WO2016030126A1

WO2016030126A1 - Temperiereinrichtung

Info

Publication number: WO2016030126A1
Application number: PCT/EP2015/067576
Authority: WO
Inventors: Stefan Hirsch; Jürgen Grünwald; Joachim Treier
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US20170271729A1; DE102014217338A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung (1) zum Temperieren wenigstens einer Energieversorgungseinheit, -mit einer von einem Fluid durchströmbaren Temperierstruktur (3), deren Innenraum (4) von wenigstens einer ersten Leitungswand (5a) begrenzt ist, -mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul(6), welches auf einer vom Innenraum (4) der Temperierstruktur (3) abgewandten Seite an der ersten Leitungswand (5a) der Temperierstruktur (3) angeordnet ist, -wobei das thermoelektrische Modul (6) eine erste und wenigstens eine zweite Elementreihe (8a-8e) mit jeweils wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen (9a-9e) aufweist, -wobei sich die wenigstens zwei Elementreihen (8a-8e) jeweils entlang einer Erstreckungsrichtung (E) erstrecken und quer zur Erstreckungsrichtung (E) benachbart zueinander angeordnet sind, -wobei in der Temperierstruktur (3) für jede Elementreihe (8a-8e) ein Fluidkanal (16a-16e) vorgesehen ist, derart, dass jeder Fluidkanal (16a-16e) thermisch an eine ihm zugeordnete Elementreihe (8a-8e) gekoppelt ist, -wobei in wenigstens einem Fluidkanal (16a-16e) ein Ventilelement (17a-17e) vorgesehen ist, welches zwischen einer geschlossenen Position, in welchem es den Fluidkanal (16a-16e) verschließt, und einer geöffneten Position, in welchem es den Fluidkanal (16a-16e) zum Durchströmen mit dem Fluid freigibt, verstellbar ist.

Description

Temperiereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung sowie eine Batterie- Anordnung mit einer solchen Temperiereinrichtung.

In modernen Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen kommen oftmals Lithium- Ionen-Batterien als wiederaufladbare Energiespeicher zum Einsatz. Eine hinsichtlich Lebensdauer und maximaler Energiespeichermenge optimierte Batterie benötigt für die einzelnen Batteriezellen eine entsprechend leistungsfähige Temperiereinrichtung, welches insbesondere eine Erwärmung der Batterie über eine maximale Betriebstemperatur hinaus zu verhindern vermag.

Aus dem Stand der Technik sind vor diesem Hintergrund aktive Temperiereinrichtungen bekannt, die eine von einem Temperier-Medium in Form eines Fluids durchströmbare Temperierstruktur umfassen. Eine solche Temperierstruktur weist typischerweise zwei einen Fluidkanal begrenzende Temperierplatten auf. Besagte Temperierstruktur wirkt als Wärmequelle oder Wärmesenke und erlaubt einen Wärmeaustausch zwischen der zu temperierenden Batterie und dem die Temperierstruktur durchströmenden Fluid. Der Wärmeaustausch kann von thermoelektrischen Elementen in Form sogenannter Peltier-Elemente unterstützt werden, die an definierten Stellen zwischen der zu temperierenden Batterie und den Temperierplatten angebracht werden.

Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die DE 10 2012 21 1 259 A1 bekannt, die eine derartige Temperiereinrichtung beschreibt. Als problematisch bei solchen Temperiereinrichtungen erweist es sich, in den einzelnen Batteriezellen einer thermisch an die Temperiereinrichtung gekoppelten Batterie eine möglichst homogene Temperierung aller dieser Batteriezellen zu erzielen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer Temperiereinrichtung zu schaffen, welche eine möglichst homogene Temperierung aller Batteriezellen einer thermisch an die Temperiereinrichtung gekoppelten Batterie ermöglicht. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie-Anordnung mit einer solchen Temperiereinrichtung zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine Temperierstruktur zum einen mit wenigstens zwei Elementreihen aus thermoelektrischen Elementen und zum andern mit von einem Fluid durchströmbaren Fluidkanälen auszustatten. Eine erfindungsgemäße Temperierstruktur ist dabei derart konzipiert, dass jeder Elementreihe mit ihren thermoelektrischen Elementen ein Fluidkanal zugeordnet wird. Die Zuordnung ist dabei derart realisiert, dass die thermoelektrischen Elemente einer bestimmten Elementreihe derart in der Temperierstruktur angeordnet sind, dass sie thermisch an den ihr zugeordneten Fluidkanal gekoppelt sind. Dies hat zur Folge, dass die von einem Fluidkanal und dem diesen durchströmenden Fluid bewirkte Temperierwirkung durch diese wenigstens zwei thermoelektrischen Elemente - diese folgen typischerweise dem Wirkprinzip herkömmlicher Peltier-Elemente - einer bestimmten Elementreihe unterstützt werden kann. Erfindungswesentlich ist darüber hinaus ein in wenigstens einem Fluidkanal vorgesehenes Ventilelement, welches zwischen einer geschlossenen Position, in welchem es den Fluidkanal verschließt, und einer geöffneten Position, in welchem es den Fluidkanal zum Durchströmen mit dem Fluid freigibt, verstellbar ist. Dies erlaubt es, auch die mittels des betreffenden Fluidkanals bewirkte Temperierwirkung auf flexible Weise zu variieren. Handelt es sich bei dem durch den Fluidkanal strömenden Fluid etwa um ein Kühlmittel, so kann durch ein Verschließen des Fluidkanals mittels des Ventilelements die vom Fluid erzeugte Kühlwirkung lokal im Bereich dieses Fluidkanals reduziert werden, denn in diesem Fall tragen nur noch die dem verschlossenen Fluidkanal zugeordneten thermoelektrischen Elemente zur Kühlwirkung bei. Demgegenüber wird durch ein Verstellen des Ventilelements in seine geöffnete Position die vom durch den Fluidkanal strömende Kühlmittel bereitgestellte Kühlleistung maximiert.

Ein derartiges "Ein- und Ausschalten" eines Fluidkanals ermöglicht es, auf sogenannte„Hotspots" in den zu kühlenden Batteriezellen zu reagieren. Darunter sind lokale Gehäusezonen der zu temperierenden Batteriezelle mit gegenüber den verbleibenden Gehäuseteilen lokal erhöhter oder reduzierter Temperatur zu verstehen.

Das hier vorgestellte Konzept von Fluidkanälen mit einer über ein Ventilelement einstellbaren Fluid-Durchflussmenge entfaltet seine vorteilhafte Wirkung daher in besonderem Maße dann, wenn nicht nur ein einziger Fluidkanal, sondern wenigstens zwei, vorzugsweise alle vorhandenen Fluidkanäle mit einem solchen verstellbaren Ventilelement ausgestattet werden. Eine erfindungsgemäße Temperiereinrichtung zum Temperieren wenigstens einer, insbesondere elektrochemischen, Energieversorgungseinheit in Form einer Batteriezelle einer Batterie umfasst eine von einem Fluid durchströmbare Temperierstruktur, deren Innenraum von wenigstens einer Leitungswand begrenzt wird. Typischerweise kann eine solche Temperierstruktur rohrartig, etwa in der Art eines Flachrohrs, ausgebildet sein, wobei dessen Rohrwände den Innenraum der Temperierstruktur begrenzen. Ferner umfasst die Temperiereinrichtung wenigstens ein thermoelektrisches Modul, das auf einer vom Innenraum der Temperierstruktur abgewandten Seite an der Leitungswand der Temperierstruktur angeordnet ist. Das thermoelektrische Modul weist eine erste und wenigstens eine zweite Elementreihe mit jeweils wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen auf, wobei sich die wenigstens zwei Elementreihen jeweils entlang einer Erstre- ckungsrichtung. Diese aus thermoelektrischen Elementen gebildeten Elementreihen übernehmen die Funktion konventioneller Peltier-Elemente.

