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Title:
METHOD FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF A BATTERY ARRANGEMENT AND TEMPERATURE-CONTROLLED BATTERY ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/105909
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for controlling the temperature of a battery arrangement made up of at least one battery cell by means of a cyclically operated adsorption heat pump, consisting of an adsorber and a phase converter with a working medium circulated between the adsorber and the phase converter, wherein the at least one battery cell is brought into thermal contact with an adsorbent of the adsorber and the temperature of the battery cell is controlled in that the battery arrangement picks up adsorption heat and gives off desorption heat, wherein the heat released in the phase converter during a condensation process of the working medium and the heat picked up during an evaporation process of the working medium is dissipated to the environment and supplied from the latter. The method is characterized in that the battery arrangement and the adsorber are, if necessary, brought into thermal contact, via an auxiliary fluid circuit, with a heat transfer fluid circulated in the auxiliary fluid circuit, wherein the heat transfer fluid is brought into thermal contact with external heat sources and/or heat sinks, wherein the battery arrangement is supplied, if necessary, with thermal energy from external heat sources via the auxiliary fluid circuit or thermal energy is withdrawn from the battery arrangement via the auxiliary fluid circuit and dissipated to external heat sources.

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Inventors:
HERRMANN RALPH (DE)
MITTELBACH WALTER (DE)
PEUROIS CHARLES (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/082641
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
November 27, 2018
Export Citation:
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Assignee:
FAHRENHEIT GMBH (DE)
International Classes:
H01M10/625; H01M10/659; H01M10/663
Domestic Patent References:
WO2017174235A12017-10-12
Foreign References:
EP2502004A22012-09-26
US20100191398A12010-07-29
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
KRUSPIG, Volkmar (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung (Ba) aus mindestens einer Batteriezelle (1) mittels einer zyklisch betriebenen

Adsorptionswärmepumpe (A), bestehend aus einem Adsorber (Ad) und einem Phasenwandler (Ph) mit einem zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler umgetriebenen Arbeitsmedium (AM),

wobei die mindestens eine Batteriezelle (1) mit einem Adsorbens (Ads) des Adsorbers (Ad) wärmekontaktiert ist und die Batteriezelle (1) temperiert wird, indem die Batterieanordnung Adsorptionswärme aufnimmt und Desorptionswärme abgibt,

wobei die in dem Phasenwandler während eines Kondensationsprozesses des Arbeitsmediums freigesetzte Wärme und die während eines

Verdampfungsprozesses des Arbeitsmediums aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt und aus dieser zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Batterieanordnung (Ba) und der Adsorber (Ad) bedarfsweise über einen Zusatzfluidkreislauf (Z) mit einem in dem Zusatzfluidkreislauf umgetriebenen wärmeübertragenden Fluid wärmekontaktiert werden, wobei das wärmeübertragende Fluid mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken wärmekontaktiert ist, wobei der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf bedarfsweise Wärmeenergie aus externen

Wärmequellen zugeführt wird oder von der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf Wärmeenergie entzogen und zu externen

Wärmequellen abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Zusatzfluidkreislauf von der Adsorptionswärmepumpe stofflich getrennt ist, wobei das wärmeübertragende Fluid über eine

Wärmeaustauschfläche an der Gesamtanordnung aus der

Batterieanordnung (Ba) und dem Adsorber (Ad) entlanggeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Zusatzfluidkreislaufs die

Adsorptionswärmepumpe (A) zeitweise aus dem zyklischen Betrieb in eine Betriebsweise der Zwangskonvektion versetzt wird, wobei das

Arbeitsmedium im Überschuss in den Adsorber eingeleitet und der Adsorber geflutet wird, wobei nachfolgend das flüssige Arbeitsmedium (AM) zwangskonvektiv ohne Phasenwechsel als wärmeübertragendes Fluid umgetrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der Zwangskonvektion durch eine gesteuerte Veränderung des Systemdruckes innerhalb der Adsorptionswärmepumpe (A) ausgeführt wird, wobei die Veränderung des Systemdruckes in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern und/oder Betriebszuständen der Batterieanordnung (Ba), insbesondere von Lade- und/oder Entladeleistungen der

Batterieanordnung (Ba), und/oder in Abhängigkeit von aktuellen

Umgebungsbedingungen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der Zwangskonvektion durch ein Zuführen und ein Abführen des

Arbeitsmediums mittels einer Pumpeneinheit (P3) ausgeführt wird, wobei die Steuerung der Pumpeneinheit in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern der Batterieanordnung (Ba) und/oder von aktuellen Umgebungsbedingungen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Zusatzfluidkreislauf (Z) als ein Wärmerohr (W) ausgebildet ist, wobei das wärmeübertragende Fluid Phasenübergänge ausführt.

7. Temperierte Batterieanordnung (Ba), bestehend aus einer Mehrzahl von Batteriezellen (1) und einer in die Batterieanordnung integrierten, jede einzelne Batteriezelle umgebenden Batteriezellentemperiereinheit, wobei die Batteriezellentemperiereinheit an externe Temperiereinrichtungen ankoppelbar ist.

8. Temperierte Batterieanordnung (Ba) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Batteriezellentemperiereinheit mindestens einen ersten

Flächenabschnitt der Batteriezelle bedeckenden und mit der Batteriezelle im Wärmekontakt stehenden Adsorbensabschnitt (3) zu Kopplung mit einer Adsorptionswärmepumpe und einen zweiten mit einem in einem Zusatzfluidkreislauf zirkulierenden wärmeübertragenden Fluid im

Wärmekontakt stehenden Wärmeleitabschnitt (4) aufweist.

9. Temperierte Batterieanordnung (Ba) nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Batteriezellentemperiereinheit aus einer Reihe zwischen den

Batteriezellen (1) verlaufenden Strömungskanälen besteht, wobei die Strömungskanäle alternierend als mit einem Adsorbens gefüllte und von einem Adsorbat beaufschlagte Sorptionsströmungskanäle (5) und mit einem wärmeübertragenden Fluid durchströmbare

Wärmeströmungskanäle (6) ausgebildet sind.

10. Temperierte Batterieanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Batteriezellentemperiereinheit als eine Anordnung aus einem ersten, die Batteriezelle (1) im Wärmekontakt umgebenden inneren

Strömungskanal (8) und einem zweiten, den inneren Strömungskanal in einem Wärmekontakt umgebenden äußeren Strömungskanal (9) ausgebildet ist.

