Batterie mit einer Temperatursteuerung Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Temperatur ^¬ steuerung .

Es ist heute üblich, Batterien (Akkumulatoren) für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie für Bedarfsfälle einzusetzen. Typische Anwendungen sind Hausbatterien, Notfallbatterien, insbesondere aber auch Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, eingeschlossen Schienenfahrzeuge und Luftfahrzeuge . Batterien haben optimale Nutzungstemperaturbereiche und es ist bekannt, dass die Batterieleistung bei zu tiefer Tempe ^¬ ratur stark abnimmt und bei erhöhter Temperatur eine mögliche Zersetzung der Batterie, eingeschlossen

Brand/Oxidation eintreten kann.

Um somit einen optimalen Arbeitstemperaturbereich für derartige Batterien einzustellen, werden verschiedenste Lösungen vorgeschlagen. JP3050051 offenbart ein Klimagerät für Elektrofahrzeuge , wobei die Kühlung oder Erwärmung der Batterie über Luftkühlung erfolgen kann.

Das JP3733682 lehrt eine Batterietemperaturregelvorrichtung, die zu eine Fahrzeugantriebsbatterie in einem Batteriege ^¬ häuse durch Einleiten von Luft für Autoinnenraumluftanlage in das Batteriegehäuse verwendet, über einen Einführungska ^¬ nal untergebracht kühlen oder erwärmen kann. Die japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 10-32021 beschreibt eine Batterie mit einem wärmeisolierenden Materi- al, und die Verwendung einer Zusatz-Heizvorrichtung, wie einer elektrischen Heizeinrichtung, um eine geeignete Arbeitstemperatur der Batterie in der Kälte aufrechtzuerhal ^¬ ten .

Die offengelegte japanische Patentanmeldung (Kokai ) Nr. 2006-269426 offenbart eine Batterie mit mehreren Batte ^¬ rieeinheiten, wobei Trennwände zwischen den Batterieeinheiten nebeneinander angeordnet sind, einem Gehäuse, in dem die Batterieeinheiten und die Trennwand installiert sind und einem Einlass und einem Auslass , durch die ein Wärmeträger strömt, und ein PTC-Heizelement zwischen der Trennwand und der Batterieeinheit DAIMLER schlägt zu diesem Zweck in der DE102010013025 Wärmetrans ferplatten vor, die mit Wärmeleitröhren verbunden sind, welche die Wärme schnell aus der Batterie

heraustransportieren . Auch die DE102012220873 AI empfiehlt die Verwendung von

Wärmeieitröhren zum schnellen Wärmeabtransport aus der Batterie vor. DE102012200401 AI der Zahnradfabrik Fried ^¬ richshafen verwendet dazu flächige Wärmeleitröhre oder Vapor Chambers , welche die Wärme der Batteriezellen flä- chig aufnehmen und diese Wärme an ihren den Stirnflächen an Kollektoren abgeben . Es wurde auch schon versucht, die Abwärme von Batterien für spätere Verwendung in Wärmespeichern zu speichern ( JP2001236145A und DE102011105366 AI) . Die bisherigen WärmeSteuerungen von Batterien waren verbesserungsfähig .

Technisches Problem Es ist Aufgabe der Erfindung, die bisherigen Wärmesteue ^¬ rungen von Batterien zu verbessern und insbesondere auch den Verlust an Wärmeenergie innerhalb eines Systems, wel ^¬ ches die Batterie einsetzt, zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriean- Ordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine gattungsgemäße Batterie oder Akkumulator, weist min- destens eine Batteriezelle und eine Temperatursteuerung für die Batteriezellen auf, wobei die Temperatursteuerung: zumindest eine Vapor Chamber, die mit einer ersten Batterie ^¬ kontaktoberfläche direkt mit der Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle in Kontakt steht und Wärmeleitrohre, die teilweise auf einer zweiten Wärmeleitrohrkontaktoberfläche der Vapor Chamber angeordnet sind und aus der Bat ^¬ terie zu einem Wärmetauscher herausführen, aufweist .

