HABERMEIER, Hans-Peter (Regensburger Str. 118, Ingolstadt, 85055, DE)
MURLA, Peter (Jettenstetten 21, Taufkirchen / Jettenstetten, 84416, DE)
WETZEL, Guido (Seestraße 4, Neuburg, 86633, DE)
HABERMEIER, Hans-Peter (Regensburger Str. 118, Ingolstadt, 85055, DE)
MURLA, Peter (Jettenstetten 21, Taufkirchen / Jettenstetten, 84416, DE)
| Patentansprüche 1. Batterie (1), umfassend zumindest ein integriertes erstes Wärmetauschelement (3.1) zur Abführung von thermischer Energie aus der Batterie (1), das zumindest teilweise die Oberfläche der Batterie (1) bildet. 2. Batterie (1), nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) über einen ersten inte- grierten Kühlmittelkreislauf (1.1), der einen Austausch thermischer Energie zwischen Batterie (1) und dem ersten Wärmetauschelement (3.1) ermöglicht, verfügt. 3. Batterie (1) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (1.1) über eine in die Batterie (1) integrierte oder als separates externes Bauteil ausgeführte Pumpe (1.2), die eine Zirkulation eines im ersten Kühlmittelkreislauf (1.1) enthaltenen Kühlmittels ermöglicht, verfügt . 4. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauschelement (3.1) eine strukturierte Oberfläche aufweist. 5. Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauschelement (3.1) aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/ (m'K) , insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing oder metallischen Materialien besteht. 6. Kühlbares Batteriesystem, umfassend mindestens eine Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie pro Batterie (1) ein zweites Wärmetauschelement (3.2), das mit dem ersten Wärmetauschelement (3.1) reversibel in eine thermische Wirk- Verbindung bringbar ist. 7. Batteriesystem nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmetauschelement (3.2) aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/ (m'K) , insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing oder metallischen Materialien besteht. 8. Batteriesystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärme¬ tauschelement (3.2) mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf (2.1) in thermischer Wirkverbindung steht. 9. Batteriesystem nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf (2.1) über mindestens eine Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt (2.2) verfügt. 10. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmetauschelement (3.2) in eine Vorrichtung (2.3) integriert ist, die über eine Anschluss¬ möglichkeit (1.2.2) für die elektrische Versorgung der Pumpe (1.2) verfügt. 11. Verfahren zur Kühlung mindestens einer Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 0 in einem kühlbaren Batteriesystem nach einem der Ansprüche 0 bis 0, bei dem das erste Wärmetauschelement (3.1) der mindestens einen Batterie (1) in thermische Wirk- Verbindung mit dem zweiten Wärmetauschelement (3.2) gebracht wird, wobei das zweite Wärmetauschelement (3.2) auf einem geringeren Temperaturniveau gehalten wird, wie das Tempera¬ turniveau des ersten Wärmetauschelement (3.1) . 12. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Wärmetauschelement (3.1) auf das zweite Wärmetauschelement (3.2) übertragene Energie über den zweiten Kühlkreislauf (2) der mindestens einen Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt (2.2) zugeführt und an die Umwelt abgeführt wird. 13. Automobil, umfassend ein kühlbares Batteriesystem nach einem der Ansprüche 0 bis 0. 14. Automobil nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abführung thermischer Energi (2.2) der Fahrzeugkühlmittelkreislauf des Automobils ist. |
Kühlbares Batteriesystem, Verfahren zum Kühlen einer Batterie sowie Automobil mit kühlbarem Batteriesystem
Um Batterien mit großer Kapazität, insbesondere Lithium-Ionen- Batterien, herstellen und verwenden zu können, muss auf die Abfuhr der entstehenden Wärme geachtet werden. Für große Kapazitäten, wie sie z.B. zum Betrieb eines Elektrofahrzeuges benötigt werden, muss eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden um die Wärmekapazität entsprechend abführen zu können. Um die Kühlflüssigkeit immer ausreichend wärmeaufnahmefähig halten zu können, sollte diese Flüssigkeit in einem extra Kühler temperiert werden. Bei Konzepten mit Wechselbatterien muss dann immer der Anschluss an die Kühlung mit gewechselt werden. Das hat den Nachteil, dass die temperierte Verbindung von dem unter Druck stehenden Kühlkreislauf unterbrochen werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein kühlbares Batteriesystem anzugeben, bei dem die Abtrennung vom Kühlkreislauf auf einfache Art und Weise bewerkstelligt werden kann.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich eines Batteriesystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, bezüglich eines Verfahrens zur Kühlung einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie bezüglich eines Automobils mit den Merkmalen des Pa ¬ tentanspruchs 12 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Batterie bereitgestellt, die zumindest ein integriertes erstes Wärmetauschelement zur Ab ¬ führung von thermischer Energie aus der Batterie, das zumindest teilweise die Oberfläche der Batterie bildet, umfasst. Das integrierte erste Wärmetauschelement ist dabei fester Be ¬ standteil der Batterie und ist einstückig mit der Batterie ausgebildet. Das Wärmetauschelement der Batterie kann dabei bündig mit der Oberfläche abschließen, aber auch beispielsweise aus der Oberfläche herausragen oder in die Oberfläche der Batterie eingelassen sein.