11. Temperierte Batterieanordnung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

der innere oder der äußere Strömungskanal (8 oder 9) mit einem

Adsorbens gefüllt ist und das Adsorbens von einem Adsorbat

beaufschlagbar ist, wobei der mit dem Adsorbens gefüllte Strömungskanal an eine Adsorptionswärmepumpe angekoppelt ist, und der jeweils andere Strömungskanal an einen externen Wärmeträgerkreislauf gekoppelt ist.

12. Temperierte Batterieanordnung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Batteriezellentemperiereinheit in Form von mit einem Fluid

durchströmten Wärmeübertragerplatten (11) im Wärmekontakt mit einem ersten Oberflächenabschnitt der Batteriezelle (1) und einem mit einem Adsorbens (Ads) beaufschlagten Sorptionskanal ausgebildet ist, wobei die Wärmeübertragerplatten an einen externen Wärmeträgerkreislauf angeschlossen sind und der Sorptionskanal Teil einer

Adsorptionswärmepumpe ist.

Description:
Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung und temperierte

Batterieanordnung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung und temperierte Batterieanordnung nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und eine temperierte Batterieanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Verfahren zum Temperieren einer Batterieanordnung zielen auf eine optimale Temperatureinstellung der Batterieanordnung unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden Betriebszustände der Batterie ab. Eine Temperierung der

Batterieanordnung ist insbesondere bei Batterieanordnungen im höheren

Leistungsbereich notwendig, um die Batterieanordnungen effektiv und in möglichst kurzer Zeit laden zu können oder auch die Batterieanordnung möglichst schnell betriebsbereit zu machen. Dies ist insbesondere bei Batterieanordnungen der Fall, die zur Energieversorgung von Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen dienen.

Die Batterieanordnung eines Elektrofahrzeuges benötigt in besonderer Weise eine Kühlung zum Schutz der Batterie, die sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung der Batterie während der Fahrt wirksam ist. Vor allem bei einer Schnellladung derartiger Batterieanordnungen durch so genannte Supercharger, d.h. spezielle Ladestationen mit verhältnismäßig hohen Ladeströmen, werden in der Batterieanordnung beträchtliche Wärmemengen frei, die möglichst

gleichmäßig abgeführt werden müssen, um eine lokale Überhitzung der Zellen in der Batteriepackung zu verhindern. Gleichzeitig müssen in Elektrofahrzeugen eingesetzte Batterien auch bei niedrigen Außentemperaturen auf eine gewisse Betriebstemperatur erwärmt werden, damit deren Reichweite maximiert wird. Bei niedrigen Außentemperaturen führt insbesondere ein Kaltstart der Batterie zu einer schnellen Entladung und dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie aus.

Die Temperierungen derartiger Batterieanordnungen können durch Anwendung der Adsorptionstechnologie mit so genannten Adsorptionswärmepumpen vorgenommen werden. Die Batteriezellen stehen dabei im Wärmekontakt mit einem Adsorbens. Sie können insbesondere mit einem festen Adsorbens beschichtet sein. Die Beschichtung besteht beispielsweise aus aufkristallisierten Zeolithen auf einem Aluminiumblech oder aus einem Coating unter Verwendung organischer oder anorganischer Bindemittel. Dadurch können die Oberflächen der einzelnen Batteriezellen in Batteriepackungen als Adsorber für Sorptionsprozesse mit unterschiedlichen Adsorptiven im Unterdrück, beispielsweise unter

Verwendung von Wasserdampf, oder im Überdruck, beispielsweise unter

Verwendung von Kohlenstoffdioxid, verwendet werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr durch De- und Adsorptionsprozesse ermöglicht.

Das Wärmemanagement und somit die Temperierung der Batterien wird bei Verwendung von Adsorptionswärmepumpen nach dem Stand der Technik in folgender Form umgesetzt:

Der Adsorber steht in fluidleitender Verbindung mit einem Wärmeübertrager, der zur Phasenumwandlung des Adsorptivs verwendet wird. Dieser Wärmeübertrager wirkt somit als ein Phasenwandler. Über die Verbindung zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler wird ein Arbeitsmedium umgetrieben. Dieses Umtreiben erfolgt über zyklische Adsorptionen und Desorptionen des Arbeitsmediums an dem Adsorber. Der Phasenwandler wird mit einem externen Kältekreislauf oder einer externen Wärmequelle bevorzugt unter Verwendung der bestehenden Klimaanlage des Fahrzeugs, gekühlt oder beheizt.

Während des Schnellladens der Batterie wird durch die dabei freiwerdende Abwärme das Arbeitsmedium, d.h. das Adsorptiv, aus dem gesättigten Adsorber desorbiert. Das freigesetzte Adsorptiv strömt zum Phasenwandler, wo es kondensiert. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird durch das externe System, beispielsweise die Klimaanlage des Fahrzeugs, abgeführt.

Zur Erwärmung der Batterieanordnung wird der dazu umgekehrte Betrieb ausgeführt. Der Adsorber saugt infolge des Adsorptionsvorganges das im

Phasenwandler enthaltene Kondensat an. Das Arbeitsmedium wird im Adsorber adsorbiert und setzt während der Adsorption Wärme frei. Diese Wärme wird über Wärmeleitung an die Zellen der Batterie abgegeben. Die notwendige Verdampfungswärme, die dem Phasenwandler zugeführt werden muss, wird bei Umgebungstemperatur über ein externes System, z. B. den Wärmetauscher der Klimaanlage des Fahrzeugs, an den Phasenwandler zugeführt.

Eine derartige Temperierung der Batterieanordnung, die auf derartigen

Adsorptionsprozessen basiert, weist allerdings eine Reihe von Nachteilen auf. Ein sehr wichtiger Nachteil besteht darin, dass mit einem solchen adsorptiven

Temperierungsverfahren eine kontinuierliche Kühlung der Batterieanordnung nicht gewährleistet werden kann. Das liegt daran, dass bei dem beschriebenen System aus dem Stand der Technik die Sorbatbeladung des Adsorbers invers mit dem Ladezustand der Batterie korreliert ist. Da bei dem Aufladen der Batterie das Arbeitsmedium aus dem Adsorber ausgetrieben wird, wobei dabei die Batterie gekühlt wird, ist der Adsorber in der Regel dann unbeladen, sobald die Batterie ihren maximalen Ladezustand erreicht hat. Eine weitere Desorption des

Arbeitsmittels ist dann nicht mehr möglich. Wenn anschließend die Batterie wieder entladen wird, kann die beim Batteriebetrieb freigesetzte Wärme aus der Batterie nicht mehr über die Adsorptionswärmepumpe abgeführt werden.