Durch diese passive Wärmesteuerung kann bedarfsweise sehr schnell Wärme aus der Batterie herausgeführt werden und

Überhitzung derselben beim Laden oder aufgrund von Kriechströmen bei Materialfehlern vermieden werden. Besonders bei den Li-Zellen ist dies äußerst sinnvoll, da diese sich leicht entzünden und zu Bränden führen können. Einige spek- takuläre Unfälle mit diesen Batterietypen in Elektro-Autos und auch bei Laptops und sonstigen Mobilgeräten sorgten dafür, dass diese großen Sicherheitsbeschränkungen bps. im Luftverkehr unterworfen werden. Da chemische Reaktionen, die für die Batteriebrände verantwortlich sind, exotherm verlaufen und Reaktionswärme benötigen, kann eine schnelle Entwärmung dieser Batterien die Sicherheit derselben erhöhen .

Ferner ist bekannt, dass Batterien generell einen Arbeits- temperaturbereich, in dem sie optimal arbeiten, haben. Daher ist es sinnvoll , diese innerhalb des erwünschten Tem- peraturbereichs zu halten.

Erfindungsgemäss wird dazu die Wärmeaufnahmeoberfläche der Vapor Chamber zwischen zwei Batteriezellen einer Batterie angeordnet und an diese zwecks optimalen Wärmeüber ^¬ gangs angepasst. Bspw. kann die Wärmeleitrohrkontaktoberfläche der Vapor Chamber Vertiefungen zur Aufnahme der Wärmeleitrohrinnenabschnitte haben, um eine grössere Wär ^¬ meübergangsfläche zwischen Wärmeleitrohr und Vapor Chamber mit besserem Wärmetransfer herzustellen.

Die Auswahl der Wärmeleitrohre ist für den Fachmann auf dem Gebiet der Wärmeleitröhre aufgrund seines Fachwissens entsprechend den Anforderungen (Explosionssicherheit und/oder hohe Effizienz und/oder rechtliche Vorschriften und räumlicher Gegebenheiten ) ohne erfinderisches Zutun möglich und sie können ausgewählt werden aus Thermosi- phon, Wärmeleitröhre , Variable Conductance Wärmeleitröh ^¬ re , Loop-Wärmeleitröhre (Loop Wärmeleitrohre) , auch Ther ^¬ mosiphon-Loops und kapillar gepumpte Wärmeleitrohr- Schleifen (capillary pumped Loops - CPL) , wobei der Wärmeleitrohr-Außenabschnitt im Wärmetauscher verläuft und der Wärmeleitrohrinnenabschnitt zwischen den Batteriezel ^¬ len auf den Vapor Chambers ausgeführt ist.

Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung, die lediglich die Batteriezellen kühlt, ist der Wärmeleitrohrinnenabschnitt als Kondensationszone und der Wärmeleitrohrau- ßenabschnitt als Verdampfungszone im Wärmetauscher zum Er- wärmen der Batteriezellen ausgeführt .

Es ist sinnvoll , dass die Vapor Chamber zumindest ab ^¬ schnittsweise aus elektrisch nicht leitendem Material her ^¬ gestellt ist und bevorzugt als elektrischer Isolator zwi ^¬ schen dem VaporChamber Kontaktabschnitt und der

Vaporchamberwärmeleitrohrkontaktfläche ausgeführt ist, um Kriechströme zu vermeiden.

Bevorzugt wird im Temperaturregel System ein außenliegender Wärmetauscher zum Er- oder Entwärmen der Batteriezellen zwecks Regelung der Batterietemperatur zur Leistungsoptimierung derselben vorgesehen und das Wärmetauschermedium ausgewählt ist aus : fluiden Materialen, Luft, Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf, PCMs oder einem Feststoffwär ^¬ mespeichermaterial , umfassend Zeolith, Salzhydrate oder Phasenänderungsmaterial , umfassend Paraffine und Fettsäu ^¬ ren, vorgesehen sind und das mindestens ein Wärmerohr, das an einem Ende über die Vapor Chamber thermisch mit der Batterie verbunden ist, als HeizVorrichtung die Batterie über die Vapor Chamber erwärmt und I oder als eine Kühlvorrichtung , die die Batterie über die Vapor Chamber entwärmt, ar ^¬ beiten kann .

