SCHRÖTER, Dirk (Korber Str. 9/1, Winnenden, 71364, DE)
MEINTSCHEL, Jens (Rudolf-Breitscheid-Str. 28, Bernsdorf, 02994, DE)
SCHRÖTER, Dirk (Korber Str. 9/1, Winnenden, 71364, DE)
| Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie (2), umfassend ein insbesondere plattenförmiges Temperierelement (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Temperierelement (1 ) zumindest ein erster separater Temperierkanal (3) und ein zweiter separater Temperierkanal (4) angeordnet sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Temperierkanäle (3, 4) parallel zueinander verlaufend in dem Temperierelement (1 ) angeordnet sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkanäle (3, 4) mäanderförmig oder zickzackförmig verlaufen. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Temperierkanäle (3, 4) entlang des Verlaufs konstant ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Zugänge und Abgänge der Temperierkanäle (3, 4) an einer Seite des Temperierelementes (1 ) angeordnet sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Zugänge und Abgänge der Temperierkanäle (3, 4) an gegenüberliegenden Seiten des Temperierelementes (1 ) angeordnet sind. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seite des Temperierelementes (1 ) ein Zugang eines der Temperierkanäle (3, 4) und ein Abgang des anderen Temperierkanals (3, 4) und auf der gegenüberliegenden Seite des Temperierelementes (1 ) der Abgang des einen Temperierkanals (3, 4) und der Zugang des anderen Temperierkanals (3, 4) angeordnet sind. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierelement (1 ) aus Metall oder aus Kunststoff ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierelement (1) aus Aluminium ist 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkanäle (3, 4) als Rohre ausgebildet sind. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkanäle (3, 4) aus Metall oder aus Kunststoff sind. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkanäle (3, 4) in unmittelbarer Nähe zueinander im Temperierelement (1 ) angeordnet sind. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Steuerung aufweist, mittels der die Batterie (2) durch Stromentnahme und/oder Stromzufuhr gezielt belastbar ist. 14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie (2), wobei die Vorrichtung ein Temperierelement (1 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster separater Temperierkanal (3) und ein zweiter separater Temperierkanal (4) als Rohre, insbesondere als Metallrohre, ausgeformt werden, in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert werden und mittels eines Gussverfahrens, insbesondere mittels eines Druckgussverfahrens, eines Sandgussverfahrens oder eines Kokillengussverfahrens mit einem Gussmaterial, insbesondere mit Aluminium umgössen werden. 15. Batterie (2) mit einer Vorrichtung zur Kühlung der Batterie (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Einzelzellen (5) mit dem Temperierelement (1 ) thermisch gekoppelt sind. 16. Batterie (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug (6), insbesondere eine Batterie (2) für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist. 17. Batterie (2) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) dass die Vorrichtung ferner eine Steuerung aufweist, mittels der die Batterie (2) durch Stromentnahme und/oder Stromzufuhr gezielt belastbar ist. 18. Fahrzeug (6) mit einer Batterie (2) nach einem der Ansprüche 14 oder 15 mit einer Vorrichtung zur Kühlung der Batterie (2), umfassend ein Temperierelement (1 ), nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der zumindest zwei separaten Temperierkanäle (3, 4) mit einem anderen separaten Temperierkreislauf (7, 8) des Fahrzeugs (6) gekoppelt ist und jeweils von einem Temperiermittel (11 , 12) durchströmbar ist. 19. Fahrzeug (6) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperierkanal (3) mit einem Temperierkreislauf (7) einer Klimaanlage (9) des Fahrzeugs (6) gekoppelt ist. 20. Fahrzeug (6) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Temperierkanal (4) mit einem Temperierkreislauf (8) eines Motors (10) des Fahrzeugs (6) gekoppelt ist. 21. Fahrzeug (6) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkanäle (3, 4) im Gegenstromprinzip durchströmt sind. 22. Fahrzeug (6) nach Anspruch 18, umfassend zumindest ein Steuerelement (13) zu einer unabhängigen Steuerung und/oder Regelung einer Durchströmung der Temperierkanäle (3, 4). |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 , ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13, eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14 und ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 16.
Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus vielen in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen. Die Einzelzellen, z.B. Lithium-Ionen-Zellen, müssen im Normalbetrieb bei Umgebungstemperaturen z.B. oberhalb des Gefrierpunktes gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Bekannt ist die indirekte Kühlung durch Kühlflüssigkeit oder die direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Einzelzellen geleitet wird. Bei Flüssigkeitskühlung, die aus Bauraumgründen
vorzugsweise angewendet wird, ist am Zellblock eine von Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlplatte angeordnet. Von der Einzelzelle zur Kühlplatte wird die Verlustwärme entweder über separate Kühlstäbe oder Kühlbleche oder über die entsprechend aufgedickten Zellgehäusewände geleitet.
