Batterieheizvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Batterieheizvorrichtung zum Erwärmen einer Fahrzeugbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure-Batterie, die z. B. als Starterbatterie eingesetzt wird.

Das Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Ein- sparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten z. B. eines PKW auch Energie für zusätzliche Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird. Ferner ist es wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebensdauer der Batterie möglichst auf einem konstanten hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert und betätigt werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie sowie die Fähigkeit der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden. Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren beeinflußt.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung von Batterien, wie z. B. einer Blei-Säure-Batterie zu erhöhen. Ein besonderes Problem bei diesen und anderen Batterien ist, daß die Batterieleistung eine starke Abhängigkeit von der Batterietemperatur aufweist. In einem zulässigen Betriebsbereich ist z. B. bei einer Blei-Säure-Batterie mit einem Kapazitätsrückgang von ca. 0,6 bis 0,8 % pro Grad Celsius oder mehr zu rechnen. Wird angenommen, daß die optimale Betriebstemperatur bei ca. 30 Grad Celsius liegt und die Batterie einer Temperatur von minus 20 Grad Celsius ausgesetzt ist, würde

deren Kapazität nur noch ca. 60 % der konzipierten Kapazität betragen und somit z.B. das Betätigen des Anlassers eines Fahrzeugs Schwierigkeiten bereiten. Es ist jedoch dem Fachmann bekannt, daß weitere Einflußfaktoren die Kapazität der Batterie verringern. Ein wesentlicher Einflußfaktor ist die sogenannte Stratifikation der Säure, d. h. die Säurekonzentration ist bezüglich der Elektrodenfläche nicht gleichmäßig. Das bewirkt, daß die Elektroden an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist, korrodieren, so daß sich die Lebensdauer der Batterie vermindert, und an den Elektrodenstellen, an denen die Säurekonzentration zu gering ist, die Batterie nicht ihre volle Leistung erreicht.

Es ist allgemein bekannt, daß Fahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die längere Zeit, z. B. mehr als 8 Stunden, bei Temperaturen unter Null Grad Celsius gestanden haben, sich besser starten lassen, wenn die ausgekühlte Batterie vor dem Start angewärmt wurde.

Daher sind eine Vielzahl von Batterieheizeinrichtungen entwickelt worden, die verschiedene Vor- und Nachteile aufweisen und z. B. in den Dokumenten DE 28 12 876, US 2,440,369, DE 1 496 134, DE 40 27 149 A1 oder DE 100 14 848 beschrieben wurden. Die Batterieheizvorrichtungen können in verschiedene Grup- pen unterteilt werden. Eine Gruppe betrifft die Heizung der Batterie durch Wärmeaustausch. So wurde z. B. vorgeschlagen, an der Außenwand einer Batterie Wärmetauscherrohre vorzusehen, durch die warme Motorkühlflüssigkeit geleitet wird. Vielfach wurden auch elektrische Heizungen vorgeschlagen, wobei diese Gruppe in zwei Untergruppen geteilt werden kann.

Es gibt eine Reihe von Ideen, Heizfolien oder ähnliche Heizelemente an der Außenwand oder auch in der Batterie selbst anzuordnen und die elektrische Energie extern zuzuführen, z. B. bei einem in einer Garage parkenden Fahrzeug aus einem 220 V Netzanschluß. Hier steht immer genügend Energie zur Verfügung, so daß die Batterie unabhängig von der Außentemperatur auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann. Ebenso ist es möglich, die Energie aus der Lichtmaschine zu entnehmen, wenn das Fahrzeug fährt.

Bei der zweiten Untergruppe wird die Energie zur Beheizung der Batterie aus dieser selbst entnommen. Das ist dann erforderlich, wenn das Fahrzeug auf der Straße abgestellt ist und keine Möglichkeit besteht, elektrische Energie von außen zuzuführen. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Batterie thermisch gut zu isolieren und mittels der Selbstheizung dadurch auf einem möglichst optimalen Temperaturniveau zu halten. Diese Methode ist nur sinnvoll, wenn das Fahrzeug lediglich ca. 8 bis 15 Stunden steht und auskühlt und danach wieder benutzt wird, d. h. die thermische Isolation der Batterie muß so gut sein, daß die Batterie in diesen ca. 8 bis 15 Stunden auf dem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden kann.

