HOHENTHANNER, Claus-Rupert (Liesingstrasse 5, Hanau, 63457, DE)
SCHAEFER, Tim (Am Sportplatz 15, Niedersachswerfen, 99762, DE)
HOHENTHANNER, Claus-Rupert (Liesingstrasse 5, Hanau, 63457, DE)
| P a t e n t a n s p r ü c h e Wärmeabfuhreinrichtung (1 ), welche aufweist eine erste Messeinrichtung (2), welche zur Erfassung eines physikalischen Parameters vorgesehen ist, und eine Wärmeleiteinrichtung (3), welche zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung (4) vorgesehen ist, wobei die Wärmeleiteinrichtung (3) einen Wärmequellenkontaktbereich (5) aufweist, welcher zur wärmeleitenden Berührung der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung (4) vorgesehen ist, wobei die Wärmeleiteinrichtung (3) weiter einen Wärmeabgabebereich (6, 6a) aufweist, welcher zur Abgabe von Wärmeenergie an ein Pro- zessfluid (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung (2) zur Erfassung einer Temperatur im Wärmequellenkontaktbereich (5) vorgesehen ist, und dass vorzugsweise die elektrochemische Energiespeichereinrichtung (4) gegen den Wärmequellenkontaktbereich (5) vorgespannt ist. 2. Wärmeabfuhreinrichtung (1 ) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung (2) zum Erfassen eines zweidimensionalen Temperaturprofils vorgesehen ist. Wärmeabfuhreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch, einen Messfühler (8, 8a) zum Erfassen insbesondere eines Drucks und/oder des Vorliegens einer Substanz, wobei der Messfühler mit der ersten Messeinrichtung (2) signalverbunden ist, einen Datenspeicher (9), welcher zum Abspeichern eines Messwerts einer ersten Messeinrichtung (2) vorgesehen ist, insbesondere gemeinsam mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Messung ist, einen ersten Fluidkanal (10), welcher zur Aufnahme eines Prozessfluids (7) vorgesehen ist, eine elektrische Schalteinrichtung (11 , 11a), welche vorgesehen ist, einen Austausch elektrischer Energie mit der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung (4) zu unterbrechen, eine Signalübertragungseinrichtung (12), welche vorgesehen ist, insbesondere einen Messwert an einen externen Empfänger zu übertragen, eine Steuereinheit (13), welche vorgesehen ist, die erste Messeinrichtung (2), die elektrische Schalteinrichtung (11 , 11a), den Datenspeicher (9) und/oder die Signalübertragungseinrichtung (12) anzusteuern, und/oder eine elektrische Kontakteinrichtung (14), welche vorgesehen ist, mit einem elektrischen Verbraucher verbunden zu sein. Batterie (15) mit einer Wärmeabfuhreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche und zwei elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (4, 4a), dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Wärmeabfuhreinrichtung (1) an die Gestalt der elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen (4, 4a) angepasst ist, und dass die Wärmeabfuhreinrichtung (1) bereichsweise zwischen den zwei elektrochemischen Energiespeichereinrichtung (4, 4a) angeordnet ist. Batterie (15) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Batteriesteuereinrichtung (16) aufweist, welche vorgesehen ist, mit einer Steuereinheit (13) zeitweise ein vorbestimmtes Signal auszutauschen. 6. Verfahren zum Betrieb einer Batterie (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: a) Erfassen eines physikalischen Parameters, insbesondere zumindest einer Temperatur, einer zu der Wärmeabfuhreinrichtung (1) benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung (4), und b) Abspeichern des physikalischen Parameters in einem Datenspeicher insbesondere gemeinsam mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Messung ist. Verfahren nach Anspruch 6 mit den Schritten: c) Vergleichen des gemäß Schritt a) erfassten physikalischen Parameters mit einem Zielwert, c) Übertragen zumindest eines vorbestimmten Signals an eine übergeordnete Steuerung, und/oder d) Betätigen einer elektrischen Schalteinrichtung (1 1 ). |
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeabfuhreinrichtung und eine Batterie, welche diese Wärmeabfuhreinrichtung aufweist. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von KFZ-Antrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Bauart der Batterie, deren galvanischen Zellen oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Verwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien mit mehreren elektrochemischen E- nergiespeichereinrichtungen zur Versorgung von KFZ-Antrieben bekannt. Eini- gen Bauarten ist eine vorzeitige Alterung gemein, was einen kostenträchtigen Austausch der Batterien nach sich zieht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Betriebsdauer der Batterie zu verlängern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprü- che gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung weist eine erste Messeinrichtung auf. Diese ist zur Erfassung eines physikalischen Parameters vorgesehen. Die erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung weist eine Wärmeleit- einrichtung auf. Diese ist zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer benach- barten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung vorgesehen. Dazu weist die Wärmeleiteinrichtung einen, vorzugsweise zwei, drei, vier oder mehr, Wärmequellenkontaktbereiche auf. Der Wärmequellenkontaktbereich ist zur wärmeleitenden Berührung einer benachbarten elektrochemischen Energiespeicherein- richtung vorgesehen. Weiter weist die Wärmeleiteinrichtung einen Wärmeabgabebereich auf, welcher an den Wärmequellenkontaktbereich grenzt. Der Wärmeabgabebereich ist zur Abgabe von Wärmeenergie an ein Prozessfluid vorgesehen. Die Wärmeabfuhreinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung vorgesehen ist, eine Temperatur im Wärmequellenkontaktbe- reich zu erfassen, vorzugsweise an einem vorbestimmten Ort im Wärmequellenkontaktbereich. Erfindungsgemäß ist die elektrochemische Energiespeichereinrichtung gegen den Wärmequellenkontaktbereich vorgespannt, wodurch vorteilhaft die wärmeleitende Berührung zwischen der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung und der Wärmeabfuhreinrichtung verbessert ist. Vorteil- haft ist auch die Erfassung des physikalischen Parameters durch die erste Messeinrichtung verbessert.