Je nach Einsatz de r Batterie, ob mobil in Fahrzeugen al ^¬ ler Art , Gewichts- und Raumerfordernissen oder als stationäre Batterie in permanenten oder vorübergehenden Bauwerken, Zeltstädten , als Pufferbatterie etc., ist es mög ^¬ lich, geeignete Wärmeleiteinrichtungen auszuwählen .

Die mindestens eine Batteriezelle kann ausgewählt sein aus rechteckigen säulenförmigen Batteriezellen, laminierten Batteriezellen und zylindrischen Batteriezellen .

Bei vielen Anwendungen sind die Wärmeleitrohraußenabschnitte mit Wärmeleitblechen verbunden, welche schnelle und große Wärmedissipation von der Oberfläche ermöglichen .

Je nach Anforderung können auch unterschiedliche Wärmeleit ^¬ rohre — sowohl hinsichtlich des Arbeitsmediums als auch der Bauweise, eingesetzt werden.

Erfindungsgemäße werden flächige Wärmeleitröhre — auch Vapor-Chambers oder Heat Spreader genannt, zwischen den Batteriezellen angeordnet, welche lokal auftretende Wärme spitzen sofort über ihre Fläche dissipieren. Vapor Chambers sind erheblich schneller und effizienter als klass i- sche Heatsinks , deren Wärmeleitfähigkeit sie leicht um da Hundertfache übertreffen und damit eine extrem schnelle WärmeVerteilung und auch — gemeinsam mit den Wärmeleitrohren — leitung aus und in die Bat terie ermöglichen .

Auf mindestens einer Oberfläche der Vapor-Chambers sind Wärmeleitröhre in innigem thermischem Kontakt angeordnet . Dabei kann die Oberflächenstruktur der Vapor Chamber so ausgelegt sein, dass sie die Wärmeleitröhre dreiseitig umgibt und dadurch einen guten Wärmeübergang ermöglicht .

Die Wärmeleitröhre durchlaufen außerhalb der Batterie einen Wärmespeieher, bevorzugt einen Latentwärmespeieher , welcher die latente Wärme des Arbeitsfluids der Wärmeleitröhre auf ^¬ nimmt. Es kann günstig sein, dazu Loop-Wärmeleitröhre ein ^¬ zusetzen, welche große Wärmetransportfähigkeiten haben .

Ein Wärmeleitrohrtyp ist so ausgewählt, dass er Wärme ab einer bestimmten Initialtemperatur der Batteriezellen aus der Batterie abtransportiert und mindestens ein Wärmeleit ^¬ rohrtyp ist so ausgewählt, dass er Wärme bei einer vorbe ^¬ stimmten Minimum- emperatur der Batterie wieder aus dem Wärmespeieher in die Batterie über den Heat-Spreader liefert .

Durch die beiden Wärmeleitrohrtypen kann ein Batterietemperaturbereich eingestellt werden und Überwärmung und Unterkühlung der Batterie vermieden werden . Dadurch wird eine erhöhte Lebensdauer der Batterie erzielt und ihre Kapazi ^¬ tät optimal genutzt .

Als Latentwärmespeieher können Fes tsto ffSpeiche , wie Zeolithe , eingesetzt werden, deren Wärme freiSetzung leicht steuerbar ist Es können aber auch fluide Latentwärmespeicherflüssigkeiten eingesetzt werden, welche in einem von der Batterie unabhängigen Kreislauf geführt werden - bspw. einem Heizkreislauf. Die Verwendung des Latentwärmespeichers hängt von dessen Kapazität und — bei mobilem Einsatz der Batterie — auch von dessen Gewicht. Beispielhaft, aber nicht begrenzend, sollen Stoffe genannt werden , die für Latentwärmespeieher ge nutzt werden, so : Salz -Was ser-Eutektika = 0 ° C - Paraff IL ^¬ ne -30°C- 130°C — Salzhydrate 5°C-130°C — Zuckeralko ^¬ hole 90 °C-180 °C — Salze und deren eutektische Mischungen = 180 ° C und Mobile Latentwärmespeicher (makroverkapselt) mit einem Phase-Change-Material Schmelzpunkt von 58 °C, Einleittemperatur von 56°C-180°C.