Wenn das Fahrzeug jedoch mehrere Tage bei sehr niedrigen Temperaturen nicht gefahren wird, reicht die Kapazität der Batterie nicht aus, um diese auf der wünschenswerten Temperatur zu halten, selbst wenn eine gute Isolation vorhanden ist. Es ist für solche Fälle notwendig, die Batterie erst dann zu erwärmen, wenn ein Start des Fahrzeugs vorgesehen ist.

Es wurde daher mehrfach vorgeschlagen, die kalte Batterie erst kurz vor dem Start des Fahrzeugs zu erwärmen. Eine von mehreren Möglichkeiten, eine Batte- rie schnell zu erwärmen, ist ein Wärmeeintrag am Batterieboden.

Es wurde daher in der DE 100 14 848 C2 vorgeschlagen, die Batterie auf eine elektrisch beheizbare Wärmeplatte zu stellen. Steht keine externe elektrische Energiequelle zur Verfügung, muß die Energiereserve der Batterie zum Aufhei- zen der Wärmeplatte genutzt werden. Das kann bei extrem niedriger Temperatur dazu führen, daß die Batterie einerseits etwas erwärmt wird, aber andererseits nicht mehr genügend Energie für das Starten des Fahrzeugs zur Verfügung steht.

Daher wurde nach technischen Lösungen gesucht, die es ermöglichen, ohne e- lektrische Energie die Batterie zu erwärmen. Dazu wird in dem deutschen GBM G 85 09 842.6 vorgeschlagen, die Batterie in einen doppelwandigen Behälter zu stellen, dessen Hohlraum zwischen den Wänden mit einer unterkühlbaren Latentwärme-Speichermasse gefüllt ist, wie z. B. mit Natriumacetat-Trihydrat, das eine Enthalpietemperatur für den übergang von der flüssigen Phase in die feste

Phase von 58 Grad aufweist. Weiterhin ist in diesem Hohlraum ein Wärmetauscherrohr vorgesehen, das mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist. Um die Batterie nicht zu überhitzen, ist der Kühlkreislauf abschaltbar ausgebildet. Diese Anordnung ist wegen der erforderlichen Verbindung mit dem Kühlmittelkreislauf relativ aufwendig.

Es besteht daher die Aufgabe der Erfindung, eine Batterieheizvorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Diese Aufgabe wurde mit einer Batterieheizvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Zur Erwärmung der Batterie wird eine Batterieheizvorrichtung mit einer unterkühlbaren Latentwärme-Speichermasse benutzt, die nach einer Aktivierung Wärme abgibt. Die Latentwärme-Speichermasse befindet sich in einem flachen Kunststoffbeutel, nachfolgend Wärmepad genannt, und dieses Wärmepad be- rührt den Batterieboden oder eine Seitenwand der Batterie. Weiterhin liegt das Wärmepad auf einer wärmeisolierenden Platte, die verhindert, daß die erzeugte Wärme in unerwünschte Richtungen abfließt, d. h. andere Materialien oder Bauteile erwärmt werden.