Unter einer Wärmeabfuhreinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Abfuhr von Wärmeenergie aus zumindest einer oder mehreren, vorzugsweise zwei oder drei benachbarten elektro- chemischen Energiespeichereinrichtungen dient. Vorzugsweise führt dieselbe Wärmeabfuhreinrichtung Wärmeenergie zeitgleich aus mehreren elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen ab. Vorzugsweise führt die Wärmeabfuhreinrichtung zumindest einer benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung zeitweise Wärmeenergie zu. Unter einer ersten Messeinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Erfassung zumindest eines physikalischen Parameters dient. Vorteilhaft weist die erste Messeinrichtung zumindest einen Messfühler auf, vorzugsweise mehrere Messfühler, welche besonders bevorzugt zur Erfassung verschiedener physikalischer Parameter dienen. Vor- zugsweise erfasst die erste Messeinrichtung zeitgleich oder aufeinanderfolgend mehrere physikalische Parameter. Auch fällt ein Sensor zur Feststellung einer chemischen Substanz unter eine erste Messeinrichtung im Sinne der Erfindung. Bevorzugt zeigt diese erste Messeinrichtung eine chemische Substanz aus dem Inneren der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung an. Vorzugsweise ist eine erste Messeinrichtung in einer Begrenzungsfläche der Wärmeabfuhreinrichtung angeordnet, insbesondere in einer Begrenzungsfläche deren Wärmeleiteinrichtung und/oder deren Wärmequellenkontaktbereich. Vorzugsweise sind der Wärmeabfuhreinrichtung mehrere erste Messeinrichtungen zugeordnet. Vorzugsweise leistet die erste Messeinrichtung auch die selbst- ständige gleichzeitige oder aufeinander folgende Abfrage ihrer Messfühler. Vorzugsweise erfasst die erste Messeinrichtung Messwerte zu physikalischen Parametern gemeinsam mit einem Wert, welcher charakteristisch für den Zeitpunkt der Abfrage ist. Vorzugsweise führt die erste Messeinrichtung eine Verdichtung der abgefragten physikalischen Parameter durch, besonders bevorzugt mittels Bildung eines zeitlichen Mittelwerts. Vorzugsweise wirkt die erste Messeinrichtung auch als Tiefpassfilter auf die erfassten physikalischen Parameter.
Unter einem physikalischen Parameter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Temperatur, Druck, elektrische Spannung, Impedanz, elektrischer Strom und elektrischer Widerstand zu verstehen. Unter einer Wärmeleiteinrichtung im Sinne der Erfindung ist ein Körper zu verstehen, welcher insbesondere zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung dient. Vorzugsweise weist die Wärmeleiteinrichtung Aluminium und/oder Kupfer auf. Vorzugsweise ist die Wärmeleiteinrichtung im Wesentlichen plattenförmig mit mehreren Begren- zungsflächen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Wärmeleiteinrichtung, insbesondere zumindest eine Begrenzungsfläche, bereichsweise mit einer elektrisch isolierenden Substanz beschichtet. Vorzugsweise ist die Wärmeleiteinrichtung bereichsweise zwischen zwei elektrochemische Energiespeichereinrichtungen eingefügt. Vorzugsweise ist die Gestalt der Wärmeleiteinrichtung an eine benach- barte elektrochemische Energiespeichereinrichtung angepasst. Unter einem Wärmequellenkontaktbereich im Sinne der Erfindung ist ein Bereich der Wärmeleiteinrichtung zu verstehen, welcher insbesondere die benachbarte elektrochemische Energiespeichereinrichtung wärmeleitend berührt. Ein Wärmequellenkontaktbereich dient insbesondere als Durchtrittsfläche für einen Wärmestrom aus einer benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung und/oder in eine benachbarte elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise ist der Wärmequellenkontaktbereich auf einer Begrenzungsfläche der Wärmeleiteinrichtung angeordnet. Vorzugsweise weist die Wärmeleiteinrichtung mehrere Wärmequellenkontaktbereiche auf. Besonders bevorzugt weisen zumindest zwei Begrenzungsflächen der Wärmeleiteinrichtung je einen Wärmequellenkontaktbereich auf. Bevorzugt weist je ein Wärmequellenkontaktbereich je zumindest eine erste Messeinrichtung auf, vorzugsweise zwei, drei, vier oder mehr.