Außerdem kann der Adsorber nicht wieder mit dem Arbeitsmedium beladen werden, denn während des Betriebs der Batterie ist eine Zufuhr von

Adsorptionswärme an die Batteriezellen nicht notwendig oder tendenziell sogar nachteilig.

Außerdem tritt sehr häufig der Fall ein, dass während des Betriebs des

Fahrzeuges oder bei hohen Außentemperaturen, bei denen keine Erwärmung der Batterie im Kaltstart benötigt wird, die Speicherentladung des Adsorbers nicht oder nur sehr schwer erfolgen kann, weil die freiwerdende Adsorptionswärme an die Umgebung mit hoher Umgebungstemperatur abgeführt werden muss. Die Batterieanordnung kann dabei das Arbeitsmedium aus dem Adsorber nur schlecht austreiben, deren Wärme wird nur ungenügend abgeführt und an die Umgebung übertragen und die Adsorptionswärmepumpe arbeitet sehr ineffektiv oder ist unwirksam.

Es besteht nun die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, den genannten Schwierigkeiten und Nachteilen abzuhelfen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer temperierten Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Temperieranordnung.

Das Verfahren zur Temperierung einer Batterieanordnung geht von einer

Grundkonfiguration aus, bei der mindestens eine Batteriezelle mittels einer zyklisch betriebenen Adsorptionswärmepumpe, bestehend aus einem Adsorber und einem Phasenwandler, mit einem zwischen dem Adsorber und dem

Phasenwandler umgetriebenen Arbeitsmedium zyklisch gekühlt bzw. beheizt wird. Dabei ist die mindestens eine Batteriezelle mit einem Adsorbens des Adsorbers wärmekontaktiert und die Batteriezelle wird temperiert, indem diese

Adsorptionswärme aufnimmt und Desorptionswärme abgibt. Dabei wird die in dem Phasenwandler während eines Kondensationsprozesses des Arbeitsmediums freigesetzte Wärme und die während eines Verdampfungsprozesses des

Arbeitsmediums aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt und aus dieser zugeführt.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die

Batterieanordnung und der Adsorber sowie der Phasenwandler bedarfsweise über einen Zusatzfluidkreislauf mit einem in dem Zusatzfluidkreislauf umgetriebenen wärmeübertragenden Fluid wärmekontaktiert werden. Dabei ist das

wärmeübertragende Fluid mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken wärmekontaktiert, wobei der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf bedarfsweise Wärmeenergie aus externen Wärmequellen zugeführt wird oder von der Batterieanordnung über den Zusatzfluidkreislauf Wärmeenergie entzogen und zu externen Wärmequellen abgeführt wird.

Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens ist der Zusatzfluidkreislauf von der Adsorptionswärmepumpe stofflich getrennt. Das wärmeübertragende Fluid wird über eine Wärmeaustauschfläche an der Gesamtanordnung aus der

Batterieanordnung und dem Adsorber entlanggeführt und ist von dem

Arbeitsmedium der Adsorptionswärmepumpe verschieden. Der Zusatzfluidkreislauf ermöglicht in Ergänzung zur zyklischen Temperierung der Batterieanordnung durch die Adsorptionswärmepumpe eine Temperierung der gesamten Vorrichtung aus Batterieanordnung und Adsorber. Dieser tritt vor allem dann in Aktion, wenn die Batterieanordnung während des Normalbetriebs zu temperieren ist und er ermöglicht eine Regenerierung einer gewünschten

Beladung des Adsorbers mit dem Arbeitsmedium während des Regelbetriebs der Batterie.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Inbetriebnahme des Zusatzfluidkreislaufs die Adsorptionswärmepumpe zeitweise aus dem zyklischen Betrieb in eine Betriebsweise der Zwangskonvektion versetzt. Dabei wird das Arbeitsmedium im Überschuss in den Adsorber eingeleitet und der Adsorber geflutet. Nachfolgend wird dann das flüssige Arbeitsmedium

zwangskonvektiv ohne jeden Phasenwechsel als wärmeübertragendes Fluid umgetrieben. Durch das Einleiten des Arbeitsmediums im Überschuss finden keine Desorptions- und Adsorptionsprozesse statt und die Komponenten der

Adsorptionswärmepumpe wirken dann effektiv nur als Teile eines

Wärmeträgerkreislaufs, während das Arbeitsmedium der Adsorptionswärmepumpe ohne jegliche Phasenumwandlungen sowie Adsorptionen und Desorptionen lediglich als wärmeübertragendes Fluid fungiert.

Zwangskonvektion bedeutet im hier vorliegenden Zusammenhang, dass das Arbeitsmedium nicht durch Adsorption und Desorption in den Adsorber eingesaugt bzw. aus dem Adsorber ausgetrieben wird, sondern dass das Arbeitsmedium mechanisch, insbesondere mittels einer Pumpe, umgewälzt wird, und dabei die Wärme konventionell und durch den bloßen Umlauf transportiert.

Das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der

Zwangskonvektion wird bei einer Ausgestaltung des Verfahrens durch eine gesteuerte Veränderung des Systemdruckes innerhalb der

Adsorptionswärmepumpe ausgeführt. Dabei erfolgt die Veränderung des

Systemdruckes in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparametern und/oder Betriebszuständen der Batterieanordnung, insbesondere von Lade- und/oder Entladeleistungen der Batterieanordnung, und/oder in Abhängigkeit von aktuellen Umgebungsbedingungen. Das Umschalten zwischen dem zyklischen Betrieb und dem Betrieb der

Zwangskonvektion kann insbesondere auch durch ein Zuführen und ein Abführen des Arbeitsmediums mittels einer Pumpeneinheit ausgeführt werden, wobei die Steuerung der Pumpeneinheit in Abhängigkeit von momentanen

Betriebsparametern der Batterieanordnung und/oder von aktuellen

Umgebungsbedingungen erfolgt.

Hierbei wird insbesondere das Arbeitsmedium aus einem bestehenden Reservoir entnommen und durch die Pumpeneinheit zugeführt. Bei der Rückkehr in die zyklische Betriebsweise wird das Arbeitsmedium wieder in das Reservoir abgezogen und dort gesammelt, sodass nur das im Adsorber adsorbierte

Arbeitsmedium verbleibt und wieder als eigentlich zyklisches Arbeitsmedium zur Verfügung steht.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahren ist der Zusatzfluidkreislauf als ein Wärmerohr ausgebildet, wobei das wärmeübertragende Fluid an der externen Wärmequelle und/oder der externen Wärmesenke einen Phasenübergang ausführt und dort einen entsprechenden Wärmeaustausch mit externen Wärmequellen oder Wärmesenken ausführt. Zu beachten ist hierbei aber, dass das

wärmeübertragende Fluid keinerlei Adsorptionen und Desorptionen vollführt.