Erfindungsgemäß weist die Batterieheizvorrichtung eine Bewegungsvorrichtung auf, mit der das Wärmepad wahlweise in Berührungskontakt, d. h. in Wärmekontakt mit der Batterie bringbar ist. Wenn die Batterie erwärmt werden soll, ist das Wärmepad in Berührungskontakt mit dem Batterieboden oder einer Seitenwand der Batterie. In Abhängigkeit von der verwendeten Latentwärme-Speichermasse wird der Wärmebildungsvorgang mit Mitteln ausgelöst, die dem Fachmann bekannt sind, wie z. B. mechanisch oder thermisch. Nach der Ableitung der in der Latentwärme-Speichermasse erzeugten Kristallisationswärme in die kalte Batterie wird diese dadurch erwärmt und weist danach ein deutlich besseres Energieabgabevermögen auf, d. h. das Fahrzeug kann wieder sicherer gestartet werden. Auch kurze Zeit nach dem Start wird die Batterie noch weiter erwärmt. Dadurch wird die Ladefähigkeit der Batterie erheblich verbessert und der Ladevorgang beschleunigt. So kann bereits innerhalb von 30 bis 60 Minuten die Batterie wieder vollständig aufgeladen werden, was bei einer kalten Batterie nicht möglich ist, aus Gründen, welchem einen Fachmann bekannt sind.

Um die Latentwärme-Speichermasse zu reaktivieren, muß die abgegebene E- nergie wieder zugeführt werden. Das erfolgt mit einer elektrischen Widerstandsheizung, die von der Lichtmaschine und/oder der Batterie gespeist wird. Die er- forderliche Temperatur ist von der chemischen Zusammensetzung der Latentwärme-Speichermasse abhängig. Danach nimmt die kristalline Masse wieder den flüssigen Zustand an.

Ohne die erfindungsgemäße Trennung der Latentwärme-Speichermasse von der Batterie wäre jedoch eine Rekristallisation, d. h. ein übergang in den flüssigen Zustand nicht möglich, denn es wäre eine sehr hohe Heizleistung erforderlich, da die vergleichsweise kalte Batterie über das der Rekristallisation unterzogene Wärmepad mit erwärmt würde, was zu einer überhitzung der Batterie und zu deren Schädigung führen würde. Wenn die Heizleistung jedoch nicht ausreichend hoch ist, wird die Rekristallisationstemperatur nicht erreicht.

Die Erfindung dagegen ermöglicht eine Trennung des Wärmepads von der Batterie, in dem die Platte, auf der das Wärmepad angeordnet ist, einige Millimeter von der Batterie entfernt wird, so das ein Luftspalt zwischen dem Wärmepad und der Batteriewandung oder dem Batterieboden entsteht. Dadurch wird bei der Rekristallisation eine Wärmeleitung in die Batterie verhindert, so daß nunmehr die Latentwärme-Speichermasse allein erwärmt werden kann.

Nach Anspruch 2 ist die Bewegungsvorrichtung von Hand betätigbar, d. h. das z. B. mittels eines von Hand betätigbaren Schwenkhebels die Trennung des Wärmepads von der Batterie erfolgt, wenn die Rekristallisation eingeleitet werden soll. Das rekristallisierte Wärmepad kann von der Batterie getrennt gehalten werden, bis erneut eine Batterieerwärmung durchgeführt werden soll. Das Wärmepad kann jedoch nach der Rekristallisation auch gleich wieder an die Batterie- wandung oder den Batterieboden angelegt werden.

Nach Anspruch 3 wird die Bewegungsvorrichtung mittels Bimetall-Elemente 9 betätigt. Die bewegbare Platte, auf der das Wärmepad angeordnet ist, ist mit Bimetall-Streifen 9 über ein Koppelstück 10 gekoppelt. Wenn die Rekristallisation durchgeführt wird, fließt nach Anlegen einer Spannung U der Heizstrom für die

Rekristallisationsheizung über die Bimetall-Streifen 9, so daß sich diese durch eigene Widerstandserwärmung verbiegen, wie in Fig. 2b gezeigt. Dadurch wird die Platte mit dem Wärmepad von der Batterie getrennt, so daß zwischen der Batterie und dem Wärmepad ein Luftspalt entsteht. Wenn die Rekristallisation nach einer vorbestimmten Zeit abgeschlossen ist, wird die Heizspannung abgeschaltet, so daß die Bimetall-Streifen 9 wieder ihren ursprünglichen Zustand gemäß Fig. 2a annehmen und dadurch das rekristallisierte Wärmepad wieder die Batterie berührt. Dem Fachmann ist klar, wie auf der Grundlage einer solchen technischen Lehre die Bimetall-Streifen 9 mit der bewegbare Platte zu verkoppeln sind, damit die beschriebene Funktion eintritt.

