ENERGIESPEICHER MIT EINER OBERFLÄCHE UND EINEM. DEN ENERGIESPEICHER UMGEBENDES FLUID

Titel

Enerqiespeicher

Stand der Technik

Ein derartiger Energiespeicher ist bekannt, wobei unter dem Begriff Energiespeicher im Zusammenhang mit dieser Patentanmeldung sowohl Kondensatoren als auch Batterien zu verstehen sind. Dabei umfasst der Begriff Batterien auch Ak- kumulatoren, welche über viele Zyklen elektrisch geladen und wieder entladen werden können. Batterien bestehen aus einzelnen galvanischen Zellen, den Batteriezellen, die eine für die verwendete Materialkombination der Zelle charakteristische Spannung liefern. Um aus diesen Batteriezellen eine Batterie aufzubauen, die die geforderten Leistungs- und Energiemengen liefern kann, werden die ein- zelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Zum Heizen und/oder Kühlen der jeweiligen Energiespeicher sind in der Regel flüssige oder gasförmige Fluide vorgesehen, die an der Oberfläche der Energiespeicher vorbeigeführt werden oder dieses umgeben. Wird ein Körper mit niedriger Geschwindigkeit angeströmt, fließt die Strömung laminar, also ohne Turbulenzen. Bei einer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit lösen sich die Wirbel von der

Oberfläche des umströmenden Körpers ab und bilden ein mehr oder weniger periodisch verlaufendes Wirbelsystem aus. Diese Wirbelstraße aus sich am umströmten Körper bildenden, von der Strömung fortgetriebenen und schließlich dissipierten Wirbeln bildet die sogenannte Karmansche Wirbelstraße. Dabei ent- stehen einzelne Wirbel an der jeweils linken und rechten Seite des umströmten

Körpers, welche sich entgegengesetzt zueinander drehen. Die Strömung zwi- schen diesen beiden Wirbeln verläuft in Richtung des umströmten Körpers und somit gegenläufig zu der eigentlichen, äußeren Strömung. Dabei erweist sich allerdings als nachteilig, dass durch die Kärmänsche Wirbelstraße der Strömungswiderstand der Energiespeicher steigt und damit der Energiebedarf für die Be- reitstellung der Fluidströmung erhöht wird. Darüber hinaus werden durch eine

Karmansche Wirbelstraße sowohl Geräuschemissionen als auch Schwingungen im System angeregt, wobei letztere im Resonanzfall negative Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit haben. Je nach Einsatzbereich werden unterschiedlich hohe Anforderungen an die Lebensdauer derartiger Energiespeicher gestellt, welche nur eingehalten werden können, wenn das Temperaturniveau auf der der Energiespeicheroberfläche entsprechend gesenkt werden kann. Das Kühlsystem für derartige Energiespeicher ist somit umso effizienter, je homogener das Temperaturniveau der einzelnen Energiespeicher ist und umso weniger Energie aufgewendet werden muss, um die Verlustleistung vom Energiespeichern abzuführen.

Offenbarung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher weist eine Oberfläche und ein den E- nergiespeicher umgebendes Fluid auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Energiespeichers zumindest bereichsweise Elemente aufweist, wobei die Elemente das Fluid derart beeinflussen, dass eine turbulente Strömung entsteht. Dabei mach sich die Erfindung grundsätzlich das Prinzip einer mikroturbulenten Oberfläche zu nutze, bei der laminare Strömungsbereiche aufgrund von Querströmungen derart angeregt werden, dass Strömungsumschlag innerhalb der Grenzschicht von laminar zu turbulent entsteht. Auf diese Weise kann eine bessere Durchmischung des oberflächennahen Fluids mit dem kühleren Fluid in der ferneren Umgebung des Energiespeichers erzielt werden. Gleichzeitig bewirkt dieser Strömungsumschlag, dass bei quer angeströmten zylindrischen E- nergiespeichern die Ausbildung einer Karmanschen Wirbelstraße vermeidbar ist.