Erfindungsgemäß ist in der Temperierstruktur für jede Elementreihe ein Fluidkanal angeordnet ist, derart, dass jeder Fluidkanal thermisch an eine ihm zugeordnete Elementreihe gekoppelt ist. Im einfachsten Fall eines thermoelektrischen Moduls mit nur zwei Elementreihen sind im Innenraum der Temperierstruktur demnach zwei fluidisch getrennte Fluidkanäle ausgebildet, durch welche jeweils ein Fluid strömen kann. Dabei ist in wenigstens einem Fluidkanal ein Ventilelement vorgesehen, welches zwischen einer geschlossenen Position, in welchem es den Fluidkanal verschließt, und einer geöffneten Position, in welchem es den Fluidkanal zum Durchströmen mit dem Fluid freigibt, verstellbar ist. Bevorzugt ist ein solches Ventilelement in beiden Fluidkanälen vorhanden, besonders bevorzugt - wenn in der Temperierstruktur mehr als zwei Fluidkanäle vorgesehen sind - in allen vorhandenen Fluidkanälen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann in derjenigen Elementreihe, welche dem ein Ventilelement aufweisenden Fluidkanal zugeordnet ist, ein mit dem Ventilelement zusammenwirkendes elektrisches Aktuatorelement vorgesehen sein, welches elektrisch mit den wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen dieser Elementreihe verbunden ist. Das elektrische Aktuatorelement weist dabei zwei Betriebszustände auf und wirkt derart mit dem Ventilelement zusammen, dass es in einem ersten Betriebszustand das Ventilelement in den geöffneten Zustand verstellt und in einem zweiten Betriebszustand in den geschlossenen Zustand verstellt oder umgekehrt. Eine derartige Konfiguration des Ventilelements erlaubt es, die Funktionalität der thermoelektrischen Elemente einer bestimmten Elementreihe mit dem Ventilelement des dieser Elementreihe zugeordneten Fluidka- nals zu koppeln. Somit lässt sich auch die von den thermoelektrischen Elementen erzeugte Heiz- oder Kühlleistung mit der vom durch den Fluidkanal strömenden Fluid erzeugten Heiz- bzw. Kühlleistung koppeln.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das elektrische Aktuatorelement elektrisch in Reihe zu den wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen geschaltet sein. Gemäß dieser Variante umfasst das elektrische Aktuatorelement ein elektrisches Spulenelement, das im ersten Betriebszustand des Aktuatorelements von elektrischem Strom durchflössen wird, nicht jedoch im zweiten Betriebszustand. Im ersten Betriebszustand kann somit von dem durch das elektrische Spulenelement strömenden elektrischen Strom ein magnetisches Feld erzeugt werden, welches - bei geeigneter technischer Realisierung des Ventilelements - durch Wechselwirkung mit dem Ventilelement dessen Verstellung zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position zu bewirken vermag.

Besonders zweckmäßig kann das elektrische Aktuatorelement derart ausgebildet sein, dass es kontaktfrei mit dem Ventilelement zum Verstellen zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position zusammenwirkt. Dies mag etwa über die bereits erwähnte magnetische Kopplung erfolgen, wenn das Ventilelement mit einer magnetischen Komponente, etwa einem magnetisierten Bauteil versehen wird, welches mit dem vom elektrischen Spulenelement erzeugten Magnetfeld wechselwirken kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Ventilelement ein federelastisches Element, insbesondere eine Blattfeder, umfassen, welches gegen die geöffnete oder gegen die geschlossene Position vorgespannt ist. Ein solches federelastisches Element ist konstruktiv einfach aufgebaut und beansprucht nur wenig Bauraum, so dass es platzsparend in der Temperierstruktur verbaut werden kann. Darüber hinaus ist ein solches federelastisches Element auch kostengünstig herzustellen, was insgesamt zu reduzierten Fertigungskosten der gesamten Temperiereinrichtung führt, insbesondere wenn mehrere solche federelastische Elemente verbaut werden sollen. Die hier vorgeschlagene Vorspannung des federelastischen Elements gegen die geöffnete oder geschlossene Position erlaubt es darüber hinaus, ein dem Fachmann als„Fail-Safe-Funktion" geläufiges Wirkprinzip zu realisieren.

Alternativ zur Ausbildung als federelastisches Element ist für das Ventilelement auch eine Realisierung in Form eines sogenannten Mikroventils vorstellbar.

Ein geometrisch besonders kompakter Aufbau der Temperiereinrichtung lässt sich in einer anderen bevorzugten Ausführungsform erzielen, gemäß welcher die thermoelektrischen Elemente einer Elementreihe im Wesentlichen geradlinig entlang einer Längsrichtung angeordnet sind und die wenigstens zwei Elementreihen entlang einer quer zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung benachbart zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus sind die thermoelektrischen Elemente des thermoelektrischen Moduls entlang einer Hochrichtung, die orthogonal zur Längsrichtung und zur Querrichtung verläuft, zwischen einem ersten elektrisch isolierenden Isolationselement und einem zweiten elektrisch isolierenden Isolationselement angeordnet. Das zweite elektrisch isolierende Isolationselement ist dabei in Hochrichtung zwischen den thermoelektrischen Elementen und der Leitungswand der Temperierstruktur angeordnet. Eine derartige Anordnungsgeometrie ermöglicht einen verbesserten thermischen Kontakt des thermoelektrischen Moduls mit der zu temperierenden Batteriezelle, insbesondere wenn diese eine ebene Gehäusewand aufweist. Diese kann dann flächig am thermoelektrischen Modul mechanisch zur Anlage gebracht werden. Im Ergebnis stellt sich ein besonders guter thermischer Kontakt zwischen den Elementreihen sowie den diesen Elementreihen zugeordneten Fluidkanälen mit der zu temperierenden Batteriezelle ein.

Besonders zweckmäßig kann die Temperierstruktur als Flachrohr ausgebildet sein, in welchem die wenigstens zwei Fluidkanäle vorgesehen sind und welches mit einer dem thermoelektrischen Modul zugewandten Seite flächig an diesem anliegt. Dies führt zu einem großflächigen thermischen Kontakt der Fluidkanäle des Flachrohrs mit dem thermoelektrischen Modul bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf. In dieser Variante erstrecken sich die wenigstens zwei Fluidkanäle jeweils entlang der bereits eingeführten Erstreckungsrichtung. Bezüglich der ebenfalls bereits eingeführten Hochrichtung, die orthogonal sowohl zur Erstreckungsrichtung als auch zur Querrichtung verläuft, erstreckt sich jeder Fluidkanal somit im Abstand zu der ihm zugeordneten Elementreihe und im Wesentlichen parallel zu dieser.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, welche eine besonders einfache elektrisch Verdrahtung der thermoelektrischen Elemente der Elementreihen erlaubt, sind die thermoelektrischen Elemente der ersten Elementreihe zur Ausbildung eines ersten elektrischen Leitungszweigs elektrisch zueinander in Reihe geschaltet und die wenigstens zwei thermoelektrischen Elemente der zweiten Ele- mentreihe zur Ausbildung eines zweiten elektrischen Leitungszweigs elektrisch zueinander in Reihe geschaltet. Eine solche elektrische Reihenschaltung mag etwa durch geeignete Leitungsbrücken, beispielsweise in der Art von Kupferbrücken erfolgen, durch welche benachbarte thermoelektrische Elemente einer Elementreihe elektrisch miteinander verbunden werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in wenigstens einer Elementreihe, vorzugsweise in jeder Elementreihe, die einem Fluidkanal mit einem Ventilelement zugeordnet ist, ein elektrisches Schaltelement vorgesehen sein, welches zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand umschaltbar ist. Das elektrische Schaltelement ist elektrisch in Reihe zu dem elektrischen Aktuatorelement und den wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen der zugehörigen Elementreihe geschaltet. Dies hat zur Folge, dass im geschlossenen Zustand des Schaltelements ein von einer externen Energiequelle bereitgestellter elektrischer Strom durch die thermoelektrischen Elemente strömen kann, so dass diese als Peltier-Elemente wirken und zur Temperierung der Batteriezelle beitragen können.