Unter einem Wärmeabgabereich im Sinne der Erfindung ist ein Bereich der Wärmeleiteinrichtung zu verstehen, welcher insbesondere der Abgabe von Wärmeenergie dient. Vorzugsweise gibt der Wärmeabgabebereich Wärmeenergie an ein Prozessfluid ab. Vorzugsweise ist der Wärmeabgabebereich benachbart zu einem Wärmequellenkontaktbereich derselben Wärmeleiteinrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist ein Wärmeabgabebereich an einer Begren- zungsfläche der Wärmeleiteinrichtung angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Wärmeabgabebereiche an zwei verschiedenen Begrenzungsflächen der Wärmeleiteinrichtung angeordnet. Vorzugsweise weist ein Wärmeabgabebereich zur Vergrößerung seiner Oberfläche angeformte Körper auf, insbesondere Rippen, Lamellen und/oder im Wesentlichen stabförmige Körper. Vorzugsweise wird der Wärmeabgabebereich von dem Prozessfluid angeströmt.
Unter einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere zur Aufnahme von elektrischer Energie, zum Abspeichern von elektrischer Energie in chemischer Form und/oder zur Abgabe von elektrischer Energie dient. Dazu weist die elekt- rochemische Energiespeichereinrichtung zumindest einen Elektrodenstapel, ei- nen Elektrolyt und eine Einhausung auf. Die der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung zugeführte elektrische Energie wird im Elektrodenstapel zunächst in chemische Energie gewandelt und auch als solche abgespeichert. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird zunächst chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Die Wandlung von elektrischer Energie in chemischer Energie oder in umgekehrter Richtung ist verlustbehaftet und geht mit unumkehrbaren chemischen Reaktionen einher. Diese unumkehrbaren chemischen Reaktionen bewirken eine Alterung der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Als Folge wird die nutzbare Ladekapazität der elektrochemischen Energiespei- chereinrichtung verringert. Insbesondere mit steigenden Temperaturen nehmen diese unumkehrbaren chemischen Reaktionen zu. Vorzugsweise ist die elektrochemische Energiespeichereinrichtung mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Elektrodenstapel oder einem im Wesentlichen zylinderförmigen Elektrodenwickel ausgestattet. Vorzugsweise ist die Einhausung der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung mit zumindest einem metallischen Formteil und/oder einer Verbundfolie ausgebildet. Vorzugsweise besteht eine wärmeleitfähige Verbindung zwischen einem Wärmequellenkontaktbereich der Wärmeleiteinrichtung und der Einhausung der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise sind ein Wärmequellenkontaktbereich und eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung geometrisch aneinander angepasst. Vorzugsweise ist ein Wärmeleitmittel zwischen der Einhausung der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung und einem benachbarten Wärmequellenkontaktbereich angeordnet, insbesondere ein Wärmeleitmittel zur Vergrößerung der vom Wärmestrom durchsetzten Querschnittsfläche des Wärmequellenkontaktbereichs und/oder der Einhausung der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung.
Unter einem Prozessfluid ist im Sinne der Erfindung ist ein flüssiges und/oder gasförmiges Medium zu verstehen, welches insbesondere zum Wärmetransport vorgesehen ist. Vorzugsweise dient das Prozessfluid zur Abfuhr von Wärmeenergie aus einem Wärmeabgabebereich der Wärmeleiteinrichtung. Vorzugs- weise strömt das Prozessfluid durch und/oder entlang eines Wärmeabgabebereichs. Vorzugsweise durchläuft das Prozessfluid bei einer vorbestimmten Tem- peratur einen Phasenübergang. Besonders bevorzugt liegt die vorbestimmte Temperatur für den Phasenübergang wenige Kelvin unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung, insbesondere 1 - 5 Kelvin. Besonders bevorzugt beträgt der Quotient aus vor- bestimmter Temperatur und maximal zulässiger Betriebstemperatur weniger als 0,9.
Mit einiger Näherung entspricht die im Wärmequellenkontaktbereich gemessene Temperatur der Wandtemperatur der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Mit Kenntnis dieser gemessenen Temperatur kann Auf- schluss über den Wärmestrom durch diesen Wärmequellenkontaktbereich gewonnen werden. Weiter kann aus der gemessenen Temperatur und einem rechnerischen Modell der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung deren örtlicher und zeitlicher Temperaturverlauf bestimmt werden. Sofern sich die gemessene Temperatur einer vorbestimmten Temperatur nähert, können Ab- stellmaßnahmen eingeleitet werden. Mit Begrenzung der maximalen Betriebstemperatur der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung kann auch deren vorzeitiger Alterung infolge unumkehrbarerer chemischer Reaktionen begegnet werden. So wird die Lebenserwartung elektrochemischen Energiespeichereinrichtung bzw. der übergeordneten Batterie verbessert und die zugrunde lie- gende Aufgabe gelöst.