Vorrichtungsseitig besteht die temperierte Batterieanordnung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer in die Batterieanordnung integrierten, jede einzelne Batteriezelle umgebenden Batteriezellentemperiereinheit, wobei die

Batteriezellentemperiereinheit an externe Temperiereinrichtungen ankoppelbar ist.

Die Batteriezellentemperiereinheit weist bei einer Ausführungsform mindestens einen ersten Flächenabschnitt der Batteriezelle bedeckenden und mit der

Batteriezelle im Wärmekontakt stehenden Adsorbensabschnitt zu Kopplung mit einer Adsorptionswärmepumpe und einen zweiten mit der Umgebung im

Wärmekontakt stehenden Wärmeleitabschnitt auf.

Bei einer Ausführungsform besteht die Batteriezellentemperiereinheit aus einer Reihe zwischen den Batteriezellen verlaufenden Strömungskanälen, wobei die Strömungskanäle alternierend als mit einem Adsorbens gefüllte und von einem Adsorbat beaufschlagte Sorptionsströmungskanäle und mit einem Fluid

durchströmbare Wärmeströmungskanäle ausgebildet sind.

Die Batteriezellentemperiereinheit kann auch als eine Anordnung aus einem ersten, die Batteriezelle im Wärmekontakt umgebenden inneren Strömungskanal und einem zweiten, den inneren Strömungskanal in einem Wärmekontakt umgebenden äußeren Strömungskanal ausgebildet sein.

Der innere oder der äußere Strömungskanal ist mit einem Adsorbens gefüllt und das Adsorbent ist von einem Adsorbat beaufschlagbar, wobei der mit dem

Adsorbent gefüllte Strömungskanal an eine Adsorptionswärmepumpe angekoppelt ist, und der jeweils andere Strömungskanal an einen externen

Wärmeträgerkreislauf gekoppelt ist.

Die Batteriezellentemperiereinheit kann auch in Form von mit einem Fluid durchströmten Wärmeübertragerplatten im Wärmekontakt mit einem ersten Oberflächenabschnitt der Batteriezelle und einem mit einem Adsorbens

beaufschlagten Sorptionskanal ausgebildet sein, wobei die

Wärmeübertragerplatten an einen externen Wärmeträgerkreislauf angeschlossen sind und der Sorptionskanal Teil einer Adsorptionswärmepumpe ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Temperierung einer Batterieanordnung und die temperierte Batterieanordnung sollen nachfolgend anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren la bis 13. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.

Es zeigt

Fig. la eine prinzipielle Darstellung einer Batterietemperierung mit einem

Adsorber und einem Phasenwandler nach dem Stand der Technik,

Fig. lb eine prinzipielle Darstellung des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs in Ergänzung des zyklischen Betriebs der Adsorptionswärmepumpe, Fig. lc eine prinzipielle Darstellung des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs unter Verwendung eines Wärmerohrs,

Fig. Id eine prinzipielle Darstellung einer Batterietemperierung mit einem

Adsorber und einem Phasenwandler in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung,

Fig. 2 eine Darstellung der Wärmeleitungsvorgänge innerhalb des

Strukturmaterial des Adsorbers während des Dauerbetriebs der

Batterieanordnung,

Fig. 3 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der Batterieanordnung, Fig. 4 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Batterieanordnung mit inneren und äußeren Strömungskanälen,

Fig. 4a eine perspektivische Darstellung der umgebenden Strömungskanäle,

Fig. 5 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Batterieanordnung mit abschnittsweise umgebenen Batteriezellen, Fig. 6 eine Darstellung der Verschaltung der Batterieanordnung mit

Komponenten des Wärmeträgerkreislaufs,

Fig. 6a eine Darstellung der Batterietemperierung während eines

Schnellladeprozesses,

Fig. 6b eine Darstellung der Batterietemperierung während eines Dauerbetriebs der Batterieanordnung und einer Adsorberregeneration,

Fig. 6c eine Darstellung der Batterietemperierung während eines Vorwärmens der Batterieanordnung bei kalten Umgebungstemperaturen.

Fig. 7 eine mögliche Ausführungsform eines Kühlkreislaufs unter Verwendung einer Heatpipe, Fig. 8 eine Darstellung eines Betriebsmodus des zusätzlichen

Wärmeträgerkreislaufs für eine kontinuierliche Kühlung,

Fig. 9 einen Betriebsmodus zur Erwärmung der Batterie bei niedrigen

Umgebungstemperaturen mittels externer Wärmezufuhr, Fig. 10 eine Darstellung des Betriebsmodus zum Laden des thermischen

Speichersystems, insbesondere zum Kühlen,

Fig. 11 eine Darstellung des Betriebsmodus zum Entladen des thermischen

Speichersystems, insbesondere zum Aufwärmen der Batterie,

Fig. 12 eine Darstellung der Wirkungsweise bei einem Eindringen von Luft, Fig. 13 eine beispielhafte Anwendung des Heatpipe-Systems zur Temperierung eines elektronischen Bauteils

Fig. la zeigt zum Vergleich eine prinzipielle Darstellung einer

Batterietemperierung mit einem Adsorber und einem Phasenwandler nach dem Stand der Technik. Die in Fig. la gezeigte Anordnung der Batterietemperierung nach dem Stand der Technik baut grundsätzlich auf einer Adsorptionswärmepumpe A auf. Eine Batterieanordnung Ba steht im Wärmekontakt mit einem Adsorber Ad,

insbesondere mit einem in dem Adsorber Ad enthaltenen Adsorbens Ads. Der Adsorber ist als Teil der Adsorptionswärmepumpe A mit einem Phasenwandler Ph verbunden. Zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler wird ein

Arbeitsmedium AM umgetrieben. Das Arbeitsmedium wird an dem Adsorbens Ads des Adsorbers adsorbiert oder desorbiert. Ein Ventil VI steuert den Fluss des gasförmigen Arbeitsmittels zwischen dem Adsorber und dem Phasenwandler.