Das elektrische Aktuatorelement und das elektrisch zu diesem in Reihe geschaltete elektrische Schaltelement können derart konfiguriert sein, dass ein Umschalten des elektrischen Schaltelements in den geschlossenen Zustand ein Umschalten des elektrischen Aktuatorelements in den ersten Betriebszustand bewirkt und ein Umschalten des elektrischen Schaltelements in den geöffneten Zustand ein Umschalten des elektrischen Aktuatorelements in den zweiten Betriebszustand bewirkt. Ein Umschalten des Aktuatorelements in den ersten Betriebszustand hat aber, wie bereits erläutert, zur Folge, dass das zugehörige Ventilelement in den geöffneten Zustand verstellt wird, so dass der betreffende Fluidkanal zum Durchströmen mit dem Fluid freigegeben wird. Folglich kann auch das durch den Fluidkanal strömende Fluid zur Temperierung der Batteriezelle beitragen. Umgekehrt bewirkt ein Umschalten des elektrischen Schaltelements in den geöffneten Zustand eine Unterbrechung des elektrischen Stromflusses durch die betreffende Elementreihe, so dass die thermoelektrischen Elemente dann nicht zur Temperierung der Batteriezelle beitragen können. In diesem Fall wird durch das damit einhergehende Umschalten des Aktuatorelements in den zweiten Betriebszustand aber gleichzeitig auch bewirkt, dass der betreffende Fluidkanal verschlossen wird. Somit kann das Fluid nicht mehr durch den betreffenden Fluidkanal strömen und folglich auch nicht mehr zur Temperierung der Batteriezelle beitragen. Die vorangehend vorgestellte Konfiguration erlaubt es also, die von den thermoelektrischen Elemente einer bestimmten Elementreihe erzielte Temperierwirkung mit jener des Fluids, welches durch den der Elementreihe zugeordneten Fluidkanal strömt, zu koppeln.

Besonders zweckmäßig kann das elektrische Schaltelement einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Thyristor, umfassen. Dies ermöglicht die besonders einfache Ansteuerung eines solchen Halbleiterschalters durch eine elektronische Steuerungs-/Regelungseinheit. Die Verwendung eines Thyristors empfiehlt sich, da dieser sich in besonderem Maße zur Steuerung hoher elektrische Ströme eignet, wie sie für den Betrieb thermoelektrischer Elemente erforderlich sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das thermoelektrische Modul wenigstens einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur einer thermisch an das thermoelektrische Modul gekoppelten Batteriezelle umfassen. Darüber hinaus umfasst die Temperiereinrichtung eine mit dem ersten und/oder dem zweiten elektrischen Schaltelement sowie mit dem wenigstens einen Temperatursensor zusammenwirkende Steuerungs-/Regelungseinheit. Die Steuerungs- /Regelungseinheit ist derart eingerichtet, dass sie das erste und/oder das wenigstens eine zweite elektrische Schaltelement in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor gemessenen Temperatur zwischen dem geöffneten und dem geschlos- senen Zustand umschaltet. Der Temperatursensor gestattet somit in Verbindung mit der Steuerungs-/Regelungseinheit eine Regelung der von den in den Leitungszweigen angeordneten thermoelektrischen Elementen bereitgestellten Heizbzw. Kühlleistung in Abhängigkeit von der Temperatur der an diese thermoelektrischen Elemente gekoppelten Batteriezelle. Dies führt zu einer verbesserten und besonders homogenen Temperierung der Batteriezelle. Über die mittels der Aktu- atorelemente realisierte Kopplung mit dem Ventilelement der Fluidkanäle wird zusätzlich auch die von dem durch die Fluidkanäle strömende Fluid erzeugte Temperierwirkung geregelt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann für wenigstens eine Elementreihe, vorzugsweise für alle Elementreihen, ein individueller Temperatursensor zur Messung der Temperatur einer thermisch an die jeweilige Elementreihe des thermoelektrisches Moduls gekoppelten Batteriezelle vorgesehen werden. Vorzugsweise können wenigstens zwei Temperatursensoren, besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Temperatursensoren, in einer Elementreihe vorgesehen werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Temperiereinrichtung darüber hinaus auch derart ausgebildet, dass das einer bestimmten Elementreihe zugeordnete elektrische Schaltelement von der Steuerungs-/Regelungseinheit in Abhängigkeit von der Temperatur, die mit dem/den ihr zugeordneten Temperatursensor(en) bestimmt wird, angesteuert wird. Auf diese Weise kann eine individuelle Regelung der einzelnen Elementreihen realisiert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, lokale Zonen der Batteriezelle individuell zu temperieren. Dadurch lässt sich besonders gut auf die etwaige Ausbildung der bereits erwähnten„Hotspots" reagieren.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Temperatursensor als Infrarotsensor ausgebildet sein, mittels welchem zur Temperaturbestimmung die von der Batteriezelle emittierte Infrarot-Strahlung messbar ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das elektrische Schaltele- ment auf einer der Temperierstruktur zugewandten Seite des thermoelektrischen Moduls vorgesehen sein. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass vom Schaltelement betriebsmäßig erzeugte Abwärme die Temperierung der Batteriezelle stört.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Aktuatorelement elektrisch zwischen zwei thermoelektrischen Elementen angeordnet. Auf diese Weise kann der benötigte Bauraum für die Unterbringung des jeweiligen Aktuato- relements klein gehalten werden.

Besonders zweckmäßig kann das Ventilelement, insbesondere entlang der Er- streckungsrichtung, im Bereich eines Aktuatorelements angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich besonders effektiv die gewünschte die Kopplung zwischen Ventilelement und Aktuatorelement realisieren.

Besonders bevorzugt kann auch das elektrische Schaltelement elektrisch zwischen zwei thermoelektrischen Elementen angeordnet sein. Auf diese Weise kann der elektrische Verdrahtungsaufwand für die thermoelektrischen Elemente gering gehalten werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Batterie-Anordnung mit einer vorangehend vorgestellten thermoelektrischen Vorrichtung. Die Batterie-Anordnung umfasst ferner eine wenigstens eine Batteriezelle aufweisende Batterie. Die wenigstens eine Batteriezelle ist dabei auf einer von der Temperierstruktur abgewandten Seite des thermoelektrischen Moduls an diesem angeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine wirksame thermische Ankopplung der wenigstens eine Batteriezelle sowohl an das thermoelektrische Modul als auch an die Temperierstruktur der Temperiereinrichtung erzielen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann für jede zu temperierende Batteriezelle ein individuelles thermoelektrisches Modul vorgesehen sein. Mittels eines solchen modularen Aufbaus der thermoelektrischen Vorrichtung lässt sich diese auf flexible Weise zur Temperierung einer prinzipiell beliebigen Anzahl von Batteriezellen heranziehen. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Batterie- Anordnung daher ein erstes und wenigstens ein zweites thermoelektrisches Modul. Entsprechend umfasst die zu temperierende Batterie eine erste und wenigstens eine zweite Batteriezelle. Zur thermischen Ankopplung an das jeweilige thermoelektrische Modul kann eine Gehäusewand des Gehäuses einer jeweiligen Batteriezelle mechanisch und somit auch thermisch an das jeweilige thermoelektrische Modul und über dieses an die Temperierstruktur gekoppelt werden.

Wie bereits erwähnt, erlaubt das vorangehend vorgestellte modulare Konzept die Temperierung einer Batterie mit einer prinzipiell beliebigen Anzahl an Batteriezellen. In einer bevorzugten Ausführungsform der hier vorgestellten Batterie- Anordnung umfasst besagte Batterie daher eine Mehrzahl von Batteriezellen, wobei für jede Batteriezelle jeweils genau ein thermoelektrisches Modul vorgesehen ist, welches mechanisch und somit auch thermisch mit dieser Batteriezelle verbunden ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Batterie-Anordnung kann für jedes Paar aus einer Batteriezelle und thermoelektrischen Modul jeweils wenigstens ein individueller Temperatursensor vorgesehen werden. Dies ermöglicht unter Verwendung der oben vorgestellten gemeinsamen Steuerungs-/Regelungseinheit eine individuelle Temperierung der einzelnen Batteriezellen durch das ihnen zugeordnete thermoelektrische Modul. In einer vorteilhaften Weiterbildung empfiehlt sich die Ausbildung der Steuerungs- /Regelungseinheit derart, dass diese die elektrischen Schaltelemente eines jeweiligen thermoelektrischen Moduls in Abhängigkeit von der Temperatur, die von dem diesem Modul zugeordneten wenigstens einen Temperatursensor bestimmbar ist, zwischen ihrem geschlossenen und geöffneten Zustand umschaltet. Dies erlaubt ein individuelles Ein- und Ausschalten der entsprechenden Elementreihen und Fluidkanäle in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der wenigstens einen Batteriezelle und dem thermoelektrischen Modul eine elektrisch isolierende Adapterschicht aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere aus einem Klebstoff, vorgesehen sein, an welcher sowohl die wenigstens eine Batteriezelle zur Wärmeübertragung als auch das thermoelektrische Modul zur thermischen Kopplung der wenigstens einen Batteriezelle an das thermoelektrische Modul anliegt. Auf diese Weise können unerwünschte Zwischenräume zwischen dem Gehäuse der zu temperierenden Batteriezelle und dem thermoelektrischen Modul, die typischerweise mit einer verminderten thermischen Kopplung einhergehen, vermieden werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung zum

Temperieren in einem Längsschnitt

Fig. 2 die Temperiereinrichtung der Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II der Figur 1 ,

Fig.3 die Temperiereinrichtung der Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III der Figur 2,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Batterie-Anordnung mit zwölf zu temperierenden 4 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie IV-IV der Figur 5,

Fig. 5 die Batterie-Anordnung 24 der Figur 4 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V der Figur 4,

Fig. 6 eine Detaildarstellung der Figur 4 im Bereich dreier benachbarter

Batteriezellen bzw. dreier benachbarter thermoelektrischer Module.

Figur 1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung 1 zum Temperieren in einem Längsschnitt. Die Temperiereinrichtung 1 dient zum Temperieren wenigstens einer elektrochemischen Energieversorgungseinheit in Form einer Batterie 23 mit wenigstens einer Batteriezelle 2. Die Temperiereinrichtung 1 umfasst eine von einem Fluid durchströmbare Temperierstruktur 3, deren Innenraum 4 von einer ersten und zweiten Leitungswand 5a, 5b begrenzt wird. Im Beispiel der Figur 1 liegen die Leitungswände 5a, 5b einander gegenüber. Die Temperiereinrichtung 1 umfasst ferner ein thermoelektrisches Modul 6, welches auf einer vom Innenraum 4 der Temperierstruktur 3 abgewandten Seite 7 an der ersten Leitungswand 5a der Temperierstruktur 3 angeordnet ist. Das thermoelekt- rische Modul 6 kann mittels einer Kontaktschicht 28 aus einem thermisch leitfähigen Klebstoff an der Temperierstruktur 3 befestigt sein.

Die Figur 2 zeigt die Temperiereinrichtung 1 der Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II der Figur 1 . Man erkennt, dass das thermoelektrische Modul 6 im Beispiel fünf Elementreihen 8a-8e mit jeweils mehreren thermoelektnschen Elementen 9a-9e aufweist. Der Aufbau der thermoelektrischen Elemente 9a-9e, die ein thermoelektrisch aktives Material umfassen, ist dem einschlägigen Fachmann bekannt, so dass die thermoelektrischen Elemente 9a-9e in den Figuren 1 und 2 nur grobschematisch skizziert sind.

Die einzelnen Elementreihen 8a-8e erstrecken sich jeweils entlang einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung E. Die thermoelektrischen Elemente 9a-9e einer jeden Elementreihe 8a-8e sind zur Ausbildung eines jeweiligen elektrischen Leitungszweigs 10a-10e elektrisch zueinander in Reihe geschaltet. Mit anderen Worten, die thermoelektrischen Elemente 9a der ersten Elementreihe 8a bilden einen ersten elektrischen Leitungszweig 10a, die thermoelektrischen Elemente 9b der zweiten Elementreihe 8b bilden einen zweiten elektrischen Leitungszweig 10b usw. Die einzelnen Elementreihen 8a-8e bzw. Leitungszweige 10a-10e können wie in Figur 1 gezeigt mittels elektrischer Anschlusselemente 33a, 33b elektrisch parallel zueinander geschaltet werden. Über die elektrischen Anschlusselemente 33a, 33b können die Elementreihen 8a-8e elektrisch mit einer externen elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt) verbunden werden. Der Figur 2 entnimmt man, dass die thermoelektrischen Elemente 9a-9e einer jeden Elementreihe 8a-8e im Wesentlichen geradlinig entlang einer Längsrichtung L und bezüglich einer orthogonal zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung Q benachbart zueinander angeordnet sind. Im Beispiel der Figuren ist die Erstreckungsrichtung E identisch zur Längsrichtung L. Bei nicht geradliniger Ausbildung einer Elementreihe 8a-8e kann die Erstreckungsrichtung E entlang der Elementreihe 8a-8e aber auch variieren.

Entsprechend der Figur 1 ist im Innenraum 4 der Temperierstruktur 3 für jede Elementreihe 8a-8e ein individueller Fluidkanal 16a-16e vorgesehen. In der Schnittdarstellung der Figur 1 ist nur der Fluidkanal 16a und die diesem Kanal 16a zugeordnete Elementreihe 8a gezeigt. Die Figur 3 zeigt hingegen die Temperiereinrichtung 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III der Figur 2. In dieser Ansicht sind die fünf Elementreihen 8a-8e sowie fünf zugeordnete Fluidka- näle 16a-16e erkennbar. Die Anordnung der Fluidkanäle 16a-16e in der Temperierstruktur 3 relativ zu der Elementreihe 8a-8e erfolgt entsprechend der Figur 3 derart, dass jeder Fluidkanal 16a-16e thermisch an eine ihm zugeordnete Elementreihe 8a-8e gekoppelt ist.

Betrachtet man nun wieder die Figur 1 , so erkennt man, dass in der in Figur 1 gezeigten ersten Elementreihe 10a ein erstes elektrisches Schaltelement 1 1 a vorgesehen ist, welches zu den thermoelektrischen Elementen 9a elektrisch in Reihe geschaltet ist. Solche elektrischen Schaltelemente 1 1 b bis 1 1 e können auch - wie in Figur 2 dargestellt - in den anderen Elementreihen 8b-8e vorgesehen sein. In vereinfachten Varianten des Beispiels werden nur einzelne Elementreihen 8a-8e mit einem elektrischen Schaltelement 1 1 a-1 1 e ausgestattet.

Die elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e sind jeweils zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand umschaltbar, d.h. die elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e folgen dem Wirkprinzip eines elektrischen Schalters. Im geschlossenen Zustand können die thermoelektrischen Elemente 9a-9e der zugehörigen Elementreihe 8a-8e von einem elektrischen Strom aus einer externen Energiequelle (nicht gezeigt) durchströmt werden, im geöffneten Zustand ist dies nicht möglich.

Die Figur 1 zeigt, dass die thermoelektrischen Elemente 9a-9e einer jeden Elementreihe 8a-8e entlang einer Hochrichtung H, die orthogonal zur Längsrichtung L und zur Querrichtung Q verläuft, sandwichartig zwischen einem ersten elektrisch isolierenden Isolationselement 12a und einem zweiten elektrisch isolierenden Isolationselement 12b angeordnet sind. Dabei ist das zweite Isolationselement 12b in Hochrichtung H zwischen den thermoelektrischen Elementen 9a- 9e und der ersten Leitungswand 5a der Temperierstruktur 3 angeordnet.

Bei den beiden elektrisch isolierenden Isolationselementen 12a, 12b kann es sich um herkömmliche Platinen handeln, in welchen, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Ätzprozesses, Leiterbahnen in Form von Kupferbrücken 13a, 13b ausgebildet sind. Diese sind derart auf den den thermoelektrischen Elementen 9a-9e zugewandten Seiten der Isolationselemente 12a, 12b positioniert, dass sie entlang der Erstreckungsrichtung E benachbarte thermoelektrische Elemente 9a- 9e desselben Leitungszweigs 10a-10e bzw. derselben Elementreihe 8a-8e elektrisch miteinander verbinden (vgl. Fig. 1 ). Solche Platinen können eine oder mehrere, glasfaserverstärkte Kunststoffschicht(en) umfassen. Die einzelnen Kunststoffschichten der Platine können jeweils Schichtdicken zwischen 50μηη und 300μηη aufweisen, so dass eine gute Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolationselemente 12a, 12b sichergestellt ist, ohne dass die gegenüber der Batteriezelle 2 erforderliche elektrische Isolierung gefährdet wäre.

Um eine gute Wärmeankopplung der Batteriezelle 2 an das thermoelektrische Modul 6 zu erzielen, kann zwischen dem ersten Isolationselement 12a und der zu temperierenden Batteriezelle 2 eine Adapterschicht 29 vorgesehen werden, die ein wärmeleitendes und/oder elektrisch isolierendes Material umfasst. Denkbar ist beispielsweise die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs oder einer Folie aus einem Kunststoff. Bei geeigneter Dimensionierung der Adapterschicht 29 kann verhindert werden, dass sich zwischen dem ersten Isolationselement 12a und der zu temperierenden Batteriezelle 2 unerwünschte Zwischenräume ausbilden können, die die thermische Ankopplung der Batteriezelle 2 an das thermoelektrische Modul 6 mindern würde.

Gemäß Figur 1 können die elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e auf einer der Temperierstruktur 3 zugewandten Seite des thermoelektrischen Moduls 6 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann weitgehend oder sogar vollständig verhindert werden, dass von den elektrischen Schaltelementen 1 1 a-1 1 e betriebsmäßig erzeugte Abwärme die Temperierung der Batteriezelle 2 merklich zu stören vermag.

Das thermoelektrische Modul 1 umfasst auch Temperatursensoren 14a-14e zur Messung der Temperatur der thermisch an das thermoelektrische Modul 6 gekoppelten Batteriezelle 2. Im Beispielszenario der Figur 2 ist in jeder Elementreihe 8a-8e ein solcher Temperatursensor 14a-14e vorgesehen. In vereinfachten Varianten kann aber auch in einer oder mehreren Elementreihen 8a-8e auf solche Temperatursensoren 14a-14e verzichtet sein. Umgekehrt ist es hingegen auch denkbar, in den einzelnen Elementreihen 8a-8e mehr als nur einen Temperatursensor 14a-14e anzuordnen. In diesem Fall kann sich eine matrixartige Anord- nung der Temperatursensoren 14a-14e sinnvoll sein, um die Temperatur ortsaufgelöst bestimmen zu können. Grundsätzlich gilt dabei, dass mit zunehmender Anzahl an Temperatursensoren 14a-14e die Ortsauflösung der mittels der Temperatursensoren 14a-14e ermöglichten Temperaturmessung erhöht werden kann.

Die Temperatursensoren 14a-14e können als herkömmliche Temperatursensoren wie beispielsweise PTC-Sensoren, die auf einer elektrischen Widerstandsmessung basieren, ausgebildet sein. Alternativ dazu können sie aber auch als Infrarotsensoren ausgebildet sein, mittels welchen zur Temperaturbestimmung die von der Batteriezelle 2 emittierte Infrarot-Strahlung gemessen werden kann.

Weiterhin umfasst die Temperiereinrichtung 1 eine sowohl mit den Temperatursensoren 14a-14e als auch mit den Schaltelementen 1 1 a-1 1 e zusammenwirkende Steuerungs-/Regelungseinheit 15, die in Figur 1 grobschematisch dargestellt ist, auf deren Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 2 jedoch verzichtet wurde. Die Steuerungs-/Regelungseinheit 15 ist derart eingerichtet/programmiert, dass sie sie die elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e jeweils in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor 14a-14e derselben Elementreihe 8a-8e gemessenen Temperatur zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand umschaltet. Hierzu sind die Temperatursensoren 14a-14e über geeignete Signalleitungen - in Figur 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die dem Temperatursensor 14a zugeordnete Signalleitung 30a gezeigt - mit der Steuerungs-/Regelungseinheit 15 verbunden, so dass der vom Temperatursensor 14a gemessene, aktuelle Temperaturwert an die Steuerungs-/Regelungseinheit 15 übermittelt werden kann.

Zur Ansteuerung der elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e führen geeignete elektrische Steuerleitungen - erneut zeigt Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nur eine solche Steuerleitung 31 a - von der Steuerungs-/Regelungseinheit 15 zum elektrischen Schaltelement 1 1 a-1 1 e. Die Regelung der von der Temperiereinrich- tung 1 bewirkten Temperierung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Steuerungs-/Regelungseinheit 15 ein oder mehrere Schaltelemente 1 1 a-1 1 e in den geschlossenen Zustand umschaltet, in welchem die thermoelektrischen Elemente zur Temperierung der Batteriezelle 2 beitragen, sobald die vom Temperatursensor 14a-14e gemessene Temperatur einen vorbestimmten ersten Schwellwert überschreitet und wieder in den geöffneten Zustand umgeschaltet wird, indem die thermoelektrischen Elemente 9a-9e abgeschaltet sind und nicht zur Kühlung der Batteriezelle 2 beitragen, sobald die vom Temperatursensor 14a-14e gemessene Temperatur einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Der zweite Schwellwert kann dabei gleich dem ersten Schwellwert sein oder zur Realisierung einer Hysterese-Kurve kleiner als der erste Schwellwert sein. Die Steuerungs- /Regelungs-einheit 15 kann derart eingerichtet/programmiert sein, dass für die Temperatursensoren 14a-14e einer bestimmten Elementreihe 8a-8e - im einfachsten Fall einem einzigen Temperatursensor 14a-14e pro Elementreihe 8a-8e - und dem diesen Temperatursensoren 14a-14e zugeordneten elektrischen Schaltelement 1 1 a-1 1 e eine individuelle Temperaturregelung durchgeführt wird. Die Temperatursensoren 14a-14e gestatten in Verbindung mit der gemeinsamen Steuerungs-/Regelungseinheit 15 und den elektrischen Schaltelementen 1 1 a-1 1 e eine Regelung der von den in den Elementreihen 8a-8e bzw. in den Leitungszweigen 10a-10e angeordneten thermoelektrischen Elementen 9a-9e bereitgestellten Heiz- bzw. Kühlleistung in Abhängigkeit von der Temperatur der an diese thermoelektrischen Elemente 9a-9e gekoppelten Batteriezelle 2. Dies führt zu einer verbesserten, homogenisierten Temperierung der Batteriezellen 2 der Batterie 23 durch die thermoelektrischen Elemente 9a-9e.

Die elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e können einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Thyristor, umfassen. Mittels eines solchen Halbleiterschalters lässt sich auf einfache Weise die zur Realisierung der vorangehend erläuterten Tem- peraturregelung erforderliche Steuerbarkeit des elektrischen Schaltelements durch die Steuerungs-/Regelungseinheit 15 sicherstellen. Die Verwendung eines Thyristors empfiehlt sich, da dieser sich in besonderem Maße zur Steuerung hoher elektrische Ströme eignet, die zum Betrieb thermoelektrischer Elemente 9a-9e erforderlich sind.

Die Figur 3 zeigt die Temperiereinrichtung 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III der Figur 2. Wie bereits erläutert ist im Innenraum 4 der Temperierstruktur 3 nicht nur ein einziger Fluidkanal 16a ausgebildet, sondern für jede Elementreihe 8a-8e ein individueller Fluidkanal 16a-16e vorgesehen. Die Anordnung der Fluidkanäle 16a-16e in der Temperierstruktur 3 erfolgt derart, dass jeder Fluidkanal 16a-16e thermisch an eine ihm zugeordnete Elementreihe 8a-8e gekoppelt ist.

Besonders zweckmäßig kann die Temperierstruktur 3 wie in Figur 3 gezeigt als Flachrohr 21 ausgebildet sein, in welchem die Fluidkanäle 16a-16e mittels geeigneter Trennwände 22 ausgebildet und fluidisch voneinander getrennt sind. Die erste Leitungswand 5a liegt dabei mit ihrer dem thermoelektrischen Modul 6 zugewandten Seite 7 flächig am zweiten Isolationselement 12b an. Zwischen dem als Platine realisierten zweiten elektrischen Isolationselement 12b und der ersten Leitungswand 5a kann eine Kontaktschicht 28 aus einem wärmeleitenden Klebstoff vorgesehen sein. Dies führt zu einem vorteilhaften großflächigen thermischen Kontakt der Fluidkanäle 16a-16e des Flachrohrs 21 mit dem thermoelektrischen Modul 6.

Wie Figur 3 weiter erkennen lässt, erstrecken sich die Fluidkanäle 16a-16e und die thermoelektrischen Elemente 9a-9e der Elementreihen 8a-8e jeweils entlang der bereits eingeführten Erstreckungsrichtung E, die im Beispielszenario identisch zur Längsrichtung L ist. Bezüglich der ebenfalls bereits definierten Hochrichtung H, die orthogonal sowohl zur Erstreckungsrichtung E bzw. Längsrichtung L als auch zur Querrichtung Q verläuft, verläuft jeder Fluidkanal 16a-16e somit im Abstand zur ihm zugeordneten Elementreihe 8a-8e und parallel zu dieser.

Betrachtet man nun wieder Figur 1 , in welcher lediglich der der ersten Elementreihe 8a zugeordnete Fluidkanal 16a gezeigt ist, so erkennt man, dass im Fluidkanal 8a ein erfindungswesentliches Ventilelement 17a vorgesehen ist. Dieses ist zwischen einer in Figur 1 gezeigten geschlossenen Position, in welcher es den Fluidkanal 17a verschließt, und einer geöffneten Position (nicht gezeigt), in welcher es den Fluidkanal 16a zum Durchströmen mit dem Fluid freigibt, umschaltbar.

Vorzugsweise ist das Ventilelement 17a-17e, insbesondere entlang der Erstreckungsrichtung E, im Bereich eines jeweiligen Aktuatorelements 18a-18e angeordnet. Auf diese Weise lässt sich besonders effektiv die gewünschte die Kopplung zwischen Ventilelement und Aktuatorelement realisieren.

Entsprechend Figur 1 ist in derjenigen Elementreihe 8a, welche dem das Ventilelement 17a aufweisenden Fluidkanal 16a zugeordnet ist, auch ein mit diesem Ventilelement 17a zusammenwirkendes elektrisches Aktuatorelement 18a vorgesehen. Dieses ist wiederum elektrisch mit den thermoelektrischen Elementen 9a der Elementreihe 8a verbunden und elektrisch in Reihe zu dieser geschaltet. Besonders bevorzugt ist das Aktuatorelement 18a-18e elektrisch zwischen zwei thermoelektrischen Elementen 9a-9e angeordnet, also elektrisch zwischen zwei thermoelektrischen Elementen 9a-9e in Reihe geschaltet. Auf diese Weise kann der benötigte Bauraum für die Unterbringung des jeweiligen Aktuatorelements 18a-18e klein gehalten werden. Das elektrische Aktuatorelement 18a weist zwei Betriebszustände auf und wirkt derart mit dem Ventilelement 17a zusammen, dass es in einem ersten Betriebszustand das Ventilelement 17a in die geöffnete Position verstellt. Entsprechend verstellt das Aktuatorelement 18a das Ventilelement 17a in einem zweiten Betriebszustand in die geschlossenen Position. Hierzu kann das Aktuatorelement 18a beispielsweise ein in Figur 1 nur grobschematisch skizziertes elektrisches Spulenelement 19a umfassen, das elektrisch in Reihe zu den thermoelektrischen Elementen 9a der Elementreihe 8a geschaltet und in seinem ersten Betriebszustand von elektrischem Strom, durchströmt wird, nicht jedoch in seinem zweiten Betriebszustand. In einer Variante kann auch ein umgekehrter Zusammenhang zwischen den beiden Betriebszuständen des Aktuatorelements 18a und den beiden Positionen des dem Aktuatorelement 18a zugeordneten Ventilelements 17a realisiert sein.

Ein solches Zusammenwirken von Aktuatorelement 18a und Ventilelement 17a ermöglicht es, die thermoelektrischen Elemente 9a der Elementreihe 8a mit dem Ventilelement 17a des dieser Elementreihe 8a zugeordneten Fluidkanals 16a zu koppeln. Somit lässt sich auch die von den thermoelektrischen Elementen 9a erzeugte Heiz- oder Kühlleistung mit der vom durch den Fluidkanal 16a strömenden Fluid erzeugten Heiz- bzw. Kühlleistung koppeln.

Das Umschalten des Aktuatorelements 18a zwischen seinen beiden Betriebszuständen erfolgt im Beispielsszenario der Figuren indirekt durch Umschalten des elektrischen Schaltelements 1 1 a zwischen dem geöffneten und dem geschlossenem Zustand. Somit kann der mittels des Ventilelements 17a "zuschaltbare" Fluidkanal 16a in die oben erläuterte Temperaturregelung miteinbezogen werden. Im geschlossenen Zustand des elektrischen Schaltelements 1 1 a ist ein elektrischer Stromfluss durch die thermoelektrischen Elemente 9a und somit auch durch das elektrische Aktuatorelement 18a möglich. Das elektrische Aktuatorelement 18a befindet sich dann in seinem ersten Betriebszustand, in welchem es ein Verstellen des Ventilelements 17a in die geöffnete Position bewirkt.

Wird das elektrische Schaltelement 1 1 a in den geöffneten Zustand umgeschaltet, so führt dies zu einer Unterbrechung des elektrischen Stromflusses durch die thermoelektrischen Elemente 9a der Elementreihe 8a und auch durch das elektrische Aktuatorelement 18a, so dass dieses in seinen ersten Betriebszustand geschaltet wird. In der Folge wird auch das Ventilelement 17a in den geschlossenen Zustand umgeschaltet, in welchem ein Durchströmen des Fluidkanals 16a mit einem Fluid verhindert wird.

Die mit dem ersten Betriebszustand des Aktuatorelements 18a einhergehende Öffnung des Fluidkanals 16a durch das Ventilelement 17a kann im Falle der im Beispiel gezeigten Ausbildung des Aktuatorelements 18a als elektrisches Spulenelement 19a wie folgt erfolgen: Durch den elektrischen Stromfluss durch das Spulenelement 19a wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches wiederum ein Verstellen des Ventilelements 17a in die geöffnete Position bewirkt. Hierzu kann das Ventilelement 17a ein federelastisches Element 20a in Form einer Blattfeder umfassen, welches gegen die geschlossene Position vorgespannt ist. Besitzt das federelastische Element 20a magnetische Eigenschaften, so wird das federelastische Element 20a mit Hilfe des vom Aktuatorelement 18a erzeugten Magnetfelds in die geöffnete Position bewegt.

Ein Abschalten des elektrischen Stroms mittels des Aktuatorelements 18a durch Öffnen des elektrischen Schaltelements 1 1 a hat auch ein Abschalten des vom Spulenelement 19a erzeugten Magnetfelds zur Folge. Das vorgespannte federelastische Element bewegt sich dann wieder in die geschlossene Position zurück, in welcher es den Fluidkanal 16a verschließt. Selbstverständlich ist in einer Variante des Beispiels auch eine Vorspannung des federelastischen Elements 20a in die geöffnete Position denkbar.

Im vorangehend vorgestellten Szenario ist das elektrische Aktuatorelement 18a derart ausgebildet, dass es mittels magnetischer Kopplung kontaktfrei mit dem Ventilelement 17a zum Verstellen zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position zusammenwirkt.