Das Wärmetauschelement ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass es eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die restliche Oberfläche der Batterie, so dass ein gezielter effizienter Wärmeaustausch über das Wärmetauschelement der Batterie be ¬ werkstelligt werden kann.
In einer bevorzugten Aus führungs form verfügt die Batterie über einen ersten integrierten Kühlmittelkreislauf, der einen Austausch thermischer Energie zwischen Batterie und dem ersten Wärmetauschelement ermöglicht.
Über diesen integrierten Kühlmittelkreislauf ist ein effizienter Wärmeaustausch vom Ort der Entstehung überschüssiger thermischer Energie in der Batterie zum Wärmetauschelement möglich.
Vorteilhaft ist dabei, wenn der Kühlmittelkreislauf über eine in die Batterie integrierte oder als separates externes Bauteil ausgeführte Pumpe, die eine Zirkulation des im ersten Kühl ¬ mittelkreislauf enthaltenen Kühlmittels ermöglicht, verfügt.
Beispielhafte Kühlmittel, die im Kühlmittelkreislauf der Batterie enthalten sein können, sind Kühlmittel, die einen Wärmeaustausch in einem Temperaturbereich zwischen -50 °C und +150 °C erlauben.
Weiter bevorzugt ist, dass das erste Wärmetauschelement eine strukturierte Oberfläche aufweist. Eine derartige Struktu ¬ rierung besteht beispielsweise aus Erhebungen und Vertiefungen in der Oberfläche des Wärmetauschelements. Dies gewährleistet, dass die Oberfläche des Wärmetauschelements größer ist als wenn die Oberfläche des Wärmetauschelements plan wäre. Die größere Oberfläche ermöglicht eine höhere Wärmetauschrate und somit einen effizienteren Wärmetausch. Zudem gewährleistet eine strukturierte Oberfläche eine bessere haptische Anpassung eines weiteren Wärmetauschelements mit entsprechender entgegenge ¬ setzter Strukturierung, so dass die beiden entsprechend strukturierten Wärmetauschelemente formschlüssig ineinander eingreifen können. Auf eine derartige Aus führungs form wird weiter unten stehend zu Fig. 2 gesondert eingegangen.
In einer bevorzugten Aus führungs form besteht das erste Wärmetauschelement aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/ (m'K) , insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing, metallischen Materialien oder Materialien mit einem guten Wärmeübergangskoeffizient.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein kühlbares Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das über mindestens eine im Voranstehenden beschriebene Batterie verfügt. Zudem umfasst das erfindungs ¬ gemäße kühlbare Batteriesystem pro Batterie ein zweites Wär ¬ metauschelement, das mit dem ersten Wärmetauschelement re ¬ versibel in eine thermische Wirkverbindung bringbar ist.
Die thermische Wirkverbindung kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass das zweite Wärmetauschelement mit dem ersten Wärmetauschelement in mechanischem Kontakt gebracht wird. Dadurch wird ein Austausch von thermischer Energie zwischen den beiden Wärmetauschelementen ermöglicht.
Vorzugsweise besteht das zweite Wärmetauschelement aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 50 W/ (m'K) , insbesondere Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Gold, Messing, metallischen Materialien oder Materialien mit einem guten Wärmeübergangskoeffizient. In einer besonders bevorzugten Aus führungs form sind das erste und das zweite Wärmetauschelement aus dem gleichen Material gebildet.