Latentwärmespeieher sind bekannt und werden bereits für verschiedenste technische Anwendungen, wie Hausheizungen oder auch Kraftfahrzeuge, eingeset zt . Hinsichtlich der Latentwärmespeieher wird vollinhaltlich auf das im Internet veröffentlichte Buch : http : //www .buch-der-Synergie . de/c neu html/c 10 07 e speichern thermisch . htrr . - „Buch der Synergie" von Achmed A. W. Khammas , Rukn-Eddin, al-Buti Bldg . , Damas- kus/Syrien P.O. Box 2361, bezug genommen .

Bekannt sind bpsw . Die Aufschlämmungen von

mieroverkapselten Phasen Änderungsmaterialien ( PCM) als flüssiges LatentSpeichermedien ( s .„slurry as a heat- transfer fluid Yasushi Yamagishi 1 , Hiromi Takeuchi? , Ale- xander T . Pyatenko 2 , Naoyuki Kayukawa3 , AIChE Journal Volume 45, lssue 4, pages 696-707, April 1999. Derartige Materialien sind kommerziell u.a. erhältlich von BASF S.E. unter der Marke MIKRÖ AL® . Die Wärme kann auch in hydratisierten Salz kristallen gespeichert werden - bspw . hydratisiertem Na2S04, Chloride , Hydrate , Fluoride etc.

Hinsichtlich der Anwendung in mobilen Systemen werden diese in Kraftfahrzeugen bereits seit 1993 (Car Tech) mit Salzen, die sich bereits bei 78 °C verflüssigen, verwendet.. Weitere Anwendungen in Fahrzeugen sind die von Modine Längerer & Reich seit 1997 verwendeten

Latentwärmespeieher, der Salze einsetzt, die bei 70 ° C schmelzen — durch vom Motor erhitztes Wasser, das , den LWS — wie in einem Autokühler — in Röhren durchströmt . Beim Start des erkalteten Motors läuft das Kühlwasser durch den LWS, das Salz kristallisiert, und die freiwerdende Wärme wird umgehend für die Heizung genutzt . Eine weitere Firma , die WJ-Tochter Votex, bietet seit 1997 derartige Wärmespeieher auch als Nachrüstmöglichkeit für den Golf und den Passat an . Diese Latentwärmespeieher lassen sich problemlos an Fahrzeugbatterien anschliessen .

Da Wärmeleitröhre die Eigenschaft haben , bidirektional Wärme transportieren zu können , kann Wärme auch aus dem Latentwärmespeieher zurückübertragen werden — bspw. um eine geeignete Arbeitstemperatur für die Ba terie aufrechtzuerhalten .

Es ist auch möglich , Loop-Wärmeleitröhre zu verwenden , die teilweise außerhalb der Batterie verlaufen und eine sehr große Wärmetrans ferkapazi tät aufweisen.

In einem Fall , in dem ein Wärmerohr wird als wärmeleitendes Element eingesetzt wird, kann das Arbeitsfluid bspw . Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid, Ammoniak und Propan , Alkohol oder Methanol oder i-Propanol bzw . Mischungen derselben sein , diese Aufzählung ist lediglich beispielhaft und die Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt . Unter Berücksichtigung der Leistung und Wirkung auf die globale Umwelt, sind Wasser , und Alkohole sowie ggf . Mischungen derselben als Arbeits fluid der Wärmerohre für mobile Anwendungen bevorzugt .