Bei der Adsorption des Arbeitsmediums wird Adsorptionswärme frei. Hierdurch wird der Batterieanordnung Ba Wärme zugeführt. Die Batterie kann aber auch Wärme an das Adsorbens abgeben und hierdurch gekühlt werden. Wenn die Batterie Wärme an das Adsorbens Ads abgibt wird das adsorbierte Arbeitsmedium aus dem Adsorbens ausgetrieben und kondensiert im Phasenwandler Ph. Durch diese Prozesse wird die Batterie somit gewärmt bzw. gekühlt. Die Wärme, die das Arbeitsmedium bei diesen Prozessen über das Adsorbens abgibt bzw. aufnimmt, wird über den Phasenwandler mit externen Komponenten

ausgetauscht. Dabei wird in der Regel das Arbeitsmedium in dem Phasenwandler kondensiert oder verdampft. Die Kondensation des Arbeitsmediums im

Phasenwandler erfolgt dann, wenn das Arbeitsmedium aus dem Adsorbens ausgetrieben und somit die Batterieanordnung Ba gekühlt wird. Die Verdampfung des Arbeitsmedium erfolgt bei der Adsorption des Arbeitsmediums im Adsorbens und somit bei dem Erwärmen der Batterie.

Die bei der Kondensation des Arbeitsmediums im Phasenwandler freiwerdende Kondensationswärme bzw. die bei dem Verdampfen des Arbeitsmediums im Phasenwandler aufgenommene Verdampfungswärme wird beispielsweise mit einem Klimasystem K des Fahrzeuges ausgetauscht. Dabei strömt im Klimasystem des Fahrzeugs ein weiteres Medium, das die Wärme am Phasenwandler Ph aufnimmt oder an diesen abgibt. Beim Zuführen von Wärme an den

Phasenwandler verdampft das Arbeitsmedium im Phasenwandler und wird im Adsorbens des Adsorbers adsorbiert, wobei es diese Wärme an die Batterie abgibt. Das Klimasystem K kann grundsätzlich auch durch ein beliebiges externes System ersetzt sein, das Wärme aufnehmen kann und somit als Wärmesenke dient, oder das Wärme liefert und somit als Wärmequelle gebraucht werden kann.

In dem hier vorliegenden Beispiel umfasst das Klimasystem K einen Kompressor C, Ventile V2 bis V4 und verschiedene Wärmetauscher Hxl und Hx2 zur

Temperierung eines Fahrgastraumes und/oder zum Wärmeübergang mit der Umgebung.

Die Desorption des Adsorbers Ad und somit die Kühlung der Batterieanordnung Ba erfolgt insbesondere beim Schnellladen der Batterieanordnung, bei dem eine große Wärmemenge von der Batterieanordnung abgeführt werden muss.

Während des Schnellladens der Batterieanordnung desorbiert die

Batterieaufladungsabwärme den gesättigten Adsorber Ad. Das freigesetzte

Adsorptiv strömt zum Phasenwandler Ph, wo es kondensiert. Die

Kondensationswärme wird durch das externe System abgeführt, in diesem Fall die Klimaanlage K des Autos. Nach dem Ende der Desorption wird das Ventil VI innerhalb der Adsorptionswärmepumpe A geschlossen. Das Arbeitsmedium ist nun praktisch vollständig im Phasenwandler kondensiert und das Adsorbens Ads ist unbeladen.

Die Adsorption des Arbeitsmediums im Adsorber wird bei einer Speicherentladung der Batterie ausgeführt, wenn ein Beheizen der Batterie vor allem bei niedrigen Umgebungstemperaturen notwendig ist. Dies geschieht, um die volle

Batterieleistung entnehmen zu können, die nur in einem optimalen

Temperaturbereich vorliegt.

Zur Erwärmung der Batterieanordnung Ba wird das Ventil VI geöffnet. Der Adsorber Ad saugt das im Phasenwandler Ph enthaltene Kondensat des

Arbeitsmediums an. Das Arbeitsmedium wird im Adsorbens Ads adsorbiert und setzt während der Adsorption Wärme frei. Die freigesetzte Wärme gelangt über den Wärmekontakt, insbesondere über Wärmeleitung an die Batterieanordnung Ba und wird an deren Zellen abgegeben. Die notwendige Verdampfungswärme wird bei Umgebungstemperatur über ein externes System, im hier vorliegenden Beispiel hier ein Wärmetauscher der Klimaanlage K an den Phasenwandler Ph zugeführt.

Mit einer derartigen Anordnung kann jedoch eine kontinuierliche Kühlung der Batterieanordnung Ba durch das adsorptive Temperierungssystem nicht gewährleistet werden. Denn bei einem derartigen System ist die Beladung des Adsorbens im Adsorber mit dem Arbeitsmedium, d.h. dem Sorbat in der Regel invers zum Ladezustand der Batterie korreliert. Das liegt daran, dass während des Schnellladens der Batterie zur Batteriekühlung das Arbeitsmedium aus dem Adsorbens ausgetrieben wird. Das Arbeitsmedium befindet sich dann vollständig oder zumindest mehrheitlich in kondensierter Form im Phasenwandler und verbleibt auch dort, so lange keine Erwärmung der Batterie notwendig ist. Es steht für eine weitere Kühlung der Batterieanordnung nicht mehr zur Verfügung.

Außerdem ist ein Rückführen des Arbeitsmediums in das Adsorbat Ads nicht mehr ohne weiteres möglich. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen, bei denen keine Erwärmung der Batterie im Kaltstart benötigt wird, würde ein Überführen des Arbeitsmediums zurück in den Adsorber dazu führen, dass dann die Batterie überheizt werden würde. Das in Fig. la dargestellte System bietet somit keine Möglichkeit, diese Adsorptionswärme, an die Umgebung abzuführen und es erlaubt außerdem keine fortlaufende Kühlung der Batterieanordnung Ba während des laufenden Betriebs.

Hierzu werden in den vorliegenden Ausführungsbeispielen Lösungsmöglichkeiten angegeben.

Fig. lb zeigt eine prinzipielle Darstellung des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs in Ergänzung des zyklischen Betriebs der Adsorptionswärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf Z ist der Adsorptionswärmepumpe A zugeordnet. Er verläuft über die Gesamtanordnung aus Batterieanordnung Ba und Adsorber Ad und tauscht Wärme über einen Wärmeübertrager WÜ mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken aus. Diese externen Wärmequellen und Wärmesenken sind beispielsweise ein Fahrgastraum, die Umgebung oder auch eine externe Wärmepumpe. Der Wärmeträgerkreislauf ist ebenfalls mit dem Phasenwandler Ph der Adsorptionswärmepumpe wärmekontaktiert. Das in dem zusätzlichen

Wärmeträgerkreislauf zirkulierende wärmeübertragende Fluid wird

zwangskonvektiv, d.h. über eine Pumpe P2 umgetrieben.