Weiter ist vorteilhaft, wenn das zweite Wärmetauschelement mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf in thermischer Wirkverbindung steht. Das zweite Wärmetauschelement dient dabei der Abführung der thermischen Energie, die aus der Batterie über das erste Wärmetauschelement auf das zweite Wärmetauschelement übertragen wird .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form verfügt der zweite Kühlmittelkreislauf über mindestens eine Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt. Derartige Vor ¬ richtungen zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt können beispielsweise passive Vorrichtungen sein wie z.B. Kühlerrippen, Radiatoren etc., ebenso sind jedoch auch aktive Kühlvorrichtungen, wie beispielsweise Vorrichtungen, bei der die Wärme ¬ energie mit Hilfe eines Lüfters oder einer Pumpe abtransportiert wird .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form verfügt das Batteriesystem über eine Vorrichtung, die das zweite Wärmetauschelement als integralen Bestandteil beinhaltet. Diese Vorrichtung umfasst zudem eine Anschlussmöglichkeit für die elektrische Versorgung der Pumpe der Batterie; dabei ist die Anschlussmöglichkeit für die elektrische Versorgung bevorzugt als trennbare elektrische Verbindung, beispielsweise als Steckerverbindung, ausgebildet. Gemäß dieser Aus führungs form kann somit die Batterie sowohl in thermischer Verbindung mit dem zweiten Wärmetauschelement gebracht werden, gleichzeitig an die Vorrichtung angeschlossen werden, die über die zweite Wärmetauschrichtung verfügt, so dass ein elektrischer Betrieb der Pumpe der Batterie gewährleistet ist.
Weiter wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Kühlung einer erfindungsgemäßen Batterie in einem erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriesystem beschrieben, bei dem das erste Wärmetauschelement der mindestens einen Batterie in thermische Wirkverbindung mit dem zweiten Wärmetauschelement gebracht wird, wobei das zweite Wärmetauschelement auf einem geringeren Temperaturniveau ge ¬ halten wird, wie das Temperaturniveau des ersten Wärme ¬ tauschelement .
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht dabei auf dem Prinzip des Wärmeflusses vom heißeren zum kühleren Element. Dadurch, dass das zweite Wärmetauschelement des kühlbaren Batteriesystems auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehalten wird, kann Wärme effizient aus der Batterie ausgetragen und dem Kühlkreislauf des kühlbaren Batteriesystems zugeführt werden.
Weiter bevorzugt ist dabei, wenn die vom ersten Wärmetauschelement auf das zweite Wärmetauschelement übertragene Energie über den zweiten Kühlkreislauf der mindestens einen Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie an die Umwelt zugeführt und an die Umwelt abgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Automobil angegeben, das über ein kühlbares Batteriesystem, wie im Voranstehenden beschrieben, verfügt .
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der zweite Kühlkreislauf des kühlbaren Batteriesystems der Fahrzeugkühlmittelkreislauf des Automobils ist. Dadurch erübrigt sich ein separater Kühlmit ¬ telkreislauf für die Batterie, so dass eine äußerst effiziente und einfache Konstruktion möglich ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren sowie den nachfolgenden Ausführungsformen näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dargestellten Parameter und Ausführungen zu beschränken.
Dabei zeigt
Figur 1 eine erste Ausführungs form eines erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriesystems und
Figur 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriesystems. Figur 1A zeigt die wesentlichen Bestandteile des erfindungs ¬ gemäßen kühlbaren Batteriesystems. Dargestellt ist eine Batterie 1, die einen integrierten Kühlmittelkreislauf 1.1 aufweist. Dieser Kühlmittelkreislauf 1.1 beinhaltet ein vorzugsweise flüssiges Kühlmittel, das über eine Pumpe 1.2 zirkuliert werden kann. Ein Teil des Kühlmittelkreislaufs 1.1 steht dabei in thermischer Wirkverbindung mit dem ersten Wärmetauschelement 3.1, das der Batterie 1 zugeordnet ist. Das Wärmetauschelement 3.1 bildet dabei einen Teil der Oberfläche der Batterie 1 und ist in diesem Fall als erhabenes Element ausgeführt.
Das Gegenstück zur Batterie 1 bildet eine Kühlvorrichtung, die über ein zweites Wärmetauschelement 3.2 verfügt. In der in Figur 1A dargestellten Aus führungs form ist das zweite Wärmetauschelement 3.2 genau gleich dimensioniert wie das erste Wärme ¬ tauschelement 3.1. Das erste Wärmetauschelement 3.1 und das zweite Wärmetauschelement 3.2 bilden dabei einen zweiteiligen Wärmetauscher. Das zweite Wärmetauschelement 3.2 verfügt dabei über einen zweiten Kühlmittelkreislauf 2.1, mit dem es in thermischem Austausch steht. Dieser zweite Kühlmittelkreislauf
2.1 kann weiter über eine Vorrichtung zur Abführung thermischer Energie 2.2 verfügen, die im vorliegenden Fall beispielsweise der Kühlmittelkreislauf eines Automobils sein kann.
Zudem kann das zweite Wärmetauschelement 3.2 beispielsweise in oder an einem mechanischen Träger 2 für die Batterie angebaut bzw. integriert sein. Das kühlbare Batteriesystem kann dabei zudem über eine Vorrichtung 2.3, z.B. ein Gehäuse, verfügen, in die das zweite Wärmetauschelement 3.2 mitsamt seinen dazugehörigen Komponenten integriert ist.