Die Wärmeleitrohre können im Bedarfsfall Wärme aus dem Latentwärrnespeicher abrufen und auch Wärme dorthin abgeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der

Latentwärmespeicher ein fluider Latentwärmespeicher, wie ein mikroverkapseltes Phasen änderungsmaterial (PCM = Phase Change Material) sein, das an verschiedensten Stel ^¬ len eines Fahrzeugs einsetzbar ist und dort hin gefördert werden kann — bspw. zur Heizung oder zum Erwärmen eines Verbrennungsmotors , um Emissionen und Verbrauch beim Kalt ^¬ start zu verringern, zur Unterstützung der Hei zung etc.

Somit kann ein problemloser Anschluss an ein bestehendes Kühlmittelsytem bzw. Temperierfluidsystem erfolgen und die Wärme des PCM dort verwendet werden, wo sie gerade benö ^¬ tigt wird.

Bevorzugt erfolgt die geometrische Anordnung der Wärmeleit ^¬ rohre so, dass die Schwerkraft ihre Funktion unterstützt . Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten

Zeichnung, in der schematisch Ausführungsbeispiele darge ^¬ stellt sind erläutert . Die Erfindung ist keineswegs auf diese eingeschränkt und die Beispiele sind rein exempla ^¬ risch zum besseren Verständnis angegeben . Darin zeigt:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht von auf einer Vapor Chamber thermisch leitend aufgebrachten Wärmeleitröhre in Draufsicht ;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch die Vapor Chamber der Fig .1 ;

Fig . 3 eine schematische Darstellung einer Wärmeleitrohr;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Vapor Chamber;

Fig. 5 schematisch einen Schnitt durch einen Akku entlang der Vapor Chamber gemäß Fig. 1 mit am oberen Bereich des Wärmeleitrohrs angeschlossenem Wärmeleitblechen, die von einem Wärmeabführ-Medium umspült werden;

Fig. 6 schematisch einen Schnitt durch einen Akku entlang der Vapor Chamber gemäß Fig. 1 mit am oberen Bereich der Wärmeleitrohr angeschlossen Kühlfluidwärmetauscher, der von einem Kühlfluid durchspült wird; und

Fig. 7 schematisch eine Anordnung ähnlich der Fig. 6 mit angeschlossenem LatentwärmeSpeicher .

Nachstehend wird die Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben .

Fig . 1 ist eine Schematische Ansicht einer

erfindunggemäßen Wärmetransfereinheit, bestehend aus einer Vapor Chamber und darauf — wie aus Fig. 2 ersichtlich — in thermischem Kontakt aufgebrachten Wärmeleitrohren (10) . Man erkennt die Vapor Chamber (20) , die für eine außerordentlich schnelle WärmeVerteilung über ihre gesamte Fläche sorgt .

Diese Wärme wird von auf der Oberfläche der Vapor Chamber (20 ) thermisch angebun denen Wärmeleitröhren (10) aufgenommen und an deren Ende ausserhalb der Batterie transportiert .

Auf dem Wärmeleitrohraußenabschnitt (5) können in üblicher Weise Wärmeleitbleche (sog . Fins ) angebracht sein , die von einem wärmespeichernden Fluid, wie Luft oder sonstigem Gas umspült und somit gekühlt werden. Es ist auch möglich, dieses Fluid zum Erwärmen der Batterie beim Kaltstart einzusetzen, falls es dann temperiert verfügbar ist . Wärmeleitröhre arbeiten bidirektional — d.h. die Wärmetransferrichtung kehrt sich um, wenn das Wärmeleit- rohraußenabschnitt (5) wärmer als der Wärmeleitrohrinnen- abschnitt (3) auf der Vapor Chamber (2, 2A, 2B) ist und wärmt somit die Vapor Chamber aufgrund deren hoher Wärmeverteilungsfähigkeit gleichmäßig auf. So können auch lokale Überhitzungen bspw. beim Laden der Batterie, die zu Batterie/Akku-Schäden bis zum Brand führen können, vermieden werden.