Der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf erfüllt grundsätzlich zwei Funktionen. Er ermöglicht erstens eine kontinuierliche Temperierung der Batterieanordnung während des regulären Betriebs, insbesondere deren fortlaufende Kühlung oder Erwärmung auf einer zweckmäßigen Betriebstemperatur. Zweitens ermöglicht der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf ein Rücküberführen des Arbeitsmediums aus dem Phasenwandler Ph zurück in das Adsorbens Ads oder wahlweise ein

Verschieben des Arbeitsmediums von dem Adsorbens Ads in den Phasenwandler Ph, wobei die dabei anfallende oder aufzunehmende Wärme problemlos über den zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf abgeführt bzw. zugeführt werden kann, ohne dass die Temperierung der Batterieanordnung Ba beeinträchtigt wird. Letztlich ermöglicht der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf somit das gezielte Einstellen einer bestimmten Ausgangskonfiguration der Adsorptionswärmepumpe.

Das in dem zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf zwangsumgetriebene Fluid kann auch das Arbeitsmedium der Adsorptionswärmepumpe A selbst sein und die Komponenten der Adsorptionswärmepumpe direkt und somit nicht nur im Wärmekontakt durchströmen. In einem solchen Fall wird das Arbeitsmedium im Überschuss zugesetzt und es werden somit die Komponenten der

Adsorptionswärmepumpe soweit geflutet, dass das Arbeitsmedium keinerlei Phasenübergänge im Phasenwandler Ph und keinerlei Adsorptions- und

Desorptionsprozesse im Adsorbat Ads ausführen kann. Das Arbeitsmedium durchströmt in einem solchen Fall zwangskonvektiv den zusätzlichen

Wärmeträgerkreislauf und fungiert hierbei als bloßes wärmeübertragendes Fluid. Der Vorteil einer solchen Betriebsweise besteht darin, dass sämtliche

Komponenten der Adsorptionswärmepumpe über den zusätzlichen

Wärmeträgerkreislauf mit dem Arbeitsmedium beschickt werden können, wobei der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf selbst die Adsorptionswärmepumpe in einen definierten Ausgangszustand versetzt und insbesondere den Adsorber wieder mit dem Arbeitsmedium befüllt. Dabei wird die dabei anfallende Adsorptionswärme von dem im Überschuss zirkulierenden Arbeitsmedium problemlos abgeführt, wobei die Temperierung der Batterieanordnung Ba auf eine geforderte

Betriebstemperatur stets gewährleistet ist.

Fig. lc zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs Z bei Verwendung einer Wärmerohrfunktionalität, d.h. einer so genannten heat pipe. Der Wärmeträgerkreislauf Z bildet dabei in seiner Gesamtheit das

Wärmerohr, das immer durch einen Teilkreis für den Dampftransport und einen Teilkreis für den Flüssigkeitstransport gekennzeichnet ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zirkuliert das wärmeübertragende Fluid durch den

Phasenwandler Ph, wo ein Phasenübergang von flüssig zu gasförmig stattfindet. Über das Ventil VI strömt der entstandene Dampf zum Adsorber Ad, wo er auf der Oberfläche des Adsorbens Ads kondensiert und dabei die

Kondensationswärme an den Adsorber abgibt und damit die Batterie erwärmt. Der Transport der kondensierten Flüssigkeit erfolgt über die Pumpe P2 zurück zum Phasenwandler Ph.

Zur Kühlung der Batterie wird der Prozess umgekehrt und der

Wärmeträgerkreislauf Z in umgekehrter Richtung durchlaufen : bei der

Verdampfung auf dem Adsorber Ad wird dieser und mit ihm die Batterie gekühlt, der Dampf strömt über das Ventil VI zum Phasenwandler. Auf diesem kondensiert der Dampf und erwärmt dabei den Kreislauf K über die Pumpe PI zu den oben beschriebenen Wärmesenken. Die Flüssigkeit im Kreislauf Z wird über die Pumpe P2 zurück zum Adsorber gefördert.

Der Wärmetransport im heat pipe-Modus mit Phasenwechsel ermöglicht über die Übertragung der Phasenwechselenthalpie somit sehr effektiv die Wärme zwischen Batterieanodnung Ba und Kreislauf K auch ohne Adsorptions- und

Desorptionsvorgänge. Es zeigte sich überraschenderweise, dass der

erfindungsgemäße Aufbau zum Wärmetransport zwischen Batterieanordnung und Kreislauf K sowohl ohne (Fig lb) als auch mit Phasenübergang (Fig lc) genutzt werden kann und einfach über den Systemdruck und die Pumpensteuerungen geregelt werden kann. Auch ist eine Ausführung ohne die Pumpe P2 möglich, wenn der Flüssigkeitstransport über geeignete Mechanismen wie z.B. durch Kapillarkräfte ausreicht.

Fig. Id zeigt ein weiteres Beispiel für eine dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Anordnung zur Temperierung der Batterieanordnung Ba. Die hier gezeigte Anordnung enthält alle Komponenten gemäß der Darstellung aus Fig. la, d.h. insbesondere die Batterieanordnung Ba mit dem wärmekontaktierten Adsorber Ad und dem Adsorbens Ads, der wiederum Bestandteil der

Adsorptionswärmepumpe A ist. Die Adsorptionswärmepumpe ist hier wieder beispielhaft mit der Klimaanlage K des Fahrzeugs als externem System gekoppelt.

Im Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. la ist hier neben dem Kreislauf zwischen Phasenwandler und Batterieanordnung über VI ein zusätzlicher

Wärmeübertragungskreislauf Z vorgesehen, der wärmeübertragend an die

Gesamtanordnung aus Batterieanordnung Ba und Adsorber Ad angefügt, die aus dieser Gesamtanordnung anfallende Wärme abführt, bzw. die dieser

Gesamtanordnung gegebenenfalls benötigte Wärme zuführt und getrennt von Kreislauf über das Ventil VI aufgebaut ist. Der Phasenwandler Ph der

Adsorptionswärmepumpe ist bei diesem Ausführungsbeispiel kein Bestandteil des zusätzlichen Wärmeübertragungskreislaufs Z. Für die Batterieanordung Ba bedeutet dies, dass hier die für die Temperierung erforderliche Wärmemenge über zwei Kanäle verteilt übertragen werden kann und zwar so, dass die

Batterieeinheit praktisch kontinuierlich gleichmäßig und je nach Betriebsbelastung abgestuft über zwei voneinander baulich getrennten Einrichtungen temperiert wird. Für die Ausführungsbeispiele in den Figuren lb bis ld bedeutet dies

insbesondere, dass die in dem Phasenwandler Ph befindliche Menge des

Arbeitsmediums in den Adsorber Ad zurückgeführt und dort wieder adsorbiert werden kann, ohne die Batterie übermäßig zu erwärmen. Denn die dort freiwerdende Adsorptionswärme kann über den zusätzlichen

Wärmeübertragungskreislauf Z abgeleitet werden. Dies kann insbesondere auch bei hohen Umgebungstemperaturen geschehen und bei einem vergleichsweise hohen Ladezustand der Batterieanordnung Ba, sodass im Adsorber Ad wieder genug Arbeitsmedium vorhanden ist, um die Batterie auch bei hohen

Leistungsentnahmen gegebenenfalls deutlich zu kühlen. Es ist somit möglich, die vorhergehend erwähnte inverse Korrelation zwischen dem Batterieladezustand und der Verteilung des Arbeitsmediums in der Adsorptionswärmepumpe aufzuheben und stattdessen variabel zu gestalten.

Die der Batterieanordnung Ba zuzuführende oder von dieser abzuführenden Wärme kann auf sehr unterschiedliche Weise von dem zusätzlichen Fluidkreislauf ab- oder zugeführt werden. Möglich sind eine Wärmeübertragung an die auch bereits von der Adsorptionswärmepumpe A benutzte externe Wärmequelle oder Wärmesenke, hier beispielsweise an die Klimaanlage des Fahrzeugs, oder eine direkte Wärmeübertragung über den Kreis Z an die Umgebung.

Die Batterieanordnung Ba sowie das daran angeordnete Adsorbens Ads sind für eine Wärmeübertragung an den zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf entsprechend ausgebildet. Nachfolgend werden einige Gestaltungen der Batterieanordnung in Verbindung mit dem Adsorber beispielhaft erläutert.

Die Wärmeübertragung an der Batteriezelle erfolgt beispielsweise durch eine Wärmeleitung innerhalb des Adsorberstrukturmaterials, z. B. durch

Aluminiumbleche oder durch offenporige Strukturen (Aluminiumschäume oder Fasern), auf denen das Adsorbens aufgebracht ist.

Hierzu ist bei einer ersten vorrichtungsseitigen Ausführungsform eine

Wärmeleitungsvorrichtung 2 vorgesehen. Fig. 2 zeigt hier ein entsprechendes Beispiel. Sofern die Batterieanordnung Ba aus einer Mehrzahl von Batteriezellen als funktionale Grundeinheiten besteht, ist diese Wärmeleitungsvorrichtung an jeder Batteriezelle vorgesehen. Fig. 2 zeigt eine Batteriezelle 1. Diese ist mit dem Adsorbens Ads umgeben und steht mit diesem in einem Wärmekontakt. Das Adsorbens Ads bildet einen Adsorbensabschnitt 3 auf die Batteriezellenoberfläche. Möglich ist eine auf die Batterie aufgeschobene Umhüllung ähnlich einer Hülse oder ein mit dem

Adsorbens gefüllter Strömungskanal. In und aus dem Adsorbens wird

entsprechend der zyklischen Arbeitsweise der Adsorptionswärmepumpe das Arbeitsmedium als Adsorbens adsorbiert bzw. desorbiert.

Weiterhin weist die Vorrichtung aus Fig. 2 einen Wärmeleitabschnitt 4 auf, der sowohl mit der Batteriezelle 1 als auch mit dem Adsorbensabschnitt 3 im

Wärmekontakt steht. Der Wärmeleitabschnitt 4 kann als Kühlplatten ausgebildet sein. Die Kühlplatten bewirken somit einen Wärmeaustausch mit dem zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf. Sie bilden eine Zusatztemperiereinheit der Batteriezelle 1 aus.

Die Kühlplatten 4 sind dann mit dem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs Z beaufschlagt.

Der als Flüssigkeitskreislauf ausgebildete Wärmeträgerkreislauf Z kühlt die Batterie während des kontinuierlichen Betriebs, wenn die Batteriewärme im Betrieb zu hoch ist. Der Flüssigkeitskreislauf kann auch Kühlung bereitstellen, wenn überschüssiges Kondensat adsorbiert werden muss, sodass die nächste Schnellladung der Batterie vorbereitet werden kann. Der Flüssigkeitskreislauf kann wie beschrieben entweder mit einer Pumpe umgewälzt werden oder als Wärmerohr ausgeführt sein, in dem die Wärmeübertragung durch eine

Phasenwandlung erfolgt.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Batterieanordnung Ba, die als ein Batteriepack ausgebildet ist, wobei das Batteriepack als Ganzes sowohl als ein Teil des Fluidkreislaufs und der Adsorptionswärmepumpe eingekoppelt ist.

Das Batteriepack kann so aufgebaut sein, dass jede Batteriezelle zum einen mit einer Oberfläche in Kontakt steht, die mit dem Fluid aus dem zusätzlichen

Wärmeträgerkreislauf Z, das insbesondere als Kühlflüssigkeit wirkt, bedeckt ist, und zum anderen mit einer Oberfläche im Wärmekontakt steht, die mit dem Material des Adsorbens Ads bedeckt ist. Die Seite, die mit Adsorbens Ads bedeckt ist, stellt die Kühlung während der schnellen Aufladung bereit und gewährleistet die Vorwärmung der Batteriezellen bei kalten Außentemperaturen. Der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf stellt eine kontinuierliche Kühlung bereit, wenn das

Fahrzeug in Betrieb ist oder wenn überschüssiges Kondensat im Adsorbens adsorbiert werden und die dabei freigesetzte Wärme abgeleitet werden muss.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Batteriepacks 7, der im hier gezeigten Beispiel die Batterieanordnung Ba bildet. Der Batteriepack besteht aus einer Reihe von Batteriezellen 1. Zwischen den Batteriezellen verlaufen Strömungskanäle. Diese sind alternierend entweder mit einem

Adsorbens gefüllte Sorptionsströmungskanäle 5 oder mit dem Fluid durchströmte Wärmeströmungskanäle 6. Die Sorptionsströmungskanäle bilden als Ganzes den Adsorber Ad der Adsorptionswärmepumpe aus. Somit ist das Batteriepack in seiner Gesamtheit aus Batteriezellen und Sorptionsströmungskanälen eine integrierte Adsorber-Batterieeinheit, deren Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme als Ganzes durch die durchströmten Wärmeströmungskanäle geregelt wird. Bei dieser integrierten Anordnung lässt sich die Nettowärmebilanz aus Adsorber und Batterieanordnung als Ganzes besonders effektiv regeln und überwachen.