Nachfolgend werden zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Vorteilhaft ist die erste Messeinrichtung zur Erfassung eines zweidimensionalen Temperaturprofils vorgesehen. Vorzugsweise weist die Wärmeabfuhreinrichtung je Wärmequellenkontaktbereich je eine erste Messeinrichtung und/oder je einen Temperaturfühler auf. Vorzugsweise ist ein Temperaturfühler in einer Begrenzungsfläche der Wärmeleiteinrichtung bzw. einem Wärmequellenkontaktbereich angeordnet. Vorzugsweise weist die erste Messeinrichtung mehrere Temperaturfühler auf, welche insbesondere in Form einer Matrix angeordnet sind. Vor- zugsweise fragt die erste Messeinrichtung diese Temperaturfühler zu vorbestimmten Zeitpunkten und/oder wiederholt ab. Vorzugsweise sind die Abstände zwischen benachbarten Temperaturfühlern in Bereichen hoher Temperatur der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung geringer bemessen. Vorzugswei- se sind die Temperaturfühler entlang höherer Temperaturgradienten dichter angeordnet. Vorzugsweise ist die erste Messeinrichtung mit einem zweidimensionalen Temperaturfühler ausgebildet, welcher einen Bereich der Einhausung mit einem Flächeninhalt größer als 0,5 cm 2 abdeckt. Besonders bevorzugt ist der Flächeninhalt der zweidimensionalen Temperaturfühler so groß wie die berüh- rende Fläche der Einhausung. Diese Ausführungsformen dienen insbesondere der Erkennung lokaler Temperaturmaxima und bietet die Grundlage zielgerichteter Einflussnahme zur Verlangsamung der Alterung einer benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung, insbesondere die erste Messein- richtung, zumindest einen Messfühler auf, der insbesondere zum Erfassen eines Drucks und/oder des Vorliegens einer Substanz vorgesehen ist. Dieser Messfühler ist mit der ersten Messeinrichtung signalverbunden, welche den Messfühler zu vorbestimmten Zeitpunkten abfragt. Vorzugsweise ist der Messfühler als Drucksensor ausgebildet und besonders bevorzugt in einen Wärmquellenkon- taktbereich eingelassen. Vorteilhaft dient dieser Drucksensor zur Erfassung des Innendrucks der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise stellt der Messfühler das Vorliegen einer Substanz auf Grundlage von deren elektrischer Leitfähigkeit und/oder die Elektrizitätskonstante fest. Vorzugsweise ist dieser Messfühler zum Erfassen einer Substanz am unteren Ende der Wärmeleiteinrichtung oder eines Wärmequellenkontaktbereichs angeordnet und ist bevorzugt in einen Wärmquellenkontaktbereich eingelassen. Vorzugsweise ist der Messfühler zum Erfassen einer Substanz im Bereich einer Sollbruchstelle der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung an einer Begrenzungsfläche der Wärmeleiteinrichtung angeordnet. Vorzugsweise sind die vorgenannten Messfühler auf eine Begrenzungsfläche der Wärmeleit- einrichtung aufgeklebt. Vorzugsweise sind die elektrischen Zuleitungen der vorgenannten Messfühler zu der ersten Messeinrichtung geführt.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung einen Datenspeicher auf, welcher insbesondere zum Abspeichern der Messwerte der ersten Messeinrichtung eingerichtet ist. Vorzugsweise speichert die erste Messeinrichtung wiederholt Messwerte gemeinsam mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Messung ist, in diesen Datenspeicher ab. Vorteilhaft weist der Datenspeicher nach und nach diskontinuierliche zeitliche Verläufe der erfassten physikalischen Parameter auf. Vorzugsweise stellt der Datenspeicher einer Steuereinheit auf Anfrage gespeicherte Daten zur Verfügung. Vorzugsweise sind in dem Datenspeicher Informationen zur Umrechnung einer von einem Messfühler abgegebenen Spannung und/oder Strom zur Umrechnung in physikalische Parameter abgespeichert.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung einen ersten Fluidkanal auf. Dieser ist insbesondere zur Aufnahme eines Prozessfluids vorgesehen. Vorzugsweise ist der Fluidkanal innerhalb des Wärmeabgabebereichs angeordnet. Vorzugsweise ist der erste Fluidkanal von einem Prozessfluid durchströmt. Vorzugsweise durchströmt das Prozessfluid den ersten Fluidkanal abhängig von einem erfassten physikalischen Parameter, insbesondere einer Temperatur der elektro- chemischen Energiespeichereinrichtung. Ein erster Fluidkanal dient vorteilhaft der Abfuhr von Wärmeenergie aus einem Wärmeabgabebereich mittels eines geführten Prozessfluids. Vorzugsweise dient ein erster Fluidkanal der Zufuhr von Wärmeenergie in einen Wärmeabgabebereich.