Bei niedrigen Umgebungstemperaturen, z.B. unterhalb des Gefrierpunktes, ist es sinnvoll, die Batterie zu heizen, wenn sie z.B. nach einer längeren Abstellphase des Fahrzeugs noch kalt ist, da eine zu kalte Batterie eine geringere Kapazität bzw. Leistungsabgabe aufweist. Das kann bei Hybridfahrzeugen z.B. mit dem Kühlwasserkreislauf oder
Ölkreislauf des Verbrennungsmotors vorgenommen werden. Bislang wird dazu ein Wärmetauscher vor der Batterie angeordnet, in dem das die Batterie durchströmende Kühlmittel vorgewärmt wird. Unterschreiten die Umgebungstemperaturen bestimmte Werte, dann funktioniert die Fahrzeugklimaanlage nicht mehr, da das Kältemittel nicht mehr verdampft. Eine Kühlung der durch Betrieb erwärmten Batterie ist dann nicht möglich. Dies führt ab einer bestimmten Temperatur zu deren Abschaltung. In der älteren Anmeldung
DE 10 2007 011 024 A1 der Anmelderin wurde zur Lösung des Problems vorgeschlagen, das Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage durch einen Wärmetauscher, der vom
Kühlwasserkreislauf oder Ölkreislauf des Verbrennungsmotors beheizt wird, oder eine Heizpatrone vorzuwärmen.
Aus der DE 102008040916 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zum Aufwärmen einer Batterie diese durch Stromentnahme und/oder Stromzufuhr gezielt belastet wird, um eine Eigenerwärmung der Batterie über deren Innenwiderstand zu erreichen. Dies wird insbesondere solange durchgeführt, bis eine vorgegebene Mindesttemperatur der Batterie erreicht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Fahrzeug anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 13, eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie umfasst ein insbesondere plattenförmiges Temperierelement.
Erfindungsgemäß sind in dem Temperierelement zumindest ein erster separater
Temperierkanal und ein zweiter separater Temperierkanal angeordnet.
Die Batterie ist vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie, wobei die Temperierkanäle mit separaten Temperierkreisläufen des Fahrzeugs gekoppelt sind, beispielsweise der erste Temperierkanal mit einem Temperierkreislauf einer Klimaanlage und der zweite Temperierkanal mit einem Temperierkreislauf eines Motors des Fahrzeugs. Mittels zumindest eines Steuerelementes ist eine Durchströmung der Temperierkanäle unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar.
Auf diese Weise ist die Batterie in einem Normalbetrieb von dem Temperierkreislauf der Klimaanlage über den ersten Temperierkanal kühlbar und bei niedrigen
Umgebungstemperaturen und/oder bei einer niedrigen Betriebstemperatur der Batterie mittels des Temperierkreislaufs des Motors über den zweiten Temperierkanal auf eine optimale Betriebstemperatur vorwärmbar.
Da das Temperierelement gut Wärme leitend ist und die Temperierkanäle in
unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, wirkt das Temperierelement des
Weiteren als Wärmetauscher zwischen den beiden Temperierkreisläufen. Auf diese Weise ist beispielsweise auch ein Temperiermittel des Temperierkreislaufs der
Klimaanlage mittels des Temperiermittels des Temperierkreislaufs des Motors
vorwärmbar.
Verbessert wird diese Methode zur Vorwärmung des Temperiermittel des
Temperierkreislaufs der Klimaanlage, wenn die Vorrichtung ferner eine Steuerung aufweist, mittels der die Batterie durch Stromentnahme und/oder Stromzufuhr gezielt belastet wird, um eine Eigenerwärmung der Batterie über deren Innenwiderstand zu erreichen, wobei dies solange durchgeführt werden kann, bis eine vorgegebene
Mindesttemperatur der Batterie erreicht ist.
Dadurch sind die Klimaanlage und daraus resultierend auch eine Kühlung der Batterie mittels der Klimaanlage auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen funktionsfähig. Ohne diese Vorwärmung ist die Klimaanlage bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr funktionsfähig, da das Temperiermittel der Klimaanlage dann nicht mehr verdampft. Dadurch wäre bei diesen niedrigen Umgebungstemperaturen auch die Kühlung der Batterie mittels der Klimaanlage nicht mehr möglich.