Vorteilhafterweise umfasst die Oberfläche des Energiespeichers einen glatten Oberflächenbereich, wobei die Elemente zumindest bereichsweise, vorteilhafterweise aber im Wesentlichen flächendeckend, aus dem Oberflächenmaterial nach außen hervorstehend und/oder innen vertieft ausgebildet sind, wobei denkbar ist, dass- zumindest in einem Bereich - die Elemente im Wesentlichen als sphäri- sche und/oder polygonale Vertiefungen und/oder Schlitze und/oder als sphärische und/oder polygonale Erhöhungen und/oder Formen und/oder Rippen ausgebildet sind. Eine derartige Oberflächenstruktur verringert sowohl den Strömungswiderstand als auch die Ausbildung von Ablösezonen. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einem querangeströmten zylindrischen Energiespeicher erst bei einer höheren Anströmgeschwindigkeit eine Karmansche Wirbelstraße ausgebildet werden, wobei die Rezirkulationszonen im Nachlauf der des quer angeströmten Energiespeichers kleiner sind, so dass einerseits die entstehenden Geräuschemissionen reduziert werden können und andererseits ein geringerer Strömungswiderstand und damit ein geringerer Energieaufwand für das Kühlsystem notwendig ist. Bei einem längsangeströmten zylindrischen Energiespeicher hingegen wird ein besserer Wärmeübergang erzeugt, weswegen diese Variante für eine höhere Leistungsdicht eingesetzt werden kann. Durch die Elemente entstehen somit turbulente und/oder mikroturbulente Strömungen, wodurch das FIu- id an den Grenzschichten der Oberfläche besser zirkuliert, so dass ein homogener Wärmeübergang zwischen den einzelnen Energiespeichern gewährleistet und der jeweilige Temperaturunterschied verringert werden kann.

Vorteilhafterweise sind dabei mehrere Energiespeicher parallel zueinander und nebeneinander ausgerichtet, so dass das Fluid jeweils zwischen zwei benachbarten Energiespeichern vorbeiströmt und den Wärmetransfer zwischen den einzelnen Energiespeichern, also einen direkten Wärmeaustausch zwischen diesen, ermöglicht. Um das Fluid zum Energiespeicher hin- und/oder von dem Energiespeicher wegzuleiten sind in der Regel zusätzliche Wärmetransporteinrichtun- gen, wie beispielsweise eine Zu- und Abfuhrleitung für das Fluid vorgesehen.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher um einen elektrochemischen Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator, und/ oder einen elektrischen Energiespeicher, wie bei- spielsweise einen Kondensator. Dabei ist die wiederaufladbare Batterie (der Akkumulator) ein über viele Zyklen elektrisch ladbarer und wieder entladbarer elektrochemischer Energiespeicher, der einzelne galvanische Zellen, die Batteriezellen, aufweist, die eine für die verwendete Materialkombination der jeweiligen Zelle charakteristische Spannung liefern. Insbesondere handelt es sich um Energie- Speicher mit Lithium Ionen Technologie. Ferner ist die äußere Form des Energiespeichers nicht festgelegt und kann sowohl eckige als auch runde, flache, dicke, längliche und/oder gestauchte Formen aufweisen. Um eine geforderte Leistungsund Energiekapazität der Batterie zu erreichen, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Ein Batterieelement der Batterie ist eine einzelne Batteriezelle oder eine kompakte Batterieanordnung mitein- ander elektrisch verschalteter Batteriezellen, wobei die einzelne Batteriezelle die kleinste Elemente-Einheit der Batterie ist.

Bevorzugt ist das Fluid ein flüssiges Fluid, also eine Flüssigkeit, oder ein gasförmiges Fluid, also ein Gas, wobei bevorzugt eine Pumpeinrichtung zur Zufuhr und/oder Abfuhr des Fluid vorgesehen ist. Anstelle einer aktiven Luftbewegung wird als Gas vorzugsweise die Umgebungsluft des Energiespeichers und für die Pumpeinrichtung ein Lüfter verwendet. So kann beispielsweise bei Fahrzeugen als gasförmiges Fluid der Fahrtwind verwendet werden, welcher unmittelbar am Einbauort selber zur Verfügung steht. Denkbar ist aber auch die Verwendung ei- ner natürlichen Konvektionsströmung als gasförmiges Fluid.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Oberfläche des Energiespeichers- zumindest teilweise - aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise einem thermisch leitfähigen Kunststoffmaterial oder Metall. Aufgrund des Herstellungsprozesses von sowohl Kondensatoren als auch Batterien, welcher in der Regel einen Fügeprozess beinhaltet, ist es besonders vorteilhaft, dass die Elemente unmittelbar aus dem Oberflächenmaterial des Energiespeichers selbst geprägt, gepresst und/oder gebördelt werden können. Dabei ist ein Kupfer- oder Aluminiummaterial besonders vorteilhaft. Alternativ ist aber auch eine Aufprägung der Elemente auf die Oberfläche denkbar, wenn kein

Fügeprozess durchgeführt wird. Ferner können die Elemente bereits bei der Herstellung des Oberflächenmaterials, bzw. der Außenhülse des Energiespeichers hergestellt werden, so dass ein zusätzlicher Fertigungsschritt während der Herstellung des Energiespeichers unnötig ist.