Nach Anspruch 4 ist die Latentwärme-Speichermasse in einem thermisch isolierten Gehäuse angeordnet, wobei die Kontaktfläche zum Batteriegehäuse nicht isoliert ist. Dadurch wird erreicht, daß bei der Entnahme und der Zuführung von Wärmeenergie die Energieverluste verringert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.

Fig. 1a, b zeigen je eine Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2a, b zeigen je eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1a zeigt eine Batterie 1 , die auf zwei Schienen 2 und 3 steht. In einem flachen Behälter 4 aus einem wärmeisolierenden Kunststoff ist ein Wärmepad 5 eingelegt. Im vorliegenden Beispiel enthält das Wärmepad 5 Natriumacetat- Trihydrat. Der Behälter 4 kann mittels einer schematisch angedeuteten Bewegungsvorrichtung 6 abgesenkt werden, wie in Fig. 1b dargestellt. Unter dem Wärmepad ist eine elektrische Heizfolie 7 mit einem Anschlußkabel 8 angeordnet. Wenn die Batterie 1 erwärmt werden soll, wird das Wärmepad 5 aktiviert, so daß die gespeicherte Wärmeenergie durch Auskristallisation des Natriumacetat-

Trihydrats frei wird, d. h. das Wärmepad 5 wird warm. Da das Wärmepad 5 vollflächig den Boden der Batterie 1 berührt, wird die Batterie 1 ebenfalls erwärmt. Es ist klar, daß nach dem gleichen Prinzip auch eine Seitenwand der Batterie oder mehrer Seitenwände erwärmbar sind. Um die Auskristallisation rückgängig zu machen, muß das Wärmepad 5 auf ca. 60 Grad erwärmt werden. Das Natri- umacetat-Trihydrat bleibt so lange auf einer Temperatur von 58 Grad Celsius, bis alle Kristalle geschmolzen sind. Hierbei muß die Schmelzwärme wieder zugeführt werden. Die Erwärmung wird mittels der elektrischen Heizfolie 7 durchgeführt. Damit jedoch die mittels der Heizfolie in das Wärmepad eingebrachte Wärme- energie nicht an die Batterie abfließen kann, wird der Behälter 4 mittels der Be- wegungsvorrichtung 6 wenige Millimeter abgesenkt, damit das Wärmepad 5 nicht mehr den Batterieboden berührt.

Die Fig. 2a und b zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der Behäl- ter 4 wird mittels eines Bimetallstreifens 9 in Pfeilrichtung bewegt. Der Bimetallstreifens 9 ist an einem Ende starr befestigt, und das andere Ende ist über ein Koppelstück 10 in mechanischem Kontakt mit dem Behälter 4. Wenn der Bimetallstreifen 9 von Strom durchflössen wird, erwärmt er sich durch Widerstandserwärmung und krümmt sich abwärts, so daß sich der Behälter 4 durch sein Eigen- gewicht nach unten absenkt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Heizfolie 7 und der Bimetallstreifen 9 in Reihe geschaltet. Wenn an die Kontakte 10 eine Spannung U angelegt wird, fließt ein Strom über den Bimetallstreifen 9 in die Heizfolie 7, wobei sich sowohl die Heizfolie 7 als auch der Bimetallstreifen 9 erwärmen. Der Bimetallstreifen 9 krümmt sich abwärts, so daß das Wärmepad 5 nicht mehr in Wärmekontakt mit dem Batterieboden ist. Alle weiteren Funktionsabläufe entsprechen denen nach Fig. 1.

Dem Fachmann ist klar, daß der Bimetallstreifen auch durch eine separate Widerstandsheizung, die auf seiner Oberfläche angeordnet ist, erwärmt werden kann. Es ist weiterhin klar, daß diese Ausführungsformen durch einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese, nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.