Durch die erfindungsgemäße Lösung und deren Ausführungsformen ist die Batterie jederzeit bei einer optimalen Betriebstemperatur betreibbar. Zusätzliche Bauteile, beispielsweise ein zusätzliches Heizgerät oder ein zusätzlicher Wärmetauscher, sind nicht erforderlich, wodurch ein Fertigungs-, Kosten- und Bauteilaufwand und ein im Fahrzeug benötigter Bauraum erheblich reduziert sind. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zweier separater Temperierkanäle,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Temperierelementes,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Temperierelementes in Draufsicht,
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, und
Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung eines Temperierelementes in
Draufsicht.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem Temperierelement 1 zur Kühlung einer Batterie 2 werden, wie in Figur 1 dargestellt, zumindest ein erster separater Temperierkanal 3 und ein zweiter separater Temperierkanal 4 als Rohre, vorzugsweise als Metallrohre ausgeformt, d. h. derart gebogen, dass die Temperierkanäle 3, 4 eine Fläche des Temperierelementes 1 möglichst vollständig bedecken. Im hier dargestellten Beispiel sind die Temperierkanäle 3, 4 dazu mäanderförmig ausgeformt, in weiteren Ausführungsformen können die Temperierkanäle 3, 4 auch beispielsweise zickzackförmig ausgeformt sein.
Die Temperierkanäle 3, 4 werden anschließend in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert und mittels eines Gussverfahrens, vorzugsweise mittels eines
Druckgussverfahrens, eines Sandgussverfahrens oder eines Kokillengussverfahrens mit einem Gussmaterial, welches vorzugsweise Metall, insbesondere Aluminium ist, umgössen, so dass das in den Figuren 2 und 3 dargestellte Temperierelement 1 ausgebildet wird. In weiteren Ausführungsformen können die Temperierkanäle 3, 4 und/oder das Temperierelement 1 auch beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet werden.
Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, sind die Temperierkanäle 3, 4 als Rohre aus Metall oder Kunststoff im Temperierelement 1 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, oder aus Kunststoff in unmittelbarer Nähe zueinander und vorzugsweise parallel zueinander verlaufend angeordnet und in diesem Ausführungsbeispiel mäanderförmig verlegt, so dass sie die gesamte Fläche des Temperierelementes 1 abdecken. In weiteren Ausführungsformen können die Temperierkanäle 3, 4 beispielsweise auch zickzackförmig verlaufen. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das
Temperierelement 1 plattenförmig ausgeformt. In weiteren, nicht näher dargstellten Ausführungsformen ist das Temperierelement 1 auch in anderen Ausformungen herstellbar, beispielsweise als quaderförmiger Temperierkörper mit Aussparungen, in welchen die Einzelzellen 5 angeordnet sind.
Figur 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der Batterie 2. Die Batterie 2 umfasst eine Mehrzahl von Einzelzellen 5, welche mit dem Temperierelement 1 thermisch gekoppelt sind und von diesem temperierbar, d. h. je nach Bedarf kühlbar oder erwärmbar sind. In der Schnittdarstellung besonders deutlich erkennbar ist, dass die beiden separaten Temperierkanäle 3, 4 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
Die Batterie 2 ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug 6, insbesondere eine Batterie 2 für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein
Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Ein derartiges Fahrzeug 6 ist in Figur 5 schematisch dargestellt. Die Temperierkanäle 3, 4 sind mit separaten Temperierkreisläufen 7, 8 des Fahrzeugs 6 gekoppelt, beispielsweise der erste Temperierkanal 3 mit einem Temperierkreislauf 7 einer Klimaanlage 9 und der zweite Temperierkanal 4 mit einem Temperierkreislauf 8 eines Motors 10 des
Fahrzeugs 6. Dadurch sind der erste Temperierkanal 3 mit einem Temperiermittel 11 des Temperierkreislaufs 7 der Klimaanlage 9 und der zweite Temperierkanal 4 mit einem Temperiermittel 12 des Temperierkreislaufs 8 des Motors 10 durchströmbar. Mittels zumindest eines Steuerelementes 13 ist eine Durchströmung der Temperierkanäle 3, 4 unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar. Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform sind Zugänge und Abgänge der Temperierkanäle 3, 4 an einer Seite des Temperierelementes 1 angeordnet. Dadurch ist der Aufbau des Temperierelementes 1 und eine Montage im Fahrzeug 6,
insbesondere eine Einbindung in die Temperierkreisläufe 7, 8 des Fahrzeugs 6 vereinfacht. Die Zugänge und Abgänge können, wie in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform, auch an gegenüberliegenden Seiten des Temperierelementes 1 angeordnet sein. Auf diese Weise ist eine besonders homogene Wärmeübertragung und Wärmeverteilung erreicht.
In einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsform ist beispielsweise an einer Seite des Temperierelementes 1 ein Zugang eines der Temperierkanäle 3, 4 und ein Abgang des anderen Temperierkanals 3, 4 und auf der gegenüberliegenden Seite des Temperierelementes 1 der Abgang des einen Temperierkanals 3, 4 und der Zugang des anderen Temperierkanals 3, 4 angeordnet.