In Figur 1B ist eine Aus führungs form dargestellt, in der die Batterie 1 über ihr Wärmetauschelement 3.1 mit dem zweiten Wärmetauschelement 3.2 in Verbindung gebracht ist. Der Über ¬ sichtlichkeit halber sind dabei einige der in Figur 1A dar ¬ gestellten Bezugszeichen weggelassen.
Die Aus führungs form gemäß Figur 2 ähnelt prinzipiell der
Ausführungsform gemäß Figur 1. Beide Wärmetauschelemente 3.1 und
3.2 weisen dabei pyramidenförmige Elemente an der Oberfläche auf, um eine möglichst große Oberfläche der Wärmetauschelemente und somit einen möglichst effizienten Austausch von thermischer Energie zu erzielen.
Zusätzlich dargestellt ist eine trennbare elektrische Verbindung 1.2.2, mit der die Pumpe 1.2 mit Strom versorgt werden kann. Die trennbare elektrische Verbindung 1.2.2 kann in dem Gehäuse 2.3 integriert sein, in der auch das zweite Wärmetauschelement 3.2 sitzt. Die trennbare elektrische Verbindung 1.2.2 kann bei ¬ spielsweise über das Bordnetz eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht daher prinzipiell auf folgender Idee: Es wird eine Kühlung über einen zweiteiligen Wärmetauscher 3.1, 3.2 vorgeschlagen, bei dem der Wärmetauscher trennbar gestaltet ist. Am Fahrzeug verbleibt die eine Hälfte des Wärmetauschers 3.2, die vorzugsweise ständig im Kühlkreislauf 2.2 des Fahrzeugs gekühlt wird.
Die andere Hälfte 3.1 des Wärmetauschers verbleibt in der Batterie 1. Wird die Batterie getauscht, wird diese Hälfte 3.1 des Wärmetauschers mit ausgewechselt (vgl. Fig. la) .
Die Kühlung kommt zustande, wenn die beiden Hälften 3.1, 3.2 des Wärmetauschers zusammengebracht werden, wie in Fig. lb skiz ¬ zenhaft gezeigt ist. Vorzugsweise weist die Batterie intern ein eigenes Umwälzsystem mit einem Kühlmittelkreislauf 1.1 und einer Umwälzpumpe 1.2 auf, wobei die Pumpe 1.2 über eine trennbare elektrische Verbindung 1.2.2 mit dem Bordnetz im Fahrzeug verbunden ist (vgl. Details auch in Fig. 2) . Fahrzeugseitig kann der am Fahrzeug befindliche Teil des Wärmetauschers 3.2 bei ¬ spielsweise in oder an den mechanischen Träger 2 für die Batterie angebaut bzw. integriert werden.
Für die vorliegende Erfindung können konstruktiv alle bekannten Wärmetauscher eingesetzt werden (z.B. Kreuzwärmetauscher oder Linearwärmetauscher) und sind die beiden Teile des Wärmetau ¬ schers natürlich auf eine möglichst gute großflächige thermische Kopplung optimiert. Es wird also ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie vorgestellt, bei dem ein Kühlkreislauf des Fahrzeugs mit einer Batterie in thermische Wirkverbindung gebracht wird. Damit die Batterie leicht abtrennbar wird, wird vorgeschlagen, die thermische Wirkverbindung über einen Wärmetauscher zu realisieren, welcher wiederum zweiteilig und trennbar ausgestaltet ist.
Dazu weist eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Batterie einen ersten Teil 3.1 eines Wärmetauschers auf, welcher mit einem zweiten Teil des Wärmetauschers 3.2 am Fahrzeug in thermische Wirkverbindung bringbar, beim Abtrennen der Batterie jedoch an der Batterie verbleibend ausgestaltet ist . Vorzugsweise ist die Batterie bzw. der daran befindliche Wärmetauscherteil 3.1 wiederum mit einem Umwälzsystem für Kühlflüssigkeit im Inneren der Batterie versehen ist.
Ebenso wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug beschrieben, bei dem eine Batterie über einen zweigeteilten, trennbaren Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist und gekühlt wird, wobei beim Ausbau der Batterie der Wärme ¬ tauscher geteilt wird und ein Teil des Wärmetauschers an der Batterie verbleibt. Dadurch kann eine direkte Kühlmittelleitung in die Batterie hin entfallen und wird ein ggfs. vorhandener Kühlmittelkreis 1.1 in der Batterie ebenso über diesen Wär ¬ metauscher 3.1, 3.2 indirekt gekühlt und kann somit vom
Kühlmittel im Fahrzeugkühlmittelkreislauf 2.2 getrennt werden.
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