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung eine elektrische Schalteinrichtung auf. Diese ist insbesondere vorgesehen, eine elektrischen Strom in oder aus der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung zu unterbrechen. Vorzugsweise ist die elektrische Schalteinrichtung zwischen einer elektrochemische Energiespeichereinrichtung und einem angeschlossenen Verbraucher angeordnet. Die elektrische Schalteinrichtung ist vorgesehen, einen elektrischen Strom in oder aus der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung abhängig von erfassten physikalischen Parametern zu unterbrechen. Vorzugsweise ist die elektrische Schalteinrichtung mit einer Steuereinheit verbunden. Vorzugsweise kann mit der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung elektrische Ener- gie nur durch die elektrische Schalteinrichtung ausgetauscht werden. Vorzugsweise empfängt die elektrische Schalteinrichtung von der Steuereinheit ein vorbestimmtes Signal und unterbricht einen elektrischen Strom zwischen der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung und einem Verbraucher. Mit Öffnen der elektrischen Schalteinrichtung kann vorteilhaft der weiteren Erwärmung der benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung insbesondere in Folge elektrischer Heizleistung entgegengewirkt werden. Vorzugsweise ist die elektrische Schalteinrichtung als Transistor, Thyristor oder als Relais ausgebildet. Vorzugsweise unterbricht eine elektrische Schalteinrichtung eine Parallel- oder Reihenschaltung zweier elektrochemischen Energiespei- chereinrichtungen nach Erhalt eines vorbestimmten Signals von einer Steuereinheit. Vorzugsweise leistet eine elektrische Schalteinrichtung die Überbrückung einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen nach Erhalt eines vorbestimmten Signals von einer Steuereinheit.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung eine Signalübertragungseinrich- tung auf. Diese dient insbesondere der Übertragung von Signalen an eine externe Steuerung auf Abruf. Vorteilhaft überträgt die Signalübertragungseinrichtung Signale von der ersten Messeinrichtung, einer Steuereinheit und/oder dem Datenspeicher an einen externen Empfänger. Vorzugsweise überträgt die Signalübertragungseinrichtung ein Signal an eine elektrische Schalteinrichtung und/oder einen Datenspeicher der Wärmeabfuhreinrichtung. Vorzugsweise ist die Signalübertragungseinrichtung als Transponder ausgebildet. Vorzugsweise übermittelt die Signalübertragungseinrichtung auch eine Kennung.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung eine Steuereinheit auf. Diese Steuereinheit steuert insbesondere die vorhandenen ersten Messeinrichtungen, elektrische Schalteinrichtungen, Datenspeicher und/oder die Signalübertra- gungseinrichtung. Vorzugsweise ist die Steuereinheit eingerichtet, einen erfass- ten physikalischen Parameter mit einem Zielwert zu vergleichen. Vorzugsweise steuert die Steuereinheit die Signalübertragungseinrichtung und/oder eine elektrische Schalteinrichtung in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs an. Besonders bevorzugt steuert die Steuereinheit die elektrische Schalteinrichtung und die Signalübertragungseinrichtung an, wenn eine erfasste Temperatur und/oder ein erfasster Druck zugehörige Zielwerte überschreiten. Vorzugsweise steuert die Steuereinheit eine elektrische Schalteinrichtung und die Signalübertragungseinrichtung an, wenn ein Messfühler das Vorliegen einer vorbestimmten Substanz anzeigt, insbesondere das Vorliegen von Elektrolyt aus dem Inneren der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung.
Vorteilhaft weist die Wärmeabfuhreinrichtung ein oder zwei Kontakteinrichtungen auf. Eine Kontakteinrichtung ist insbesondere mit einem elektrischen Verbraucher verbunden, vorzugsweise über eine Stromschiene, Stromkabel oder Stromband. Weiter ist die Kontakteinrichtung zumindest mittelbar mit einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung verbunden. Vorzugsweise ist eine elektrische Schalteinrichtung zwischen der Kontakteinrichtung und der zugehörigen elektrochemischen Energiespeichereinrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist die Kontakteinrichtung als Polklemme oder Schraubanschluss für eine Stromschiene, Stromkabel oder Stromband ausgebildet.
Vorteilhaft weist eine Batterie zumindest eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung und zwei elektrochemische Energiespeichereinrichtungen auf. Vorzugsweise weist die Batterie vier oder mehr elektrochemische Energiespeichereinrichtungen auf, welche in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise sind je zwei elektrochemische Energiespeichereinrichtungen von einer erfindungsgemäßen Wärmeabfuhreinrichtung getrennt. Vorzugsweise sind die elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen und die dazwischenliegenden Wärmeabfuhreinrichtungen gegeneinander vorgespannt. Vorzugsweise sind die elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen als im Wesentlichen plattenförmige Flachzellen ausgebildet. Die zwischenliegenden Wärmeabfuhreinrichtungen sind ebenfalls plattenförmig ausgebildet und erstrecken sich teilweise über die Ränder der elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen hinaus. Vorzugsweise erstrecken sich die Wärmeabgabebereiche der Wärmeabfuhreinrichtungen über die benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen hinaus. Vor- 5 zugsweise weisen die Wärmeabgabebereiche erste Fluidkanäle auf, welche miteinander zu einem gemeinsamen Kanal für ein Prozessfluid verbunden sind. Vorzugsweise sind die elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen mit e- lektrischen Schalteinrichtungen der Wärmeabfuhreinrichtungen verbunden. Vorzugsweise weisen zwei der Wärmeabfuhreinrichtungen je eine Kontakteinrich- 10 tung auf.
Vorteilhaft tauscht zumindest eine der Signalübertragungseinrichtungen zeitweise ein vorbestimmtes Signal mit einer Batteriesteuereinrichtung aus. Das vorbestimmte Signal gibt insbesondere Aufschluss über den Betriebszustand einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Vorzugsweise erhält die Bartel s riesteuereinrichtung ein Signal von einer Steuereinheit über eine Signalübertragungseinrichtung, wenn eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung der Batterie sich einem unerwünschten Betriebszustand nähert oder diesen schon eingenommen hat. Vorzugsweise erhält die Batteriesteuereinrichtung zu zuvor bestimmten Zeitpunkten, insbesondere periodisch, von den Signalübertragungs- 20 einrichtungen vorbestimmte Signale, welche Aufschluss über die einwandfreie Funktion dieser Signalübertragungseinrichtungen geben. Dazu werden die Signalübertragungseinrichtungen nach diesem vorbestimmten Zeitplan von den zugehörigen Steuereinheiten angesteuert. Vorzugsweise erhält die Batteriesteuereinrichtungen von den einzelnen Steuereinheiten ein Signal nach Anschluss 25 eines Ladevorgangs der angeschlossenen elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen, welches Aufschluss über die zugeführte elektrische Ladung gibt. Auf Abruf erhält die Batteriesteuereinrichtung vorbestimmte Daten aus dem Datenspeicher, insbesondere zweidimensionale Temperaturprofile gemeinsam mit einem Wert, welcher charakteristisch für den Zeitpunkt der Erfassung ist. 30 Vorzugsweise erhält die Batteriesteuereinheit ein vorbestimmtes Signal, welches das Vorliegen einer chemischen Substanz anzeigt. Vorzugsweise teilt die Batte- riesteuereinheit einer übergeordneten Steuerung ein Signal mit, welches Auf- schluss über das Vorliegen eines unerwünschter Betriebszustands gibt, insbesondere eine unerwünscht hohe Temperatur einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Vorteilhaft wird eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Wärmeabfuhreinrichtung derart betrieben, dass zunächst ein physikalischer Parameter einer zu der Wärmeabfuhreinrichtung benachbarten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung ermittelt wird. Dazu wird ein Messfühler der ersten Messeinrichtung abgefragt. Die erste Messeinrichtung rechnet das Signal des Messfühlers in einen Messwert zu dem erfassten physikalischen Parameter um, insbesondere an Hand einer im Datenspeicher abgelegten Umrechnungsrelation. Vorzugsweise erfolgt die Abfrage zu vorbestimmten ersten Zeitpunkten, insbesondere mehrere Male pro Sekunde. Die erste Messeinrichtung verdichtet die abgefragten Werte zu einem zeitlichen Mittelwert. Zu vorbestimmten zweiten Zeitpunkten übermittelt die erste Messeinrichtung den zeitlichen Mittelwert zu einem während eines vorbestimmten Zeitintervalls erfassten physikalischen Parameter an den Datenspeicher, insbesondere gemeinsam mit einem Wert, welcher stellvertretend für die zeitliche Mitte des vorbestimmten Zeitintervalls ist. Vorzugsweise fragt die erste Messeinrichtung nacheinander mehrere Messfühler ab, mittelt die Signale zeitlich, rechnet die zeitlich gemittelten Signale in Werte zu physikalischen Parametern um und übermittelt diese Werte an den Datenspeicher, insbesondere gemeinsam mit einem Wert, welcher stellvertretend für die zeitliche Mitte des vorbestimmten Zeitintervalls ist. Vorteilhaft entstehen nach diesem Verfahren im Datenspeicher diskrete zeitliche Verläufe der erfassten physikali- sehen Parameter.
Vorteilhaft vergleicht die Steuereinheit erfasste physikalische Parameter, insbesondere deren zeitliche Mittelwerte, mit zugehörigen Zielwerten. Diese Zielwerte sind vorzugsweise im Datenspeicher abgelegt. In Abhängigkeit des Vergleichs löst die Steuereinheit die Übertragung eines vorbestimmten Signals an eine ü- bergeordnete Steuerung aus, insbesondere an eine Batteriesteuereinrichtung. Das vorbestimmte Signal gibt vorteilhaft Aufschluss über eine unerwünschte Abweichung des zeitlichen Mittelwerts eines physikalischen Parameter von einem zugehörigen Zielwert. Vorzugsweise löst die Steuereinheit die Übertragung eines vorbestimmten Signals an die übergeordnete Steuerung aus, welche Auf- schluss über unerwünschte Betriebszustände einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung oder Fortschritte im Ablauf von Steuersoftware geben. Vorzugsweise betätigt die Steuereinheit eine elektrische Schalteinrichtung als Folge eines Signals von der übergeordneten Steuerung und/oder als Folge der festgestellten Abweichung des zeitlichen Mittelwerts eines physikalischen Parameters von einem zugehörigen Zielwert. Mit Betätigen der elektrischen Schalteinrichtung wird vorzugsweise die elektrische Verbindung zwischen der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung und dem Verbraucher unterbrochen und/oder eine Kühleinrichtung insbesondere der übergeordneten Batterie zugeschaltet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung mit einem ersten Flu- idkanal und zwei Temperaturmessfühlern,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung, deren Wärmequellenkontaktbereich eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung wärmeleitend berührt,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Wärmeabfuhreinrichtung mit einem ersten Fluidkanal deren Wärmequellenkontaktbereich und Wärmeabfuhrbereich einander überlagern, eine weitere Ausführungsform einer Wärmeabfuhreinrichtung mit einem flächigen Messfühler, einem Datenspeicher, einer Steuereinheit, einer Signalübertragungseinrichtung, zwei elektrischen Kontakteinrichtungen, eine weitere Ausführungsform einer Wärmeabfuhreinrichtung mit einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung, deren Stromableiter mit Kontakteinrichtungen verbunden sind, und
Fig. 6 eine Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Wärmeabfuhreinrichtungen, welche mit mehreren prismatischen elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen verspannt sind, eine Anordnung mehrerer zy- lindrischer Energiespeichereinrichtungen um eine erfindungsgemäße
Wärmeabfuhreinrichtung, deren Querschnitt im Wesentlichen dreieckig ausgebildet ist.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung 1 mit einem ersten Fluidkanal 10 und zwei Temperaturmessfühlern 8, 8a. Die Wärmeabfuhrein- richtung 1 weist eine Wärmeleiteinrichtung 3 mit einem Wärmequellenkontaktbereich 5 sowie zwei Wärmeabgabereiche 6, 6a auf. Der erste Fluidkanal 10 ist durch einen Wärmeabgabebereich 6 geführt. Die Temperaturmessfühler 8, 8a sind in die Wärmeleiteinrichtung 3 innerhalb des Wärmequellenkontaktbereichs 5 eingelassen und schließen bündig mit der Oberfläche der Wärmeleiteinrich- tung 3 ab. Der Wärmequellenkontaktbereich 5 ist zur wärmeleitenden Berührung mit einer nicht dargestellten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung vorgesehen. Die Wärmeabgabebereiche 6, 6a sind einstückig mit der Wärmeleiteinrichtung 3 ausgebildet. Die Wärmeabgabebereiche 6, 6a sind vorteilhaft mit einer Wandstärke ausgebildet, welche sich in Richtung der jeweiligen Außenkan- te verjüngt. Die Wärmeleiteinrichtung 3 ist aus Aluminium gefertigt.
Figur 2a zeigt eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung 1 , deren Wärmequellenkontaktbereich 5 (mit gestrichelter Bezugslinie) von einer elektroche- mischen Energiespeichereinrichtung 4 abgedeckt ist. Die elektrochemische E- nergiespeichereinrichtung 4 deckt ebenfalls die Temperaturmessfühler 8, 8a (mit gestrichelter Bezugslinie) ab. Der Wärmeabgabebereich 6 erstreckt sich bereichsweise über die elektrochemische Energiespeichereinrichtung 4 hinaus. Die Wärmeleiteinrichtung 3 weist nach Figur 2b auch auf ihrer Rückseite einen Wärmeabgabebereich 6a auf. Dort ist eine Anzahl von oberflächenvergrößernden Rippen einstückig an die Wärmeleiteinrichtung 3 angeformt.