Bei allen Ausführungsformen sind, je nach Einbindung der Temperierkanäle 3, 4 in die Temperierkreisläufe 7, 8, die Temperierkanäle 3, 4 von den Temperiermitteln 11 , 12 in die eine Richtung, in den Figuren 1 bis 3 und 6 dargestellt mittels durchgezogener Pfeile, oder in die andere Richtung, in den Figuren 1 bis 3 und 6 dargestellt mittels gestrichelter Pfeile, durchströmbar. Auf diese Weise sind die Temperierkanäle 3, 4 in allen
dargestellten Ausführungsformen sowohl im Gleichstromprinzip als auch im
Gegenstromprinzip von den Temperiermitteln 11 , 12 durchströmbar. Um über die gesamte Fläche des Temperierelementes 1 eine homogene Wärmeübertragung und Wärmeverteilung zu erreichen, ist eine Durchströmung im Gegenstromprinzip besonders vorteilhaft.
In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein Querschnitt der
Temperierkanäle 3, 4 über deren gesamte Länge konstant. Um eine homogene
Wärmeübertragung und Wärmeverteilung über die gesamte Fläche des
Temperierelementes 1 zu erreichen, können die Temperierkanäle 3, 4 in weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsformen beispielsweise auch einen über ihre Länge veränderten Querschnitt aufweisen, welcher beispielsweise in Flussrichtung des jeweiligen Temperiermittels 11 , 12 abnehmend oder zunehmend ist.
Mittels des Temperierelementes 1 ist die Batterie 2 in einem Normalbetrieb von dem Temperierkreislauf 7 der Klimaanlage 9 über den ersten Temperierkanal 3 kühlbar und bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder bei einer niedrigen Betriebstemperatur der Batterie 2 mittels des Temperierkreislaufs 8 des Motors 10 über den zweiten Temperierkanal 4 auf eine optimale Betriebstemperatur vorwärmbar.
Da das Temperierelement 1 gut Wärme leitend ist und die Temperierkanäle 3, 4 in unmittelbarer Nähe zueinander und vorzugsweise parallel zueinander verlaufend angeordnet sind, wirkt das Temperierelement 1 des Weiteren als Wärmetauscher zwischen den beiden Temperierkreisläufen 7, 8. Auf diese Weise ist beispielsweise auch das Temperiermittel 11 des Temperierkreislaufs 7 der Klimaanlage 9 mittels des Temperiermittels 12 des Temperierkreislaufs 8 des Motors 10 vorwärmbar.
Um eine optimale Wärmeübertragung zwischen den Temperiermitteln 11 , 12 zu ermöglichen, sind die Temperierkanäle 3, 4, wie in Figur 6 dargestellt, vorzugsweise im Gegenstromprinzip von den Temperiermitteln 11 , 12 durchströmt. Durch diese
Wärmetauscherfunktion ist die Klimaanlage 9 auch bei sehr niedrigen
Umgebungstemperaturen funktionsfähig, wodurch die Batterie 2 auch bei derartigen niedrigen Umgebungstemperaturen mittels der Klimaanlage 9 optimal kühlbar ist.
Ohne diese Vorwärmung ist die Klimaanlage 9 bei sehr niedrigen
Umgebungstemperaturen nicht mehr funktionsfähig, da das Temperiermittel 11 des Temperierkreislaufs 7 der Klimaanlage 9 dann nicht mehr verdampft. Dadurch wäre bei diesen niedrigen Umgebungstemperaturen auch eine Kühlung der Batterie 2 mittels der Klimaanlage 9 nicht mehr möglich.
Verbessert wird dieses Verfahren zur Vorwärmung des Temperiermittel des
Temperierkreislaufs der Klimaanlage, wenn die Vorrichtung ferner eine nicht näher dargestellte Steuerung aufweist, mittels der die Batterie durch Stromentnahme und/oder Stromzufuhr gezielt belastet wird, um eine Eigenerwärmung der Batterie über deren Innenwiderstand zu erreichen, wobei dies solange durchgeführt werden kann, bis eine vorgegebene Mindesttemperatur der Batterie erreicht ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung und deren Ausführungsformen ist die Batterie 2 jederzeit bei einer optimalen Betriebstemperatur betreibbar. Zusätzliche Bauteile, beispielsweise ein zusätzliches Heizgerät oder ein zusätzlicher Wärmetauscher, sind nicht erforderlich, wodurch ein Fertigungs-, Kosten- und Bauteilaufwand und ein im Fahrzeug 6 benötigter Bauraum erheblich reduziert sind.
Next Patent: OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE