
10 Trennwand, wärmeleitend
11 Wärmeträgerplatte
12 Strömungskanal
13 Kühlmittelpumpe
14 Batterie mit Adsorber
15 Kühlmittelverohrung
16 Rückkühler
17 Phasenwechsler
18 Heizer
19 Kondensatventil und Leitung
20 Kondensatpumpe
21 Dampfventil und Leitung
22 Kühlmittelpumpe
23 gekühlter Chip mit Adsorber
24 Kühlmittelverrohrung
25 Rückkühler Phasenwechsler
Kondensatventil und Leitung Kondensatpumpe
Dampfleitung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung (Ba) aus mindestens einer Batteriezelle (1) mittels einer zyklisch betriebenen
Adsorptionswärmepumpe (A), bestehend aus einem Adsorber (Ad) und einem Phasenwandler (Ph) mit einem zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler umgetriebenen Arbeitsmedium (AM),
wobei die mindestens eine Batteriezelle (1) mit einem Adsorbens (Ads) des Adsorbers (Ad) wärmekontaktiert ist und die Batteriezelle (1) temperiert wird, indem die Batterieanordnung Adsorptionswärme aufnimmt und Desorptionswärme abgibt,
wobei die in dem Phasenwandler während eines Kondensationsprozesses des Arbeitsmediums freigesetzte Wärme und die während eines
Verdampfungsprozesses des Arbeitsmediums aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt und aus dieser zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieanordnung (Ba) und der Adsorber (Ad) bedarfsweise über einen Zusatzfluidkreislauf (Z) mit einem in dem Zusatzfluidkreislauf umgetriebenen wärmeübertragenden Fluid wärmekontaktiert werden, wobei das wärmeübertragende Fluid mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken wärmekontaktiert ist, wobei der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf bedarfsweise Wärmeenergie aus externen
Wärmequellen zugeführt wird oder von der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf Wärmeenergie entzogen und zu externen
Wärmequellen abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zusatzfluidkreislauf von der Adsorptionswärmepumpe stofflich getrennt ist, wobei das wärmeübertragende Fluid über eine
Wärmeaustauschfläche an der Gesamtanordnung aus der
Batterieanordnung (Ba) und dem Adsorber (Ad) entlanggeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Zusatzfluidkreislaufs die
Adsorptionswärmepumpe (A) zeitweise aus dem zyklischen Betrieb in eine Betriebsweise der Zwangskonvektion versetzt wird, wobei das
Arbeitsmedium im Überschuss in den Adsorber eingeleitet und der Adsorber geflutet wird, wobei nachfolgend das flüssige Arbeitsmedium (AM) zwangskonvektiv ohne Phasenwechsel als wärmeübertragendes Fluid umgetrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der Zwangskonvektion durch eine gesteuerte Veränderung des Systemdruckes innerhalb der Adsorptionswärmepumpe (A) ausgeführt wird, wobei die Veränderung des Systemdruckes in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern und/oder Betriebszuständen der Batterieanordnung (Ba), insbesondere von Lade- und/oder Entladeleistungen der
Batterieanordnung (Ba), und/oder in Abhängigkeit von aktuellen
Umgebungsbedingungen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der Zwangskonvektion durch ein Zuführen und ein Abführen des
Arbeitsmediums mittels einer Pumpeneinheit (P3) ausgeführt wird, wobei die Steuerung der Pumpeneinheit in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern der Batterieanordnung (Ba) und/oder von aktuellen Umgebungsbedingungen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zusatzfluidkreislauf (Z) als ein Wärmerohr (W) ausgebildet ist, wobei das wärmeübertragende Fluid Phasenübergänge ausführt.
7. Temperierte Batterieanordnung (Ba), bestehend aus einer Mehrzahl von Batteriezellen (1) und einer in die Batterieanordnung integrierten, jede einzelne Batteriezelle umgebenden Batteriezellentemperiereinheit, wobei die Batteriezellentemperiereinheit an externe Temperiereinrichtungen ankoppelbar ist.
8. Temperierte Batterieanordnung (Ba) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellentemperiereinheit mindestens einen ersten
Flächenabschnitt der Batteriezelle bedeckenden und mit der Batteriezelle im Wärmekontakt stehenden Adsorbensabschnitt (3) zu Kopplung mit einer Adsorptionswärmepumpe und einen zweiten mit einem in einem Zusatzfluidkreislauf zirkulierenden wärmeübertragenden Fluid im
Wärmekontakt stehenden Wärmeleitabschnitt (4) aufweist.
9. Temperierte Batterieanordnung (Ba) nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellentemperiereinheit aus einer Reihe zwischen den
Batteriezellen (1) verlaufenden Strömungskanälen besteht, wobei die Strömungskanäle alternierend als mit einem Adsorbens gefüllte und von einem Adsorbat beaufschlagte Sorptionsströmungskanäle (5) und mit einem wärmeübertragenden Fluid durchströmbare
Wärmeströmungskanäle (6) ausgebildet sind.
10. Temperierte Batterieanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellentemperiereinheit als eine Anordnung aus einem ersten, die Batteriezelle (1) im Wärmekontakt umgebenden inneren
Strömungskanal (8) und einem zweiten, den inneren Strömungskanal in einem Wärmekontakt umgebenden äußeren Strömungskanal (9) ausgebildet ist.
11. Temperierte Batterieanordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der innere oder der äußere Strömungskanal (8 oder 9) mit einem
Adsorbens gefüllt ist und das Adsorbens von einem Adsorbat
beaufschlagbar ist, wobei der mit dem Adsorbens gefüllte Strömungskanal an eine Adsorptionswärmepumpe angekoppelt ist, und der jeweils andere Strömungskanal an einen externen Wärmeträgerkreislauf gekoppelt ist.
12. Temperierte Batterieanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellentemperiereinheit in Form von mit einem Fluid
durchströmten Wärmeübertragerplatten (11) im Wärmekontakt mit einem ersten Oberflächenabschnitt der Batteriezelle (1) und einem mit einem Adsorbens (Ads) beaufschlagten Sorptionskanal ausgebildet ist, wobei die Wärmeübertragerplatten an einen externen Wärmeträgerkreislauf angeschlossen sind und der Sorptionskanal Teil einer
Adsorptionswärmepumpe ist.
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