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmeabfuhreinrichtung 1 mit einem ersten Fluidkanal 10. Der Wärmequellenkontaktbereich 5 und ein Wär- meabfuhrbereich 6 überlagern einander. Bündig mit einer Begrenzungsfläche der Wärmeleiteinrichtung 3 sind zwei Temperaturmessfühler 8, 8a innerhalb des Wärmequellenkontaktbereichs 5 angeordnet. Der erste Fluidkanal 10 erstreckt sich innerhalb der Wärmeleiteinrichtung 3 und ist um die Ausnehmungen für die Temperaturmessfühler 8, 8a angeordnet. Figur 4a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmeabfuhreinrichtung 1 mit einem flächigen Messfühler 8, einem Datenspeicher 9, einer Steuereinheit 13, einer elektrischen Schalteinrichtung 11 , einer ersten Messeinrichtung 2, einer Signalübertragungseinrichtung 12 und zwei Kontakteinrichtungen 14, 14a. Der Temperaturmessfühler 8 ist flächig oder als Matrix (siehe Fig. 4b) einzelner Temperaturmessfühler 8, 8a ausgebildet. Der bzw. die Temperaturmessfühler 8, 8a sind mit der ersten Messeinrichtung 2 über eine Anzahl von Anschlussleitungen verbunden. Im oberen Bereich der Wärmeabfuhreinrichtung 1 sind die elektronischen Schaltungen (2, 9, 1 1 , 12, 13) als elektronischen Baugruppe angeordnet. Aus dieser elektronischen Baugruppe erstrecken sich zwei Kontakteinrich- tungen 14, 14a. Nicht dargestellt sind die Anschlüsse der elektronischen Baugruppe zur Verbindung mit den Stromableitern der ebenfalls nicht dargestellten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung. Die elektronische Baugruppe ist in die Wärmeleiteinrichtung eingelassen und wird teilweise von der nicht dargestellten elektrochemischen Energiespeichereinrichtung abgedeckt. Die Signal- Übertragungseinrichtung 12 ist vorteilhaft als Transponder ausgebildet. Der Transponder wird mit Hilfe eines elektrischen Feldes der nicht dargestellten ü- bergeordneten Batteriesteuereinrichtung mit Energie versorgt. In diesem Zustand übermittelt der Transponder die von der Steuereinheit 13 ausgewählten Informationen gemeinsam mit seiner Kennung an die übergeordnete Batterie- Steuereinrichtung.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmeabfuhreinrichtung 1 mit einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung 4. Die Stromableiter 41 , 41a der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung 4 sind über elektrische Schalteinrichtungen 11 , 1 1a mit elektrischen Kontakteinrichtungen 14, 14a ver- bunden. Nicht dargestellt ist die elektronische Baugruppe (mit 2, 9, 1 1 , 12, 13) nach Figur 3, welche auch die Steuereinheit und die erste Messeinrichtung enthält. Mit der nicht dargestellten ersten Messeinrichtung sind die Temperaturfühler 8, 8a verbunden. Die nicht dargestellte Steuereinheit ist zum Empfang von Signalen von der nicht dargestellten ersten Messeinrichtung und zur Steuerung der elektrischen Schalteinrichtungen 11 , 11 a ausgebildet. Sofern nach Messung einer Temperatur und Vergleich mit einem Zielwert eine unerwünschte Abweichung festgestellt wird, insbesondere eine Überschreitung einer maximal zulässigen Betriebstemperatur, dann schaltet die nicht dargestellte Steuereinheit zumindest eine der elektrischen Kontakteinrichtungen 14, 14a ab. Der Wärmeab- gabereich 6 ist im Bereich der Stromableiter 41 , 41 a der elektrochemischen E- nergiespeichereinrichtung 4 mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Schicht bedeckt. In diesem Bereich berühren die Stromableiter 41 , 41a der e- lektrochemischen Energiespeichereinrichtung 4 die Wärmeleiteinrichtung 3. Vorteilhaft wird so der Austausch von Wärmeenergie mit der elektrochemischen Energiespeichereinrichtung 4 verbessert.
Figur 6a zeigt eine Batterie 15 mit mehreren erfindungsgemäßen Wärmeabfuhreinrichtungen 1 , welche mit mehreren prismatischen elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 4 verspannt sind. Die elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 4 sind untereinander in Reihe geschaltet. Die Batterie 15, auch mit vier elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen 4, weist zwei elektrische Kontakteinrichtungen 14, 14a auf, welchen zwei Wärmeabfuhreinrichtungen 1 zugeordnet sind. Die Batterie 15 weist eine nicht dargestellte Batteriesteuereinrichtung auf. Diese tauscht über Signalübertragungseinrichtungen 12 mit den verschiedenen Steuereinheiten 13 Signale aus. Die Stromableiter 41 , 41 a sind über Verbindungsdrähte 42 mit den elektrischen Schalteinrichtungen 1 verbunden.
Figur 6b zeigt eine Anordnung mehrerer zylindrischer Energiespeichereinrichtungen 4 und eine erfindungsgemäße Wärmeabfuhreinrichtung 1. Der Querschnitt der Wärmeabfuhreinrichtung 1 ist an die Gestalt der umgebenden elekt- rochemischen Energiespeichereinrichtungen 4 angepasst. So schmiegen sich die Wärmequellenkontaktbereiche 5 an die jeweilige elektrochemische Energiespeichereinrichtung 4 an. Nicht dargestellt sind die erste Messeinrichtung, deren Messfühler und der die Wärmeleiteinrichtung 3 durchsetzende erste Fluidkanal.
Next Patent: CONTACT ELEMENT FOR DIVERTERS OF ELECTROCHEMICAL CELLS