Der Energiespeicher ist insbesondere für ein Hybridfahrzeug und/oder ein Elekt- rofahrzeug geeignet, wobei der Energiespeicher in diesem Fall besonders bevorzugt als Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet ist. Darüber hinaus ist der Energiespeicher insbesondere für elektrische Schal- tungen, zum Beispiel in Steuergeräten geeignet, wobei er in diesem Fall besonders bevorzugt als Elektrolytkondensator ausgebildet ist. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Energiespeichers;

Fig. 2a eine Detailansicht des Bereichs A aus Fig. 1 mit einer ersten möglichen

Oberflächenvariante des Energiespeichers;

Fig. 2b eine Detailansicht des Bereichs A aus Fig. 1 mit einer zweiten möglichen

Oberflächenvariante des Energiespeichers.

Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Energiespeicher 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher 10 eine einzelne Batteriezelle jeweils zwei Kontaktelementen 20, 25, einem Plus-Pol 20 und einem Minus-Pol 25. Der Energiespeicher 10 ist im Wesentlichen quaderförmig und weist eine Oberfläche 15 auf. Die Oberfläche 15 umfasst ein Flächenpaar gegenüberliegender Seitenflächen, die deutlich größer sind, als die Flächen der anderen Flächenpaa- re. An einer ersten Fläche einer der anderen Flächenpaare des Energiespeichers

10 sind die jeweils zwei Kontakteelemente 20, 25 der Batteriezelle angeordnet. Die im Betrieb des Energiespeichers 10 entstehende Abwärme wird über ein Fluid, welches unmittelbar an der Oberfläche 15 des Energiespeichers 10 vorbeigeleitet wird, abgeführt. Auf diese Weise können mehrere nebeneinander und/oder hintereinander angeordnete Energiespeicher 10 untereinander thermisch gut leitend verbunden werden. Die Oberfläche 15 des Energiespeichers 10 weist erfindungsgemäße zumindest bereichsweise Elemente 16, 17 auf, welche das Fluid derart beeinflussen, dass eine turbulente/mikroturbulente Strömung entsteht, die innerhalb des Fluid Wirbel ausbildet. In den Fig. 2a und 2b sind zwei mögliche Ausführungsvarianten einer derartigen Oberflächenstruktur dargestellt, wobei die

Oberfläche 15 in der Fig. 2a mehrere Vertiefungen aufweist und eine Art Golf- ballstruktur 16 ausbildet. Dagegen weist die Oberfläche 15 in der Fig. 2b mehrere schuppenartige Elemente 17, die einer Haifischhaut ähneln, auf. Grundsätzlich ist aber jede Oberflächenstrukturen denkbar, welche bei den gängigen Anströ- mungsgeschwindigkeiten des Fluid eine turbulente und/oder mikroturbulente Strömung verursachen und dabei derartige Wirbel innerhalb des Fluid ausbilden kann. Diese Wirbel liegen vorzugsweise nahe an der unteren Dissipationsgrenze, so dass eine bessere Durchmischung des Fluid gewährleistet, ein homogener Wärmeübergang ermöglicht und der Temperaturunterschied zwischen den Energiespeichern 10 verringert werden kann. Auf diese Weise weisen alle Energie- Speicher 10 an der Oberfläche 15 nahezu die gleiche Temperatur auf, so dass der Temperaturunterschied zwischen jeder einzelnen Seitenflächen/Oberflächen 15 der Energiespeicher 10 und/oder der einzelnen Seitenflächen/Oberflächen 15 untereinander im gesamten Arbeits-Temperaturbereich des Energiespeichers nur wenige Kelvin (K) beträgt. Da das Fluid zumeist zum Kühlen des Energiespei- chers 10 genutzt wird, wird es auch als Kühlmittel und der entsprechende Kreislauf als Kühlmittelkreislauf bezeichnet. Das Fluid ist vorzugsweise ein wasserbasiertes, ölbasiertes oder gasförmiges Kühlmittel.