Deutlich ist in Fig . 3 der Verlauf des Arbeitsmediums im Wärmeleitrohr (10) zu sehen. Es wird am Wärmeleitrohrin- nenabschnitt (3) erhitzt, tritt unter Aufnahme latenter Wärme in die Gasphase über und kondensiert am oberen Wärmeleitrohraußenabschnitt (5) unter Abgabe latenter Wärme , die von den dort an der Rohrwand angeschlossenen Wärmeleitblechen abgenommen und an ein Wärmetrans fermedium - hier schematisch mit dünnen Pfeilen dargestellt - abgegeben und sogleich abtransportiert wird . So können aufgrund der extrem hohen Wärmeleitung der Wärmeleitrohre (10) Wärmemengen schnell aus den Batteriezellen (1, 1A, 1B, IC, 1D, IE ) entfernt und Ba e ieve sagen, vermieden werden.

Batterien enthalten üblicherweise mehrere Batteriezellen ( 1 , 1A, 1B, AC, 1D, IE) , die regelmäßig angeordnet sind . Diese Batteriezellen sind miteinander zu einer Batterie oder Akkumulator verschaltet .

In Fig. 5 ist eine solche Anordnung in auf einer Vapor Chamber (2, 2A, 2B ) gezeigt. Das Wärmeleitrohr ( 10 ) nimmt Wärme von der Vapor-Chamber-Oberfläche (4) auf , erhitzt mit ihr eine Flüssigkeit, die unter Aufnahme latenter Wärme in den gasförmigen Zustand übergeht und transportiert den Dampf zu ihrem äußeren Ende (5) mit Lei blechen, die dann von einem Wärmetrans ferfluid, das gas förmig oder aber flüssig ist, durchströmt werden . Bei klassischen Wärmeleitröhren , sog . Thermosyphon , erfolgt der Flüssigkeitsrücklauf nur über die Schwerkraft . Bei klassischen Wärmeleitröhren befindet sich im Rohr noch ein dochtartiges Material — der sog. Wiek- meist ein Sinterkörper, Gelege/Gerwirke oder ausgeformte Kanäle, welcher aufgrund von Kapillarwirkung und auch NukleationsWirkung die verflüssigte Flüssigkeit wieder effektiv in den heißen Bereich des Wärmeleitröhre zurückführt und Siedeverzüge an der Wärmeleitrohroberfläche vermeidet . Daher arbeiten Wärmeleitröhre mit Wieks sehr effektiv. Eine weitere Ausführungsform sind Loop-Heatpipes , welche als geschlossene Schleife das abgekühlte Gas als Flüssigkeit zurückführen . Hinsichtlich möglicher Wärmeleitröhre/Heatpipes wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf das Buch von David Reay und Peter Kew "Heat Pipes Theory, Design and Applications , 5. Auflage , Butterworth- Heinemann — Verlag 2006 hingewiesen, auf das vollinhaltlich Bezug genommen wird .

Fig. 6 zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmetrans- ferelements in einer Batterie oder Akkumulator mit daran angebrachter Wärmeleitfluidleitung . Deutlich erkennt man , dass die Wärmerohre (10) vertikal verlaufen und in einer als Wärmetauscher eingesetzten Fluidleitung — bspw . für Wasser enden . Das Wasser durchströmt den Wärmetauscher (20 ) mit den darin angeordneten Wärmeleitrohraußenab- schnitten , kühlt diese und kann als warmes Wasser sodann zum Heizen des Autos eingesetzt werden oder die Wärme in üblicher Weise im Kühler dissipieren, falls es an der Kühlfluidleitung angeschlossen ist .

Fig. 7 zeigt schematische eine Ausführungsform mit

Latentwärmespeicher . Die Wärmeleitrohraußenabschnitte (5) geben ihre Wärme an eine Latentwärmespeichereinheit (20) ab — bspw . Zeolith, aber auch Paraffine und sonstige Latentwärmespeieher, wie Acetate und andere Salze. Der so aufgeladene Wärmespeieher kann auch flüssig sein und einem LatentSpeicherfluidkreislauf angehören .