Alternativ zur Ausbildung als federelastisches Element 20a ist es auch vorstellbar, das Ventilelement 17a in Form eines Mikroventils zu realisieren, welches dann elektrisch mit dem Aktuatorelement 18a zu koppeln ist.

Das vorangehend erläuterte Zusammenwirken von elektrischem Schaltelement 1 1 a, elektrischem Aktuatorelement 18a und Ventilelement 17a ist im Rahmen der hier vorgestellten Erfindung nicht nur auf die erste Elementreihe 8a und auf den dieser Elementreihe 8a zugeordneten Fluidkanal 16a beschränkt; vielmehr erweist es sich als vorteilhaft, wenigstens zwei - besonders bevorzugt alle - Elementreihen 8a-8e mit entsprechenden Aktuatorelementen 18a-18e, beispielsweise in Form elektrischer Spulenelemente 19a-e, versehen werden und in den entsprechenden Fluidkanälen 16a-16e auch jeweilige Ventilelemente 17a-17e, beispielsweise in Form federelastischer Bauelemente 20a-20e, vorgesehen werden. Mit anderen Worten: Obige Erläuterungen zur ersten Elementreihe 18a und dem zugeordneten Fluidkanal 16a geltend mutatis mutandis auch für die verbleibenden Elementreihen 8b-8e sowie die entsprechenden Fluidkanäle 16b-16e.

Besonders bevorzugt ist das jeweilige elektrische Schaltelement 1 1 a-1 1 e elektrisch zwischen zwei thermoelektrischen Elementen 9a-9e angeordnet. Auf diese Weise kann der erforderliche elektrische Verdrahtungsaufwand für die thermoelektrischen Elemente 9a-9e gering gehalten werden. Die vorangehend vorgestellte Temperiereinrichtung 1 eignet sich auch zur Temperierung einer Batterie 23 mit mehr als einer einzigen Batteriezelle 2. Die Temperiereinrichtung 1 und wenigstens zwei Batteriezellen 2 als Teil einer Batterie 23 mit bilden vorliegend eine Batterie-Anordnung 24.

Die Figur 4 zeigt eine solche Batterie-Anordnung 24 mit exemplarisch zwölf zu temperierenden Batteriezellen 2, die zusammen eine Batterie 23 bilden, entlang einer Schnittlinie IV-IV der Figur 5. Die Figur 5 zeigt die Batterie-Anordnung 24 der Figur 4 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V der Figur 4, die Figur 6 eine Detaildarstellung der Figur 4.

Man erkennt, dass die Temperiereinrichtung 1 für jede Batteriezelle 2 ein eigenes thermoelektrisches Modul 6 umfasst. Die thermoelektrischen Module 6 sind ebenso wie die Batteriezellen 2 entlang der Querrichtung Q nebeneinander angeordnet. Jede Batteriezelle 2 umfasst ein Gehäuse 26 mit einer Gehäusewand 27, mittels welcher die Batteriezelle 2 mechanisch und thermisch mit dem ihr zugeordneten thermoelektrischen Modul 6 verbunden ist.

Den Figuren 4 und 5 entnimmt man, dass das Flachrohr 21 für jedes thermoelekt- rische Modul 6 eine eigene Temperierstruktur 3 mit einem Innenraum 4 aufweist. Die Innenräume 4 können über geeignete Fluidleitungsstrukturen, beispielsweise über einen in Figur 5 gezeigten Sammler 32, derart miteinander verbunden sein, dass das Fluid über einen am Sammler 32 vorgesehenen gemeinsamen Einlass 25a auf die Innenräume 4 der Temperierstrukturen 3 verteilt wird und diese über einen gemeinsamen, ebenfalls am Sammler 32 vorgesehenen Auslass 25b wieder verlässt. Mögliche technische Realisierungen der Strömungsführung durch den Sammler 32, die Flachrohre 21 , die darin ausgebildeten Innenräume 4 und die wiederum in einem Innenraum 4 ausgebildeten Fluidkanäle 16a-16e sind dem Fachmann geläufig und sollen daher vorliegend nicht näher erläutert werden.

Der Detaildarstellung der Figur 6 entnimmt man, dass die drei in dieser Figur exemplarisch gezeigten und als Flachrohre 21 ausgebildeten Temperierstrukturen 3 mit ihren Innenräumen 4 jeweils analog zur Temperiereinrichtung 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 ausgebildet sein können. So zeigt die Figur 6, dass im jeweiligen Innenraum 4 eines jeden der drei Flachrohre 21 fünf Fluidkanäle 16a-16e ausgebildet sind, welche von einem jeweiligen Ventilelement 17a-17e verschlossen werden können. In Figur 6 sind einige Ventilelemente 17a-e exemplarisch in der geschlossenen Position und einige in der geöffneten Position dargestellt.

Wie bereits erwähnt, erlaubt das vorangehend vorgestellte modulare Konzept die Temperierung einer Batterie 23 mit einer beliebigen Anzahl an Batteriezellen 2. In einer bevorzugten Variante der hier vorgestellten Batterie-Anordnung 24 umfasst die Batterie 23 also eine Mehrzahl von Batteriezellen 2.

In einer besonders bevorzugten Variante der Batterie-Anordnung 24 kann für jedes Paar aus einer Batteriezelle 2 und thermoelektrischen Modul 6 jeweils wenigstens ein Temperatursensor 14a-14e vorgesehen werden. Dies erlaubt eine besonders genaue Temperaturmessung der Temperatur der einzelnen Batteriezellen 2 und somit auch eine individuelle Temperierung der Batteriezellen 2. Hierzu kann die von der Steuerungs-/Regelungseinheit 15 durchgeführte Temperaturregelung die Schaltelemente 1 1 a-1 1 e eines jeweiligen thermoelektrischen Moduls 6 in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen ihrem geschlossenen und geöffneten Zustand umschalten, die von dem diesem thermoelektrischen Modul 6 zugeordneten wenigstens einen Temperatursensor 14a-14e bestimmbar ist. Mit dem Umschalten der elektrischen Schaltelemente 1 1 a-1 1 e geht dann ein Ein- und Ausschalten der das jeweilige Schaltelement 1 1 a-1 1 e aufweisenden Elementreihe 8a-8e sowie der den Elementreihen 8a-8e über jeweilige Aktuatorelemente 18a- 18e zugeordnete Ventilelemente 17a-17e einher.

Claims

Ansprüche

1 . Temperiereinrichtung (1 ) zum Temperieren wenigstens einer, insbesondere elektrochemischen, Energieversorgungseinheit,

- mit einer von einem Fluid durchströmbaren Temperierstruktur (3), deren Innenraum (4) von wenigstens einer ersten Leitungswand (5a) begrenzt ist,

- mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul (6), welches auf einer vom Innenraum (4) der Temperierstruktur (3) abgewandten Seite an der ersten Leitungswand (5a) der Temperierstruktur (3) angeordnet ist,

- wobei das thermoelektrische Modul (6) eine erste und wenigstens eine zweite Elementreihe (8a-8e) mit jeweils wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen (9a-9e) aufweist,

- wobei sich die wenigstens zwei Elementreihen (8a-8e) jeweils entlang einer Er- streckungsrichtung (E) erstrecken,

- wobei in der Temperierstruktur (3) für jede Elementreihe (8a-8e) ein Fluidkanal (16a-16e) vorgesehen ist, derart, dass jeder Fluidkanal (16a-16e) thermisch an eine ihm zugeordnete Elementreihe (8a-8e) gekoppelt ist,

- wobei in wenigstens einem Fluidkanal (16a-16e) ein Ventilelement (17a-17e) vorgesehen ist, welches zwischen einer geschlossenen Position, in welcher es den Fluidkanal (16a-16e) verschließt, und einer geöffneten Position, in welcher es den Fluidkanal (16a-16e) zum Durchströmen mit dem Fluid freigibt, verstellbar ist.

2. Temperiereinrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

- in der dem wenigstens einen Fluidkanal (16a) mit einem Ventilelement (17a- 17e) zugeordneten Elementreihe (8a-8e) ein elektrisches Aktuatorelement (18a-18e) vorgesehen ist, welches elektrisch mit den wenigstens zwei thermo- elektrischen Elementen (9a-9e) dieser Elementreihe (8a-8e) verbunden ist,

- das Aktuatorelement (18a-18e) mit dem Ventilelement (17a-17e) derart zusammenwirkt, dass es das Ventilelement (17a-17e) in einem ersten Betriebszustand in die geöffnete Position verstellt und in einem zweiten Betriebszustand in die geschlossene Position verstellt oder umgekehrt.

3. Temperiereinrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

- das elektrische Aktuatorelement (18a-18e) elektrisch in Reihe zu den wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen (9a-9e) geschaltet ist,

- das elektrische Aktuatorelement (18a-18e) ein elektrisches Spulenelement (19a-19e) umfasst, das im ersten Betriebszustand von elektrischem Strom durchflössen wird, nicht jedoch im zweiten Betriebszustand.

4. Temperiereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das elektrische Aktuatorelement (18a-18e) derart ausgebildet ist, dass es mit dem Ventilelement (17a-17e) kontaktfrei zum Verstellen zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position zusammenwirkt.

5. Temperiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

das Ventilelement (17a-17e) ein federelastisches Element (20a-20e), insbesondere eine Blattfeder, umfasst, welches gegen die geöffnete oder gegen die geschlossene Position vorgespannt ist.

6. Temperiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Ventilelement (17a-17e) als Mikroventil ausgebildet ist.

7. Temperiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die thermoelektrischen Elemente (9a-9e) einer Elementreihe (8a-8e) im Wesentlichen geradlinig entlang einer Längsrichtung (L) angeordnet sind,

- die wenigstens zwei Elementreihen (8a-8e) entlang einer quer zur Längsrichtung (L) verlaufenden Querrichtung (Q) benachbart zueinander angeordnet sind,

- die thermoelektrischen Elemente (9a-9e) einer Elementreihe (8a-8e) entlang einer Hochrichtung (H), die orthogonal zur Längsrichtung (L) und zur Querrichtung (Q) verläuft, zwischen einem ersten elektrisch isolierenden Isolationselement (12a) und einem zweiten elektrisch isolierenden Isolationselement angeordnet (12b) sind,

- das zweite elektrisch isolierende Isolationselement (12b) in Hochrichtung (H) zwischen den thermoelektrischen Elementen (9a-9e) und der ersten Leitungswand (5a) der Temperierstruktur angeordnet ist.

8. Temperiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Temperierstruktur (3) als Flachrohr (21 ) ausgebildet ist, in welchem die wenigstens zwei Fluidkanäle (16a-16e) vorgesehen sind und welches mit einer dem thermoelektrischen Modul (6) zugewandten Seite flächig an diesem anliegt,

- die wenigstens zwei Fluidkanäle (16a-16e) sich jeweils entlang der Erstre- ckungsrichtung (E) erstrecken und jeder Fluidkanal (16a-16e) entlang der Hochrichtung (H) im Abstand zur ihm zugeordneten Elementreihe (8a-8e) und im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft.

9. Temperiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- in jeder Elementreihe (8a-8e), die einem einen Fluidkanal (16a-16e) mit einem Ventilelement (17a-17e) zugeordnet ist, ein elektrisches Schaltelement (1 l al l e) vorgesehen ist, welches zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand umschaltbar ist.

- das elektrische Schaltelement (1 1 a-1 1 e) elektrisch in Reihe zu dem elektrischen Aktuatorelement (18a-18e) und den wenigstens zwei thermoelektrischen Elementen (9a-9e) geschaltet ist,

- das elektrische Schaltelement (1 1 a-1 1 e) und das elektrische Aktuatorelement (18a-18e) derart zusammenwirken, dass ein Umschalten des elektrischen Schaltelements (1 1 a-1 1 e) in den geschlossenen Zustand ein Umschalten des elektrischen Aktuatorelements (18a-18e) in den ersten Betriebszustand bewirkt und ein Umschalten des elektrischen Schaltelements (1 1 a-1 1 e) in den geöffneten Zustand ein Umschalten des elektrischen Aktuatorelements (18a-18e) in den zweiten Betriebszustand bewirkt. l O.Temperiereinrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

das elektrische Schaltelement (1 1 a-1 1 e) einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Thyristor, umfasst.

1 1 .Temperiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- das thermoelektrische Modul (6) wenigstens einen Temperatursensor (14a- 14e) zur Messung der Temperatur einer thermisch an das thermoelektrische Modul (6) koppelbaren Batteriezelle (2) umfasst,

- eine mit dem ersten und/oder dem zweiten Schaltelement (1 1 a-1 1 e) sowie dem wenigstens einen Temperatursensor (14a-14e) zusammenwirkende Steue- rungs-/Regelungseinheit (15) vorgesehen ist, welche das erste und/oder das wenigstens eine zweite elektrische Schaltelement (1 1 a-1 1 e) in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor (14a-14e) gemessenen Temperatur zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand umschaltet.

12. Temperiereinrichtung nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

- für wenigstens eine Elementreihe (8a-8e), vorzugsweise für alle Elementreihen (8a-8e), wenigstens ein jeweiliger Temperatursensor (14a-14e), vorzugsweise zwei Temperatursensoren (14a-14e), besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Temperatursensoren (14a-14e), zur Messung der Temperatur einer thermisch an die jeweilige Elementreihe (8a-8e) des thermoelektrisches Modul (6) koppelbaren Batteriezelle (2) vorgesehen ist,

- die Steuerungs-/Regelungseinheit (15) derart ausgebildet ist, dass das einer bestimmten Elementreihe (8a-8e) zugeordnete Schaltelement (1 1 a-1 1 e) von der Steuerungs-/Regelungseinheit (15) in Abhängigkeit von der Temperatur, die mit dem ihr zugeordneten wenigstens einen Temperatursensor (14a-14e) bestimmbar ist, angesteuert wird.

13. Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die thermoelektrischen Elemente (9a-9e) einer Elementreihe (8a-8e) im Wesentlichen geradlinig entlang der Längsrichtung (L) benachbart zueinander angeordnet sind,

- die wenigstens zwei Elementreihen (8a-8e) entlang der Querrichtung (Q) benachbart zueinander angeordnet sind.

14. Batterie-Anordnung (24),

- mit einer Temperiereinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- mit einer wenigstens eine Batteriezelle (2) umfassenden Batterie (23), wobei die wenigstens eine Batteriezelle (2) auf auf einer der Temperierstruktur (3) abgewandten Seite des thermoelektrischen Moduls (6) an diesem angeordnet ist.

15. Batterie-Anordnung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Temperiereinrichtung (1 ) ein erstes und wenigstens ein zweites thermo- elektrisches Modul (6) umfasst,

- die Batterie (23) eine erste und wenigstens eine zweite Batteriezelle (2) umfasst,

- jede Batteriezelle (2) ein Gehäuse (26) mit einer Gehäusewand (27) umfasst, mittels welcher die Batteriezelle (2) mechanisch und thermisch mit dem ihr zugeordneten thermoelektrischen Modul (6) verbunden ist.

16. Batterie-Anordnung nach Anspruch 14 oder 15,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Batterie (23) eine Mehrzahl von Batteriezellen (2) umfasst und für jede Batteriezelle (2) jeweils genau ein thermoelektrisches Modul (6) vorgesehen ist, welches mechanisch und thermisch mit dieser Batteriezelle (2) verbunden ist.

17. Batterie-Anordnung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet, dass

dass für jedes Paar aus einer Batteriezelle (2) und einem thermoelektrischen Modul (6) jeweils wenigstens ein Temperatursensor (14a-14e) vorgesehen ist.

18. Batterie-Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Steuerungs-/Regelungseinheit (15) die elektrischen Schaltelemente (1 l al l e) eines jeweiligen thermoelektrischen Moduls (6) in Abhängigkeit von der Temperatur, die von dem diesem thermoelektrischen Modul (6) zugeordneten wenigstens einen Temperatursensor (14a-14e) bestimmbar ist, zwischen ihrem geschlossenen und geöffneten Zustand umschaltet.

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