Die Batterieanordnung gemäß Fig. 4 kann so aufgebaut sein, dass die gesamte Oberfläche jeder einzelnen Batteriezelle im Wärmekontakt mit einer Kühlfluid aus dem zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf Z steht, wobei diese Anordnung wiederum insgesamt in Kontakt mit einem Adsorbensmaterial steht. Eine feste dünne und gut wärmeleitende Schicht, z. B. eine Aluminiumfolie, trennt den Bereich des Kühlfluids von dem Adsorbensvolumen.

Die umgekehrte Konstruktion ist ebenfalls möglich : Die Batteriezellen sind in Kontakt mit einem Adsorbensmaterial, das wiederum mit einem Kühlfluid in Kontakt steht Eine feste dünne Schicht, z. B. Aluminiumfolie trennt den Bereich Kühlfluids vom Adsorbensvolumen.

Diese Konstruktion ist kann an die Form der Zellen angepasst sein. Gezeigt ist in Fig. 4 eine Batteriezelle 1 in zylindrischer Form, die konzentrisch von einem inneren Strömungskanal 8 umgeben ist. Der innere Strömungskanal 8 wiederum ist von einem äußeren Strömungskanal 9 umgeben. Diese wiederum sind durch eine gut wärmeleitende Trennwand 10 voneinander abgetrennt, stehen aber miteinander im Wärmekontakt. Einer der beiden Strömungskanäle ist dabei mit dem Adsorbens Ads gefüllt und in diesem werden zyklisch Adsorptionen und Desorptionen ausgeführt, der andere wird von dem Fluid des Fluidkreislaufs durchströmt und dient beispielsweise dem Abführen überschüssiger

Adsorptionswärme sowie dem Kühlen der Batteriezelle während des

Normalbetriebs.

Diese Anordnung kann auch eine zumindest abschnittsweise alternierend angelegt sein, wie das untere Beispiel in Fig. 4 verdeutlicht.

Fig. 4a zeigt die Anordnung in einer perspektivischen Darstellung. Die

Batteriezelle 1 sowie die Strömungskanäle 8 und 9 bilden einen konzentrischen und zylindrischen Aufbau. Bei diesem kann innerhalb des Gesamtanordnung ein dynamisches thermisches Gleichgewicht zwischen der Batteriezelle und den Strömungskanälen 8 und 9 realisiert werden. Letztlich wird die Batteriezelle 1 dadurch temperiert, indem der Strömungskanal 8 und der Strömungskanal 9 in ihren Eigenschaften als Teil des Adsorbers bzw. des Fluidkreislaufes

untereinander Wärme tauschen, wobei der sich daraus ergebende

Wärmenettofluss aus der Batteriezelle 1 gespeist oder in die Batteriezelle abgegeben wird.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau einer Batteriezelle 1 mit umgebendem Adsorbens Ads als Teil des Adsorbers der Adsorptionswärmepumpe und Wärmeträgerplatten 11 an deren Stirnseiten in zwei Varianten. Die Wärmeträgerplatten bilden

beispielsweise Kühlplatten auf den Stirnseiten aus und kühlen bedarfsweise die Gesamtanordnung aus Batteriezelle und Adsorbens Ads. Die Batterie und die Adsorberpackung können auch so aufgebaut sein, dass die Seitenoberfläche der Batteriezellen mit Sorbentmaterial in Kontakt ist und die Oberseite und die Unterseite - oder nur die Oberseite oder nur die Unterseite - mit der

Kühlflüssigkeit des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs in Kontakt sind.

Die Wärmeableitung beim Schnellladen wird meist durch Desorption des

Adsorbensmaterials erreicht. Die Wärmeabfuhr bei Dauerbetrieb oder bei der Adsorption von überschüssigem Kondensat wird meist durch Wärmeübertragung auf die Kühlflüssigkeit erreicht. Die Vorwärmung der Batterie wird durch die Adsorption des als Kondensat vorliegenden Arbeitsmittels erreicht. Die Wärmeträgerplatten 11 weisen in ihrem Inneren Strömungskanäle 12 auf, die mit dem Fluid des zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs durchströmt werden.

Eine weitere Option, um mit dem System der Adsorptionswärmepumpe eine Flexibilität der Temperierung der Batterieanlage zu erreichen, ohne ein zweites Fluidsystem oder eine Wärmeleitungsstruktur zu benötigen, besteht darin, das gleiche System sowohl zur Wärmeübertragung durch De- und Adsorption, d.h. im Speicherbetrieb mit dem Betrieb als Adsorptionswärmepumpe, als auch zur Wärmeübertragung durch Zirkulation des Kältemittels ohne einen

Phasenübergang im kontinuierlichen Betrieb zu kombinieren.

Hierzu wird nach dem Aufladen der Batterie und der dadurch bewirkten

Desorption des Adsorbens das Adsorptiv in flüssiger Form im Überschuss in den Adsorber eingeführt. Der Adsorber wird somit geflutet, so dass im Adsorbens nicht die Adsorptionswärme durch Anlagerung des Adsorptivs aus der

Dampfphase, sondern die wesentlich geringere Bindungswärme aus der

Flüssigphase freigesetzt wird. Diese kann durch den Kreislauf des flüssigen Adsorptivs abgeführt werden. Das Adsorptiv wirkt somit ausschließlich als Wärmeträgermedium.

Ein solches System ermöglicht es, sowohl ein Fluid innerhalb des Adsorbers zirkulieren zu lassen als auch einen trockenen Adsorber zu regenerieren, d.h. mit Arbeitsmedium neu zu beschicken. Hierdurch wird sowohl eine kontinuierliche Kühlung als auch eine Kühlung während der schnellen Aufladung bereitgestellt. Durch Einstellung des Systemdrucks im zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf mit Hilfe des sekundären Kältekreislaufs kann vorab der Punkt gewählt werden, ab dem die Wärmeübertragung durch Zwangskonvektion in die Wärmeübertragung durch Desorption/Kondensation übergeht und ersetzt wird. Dies kann bei hohen Lade-Ieistungen, als auch bei hohen Entladeleistungen, z. B. bei hoher

Beschleunigung des Fahrzeugs erfolgen.

Alternativ kann durch Zu- und Abführen des flüssigen Adsorptivs mittels einer Pumpe festgelegt werden, ob sich das System im Modus der Zwangskonvektion und somit des Wärmekreislaufs oder im Modus Desorption/Kondensation und somit der Adsorptionswärmepumpe befindet. Für den Fall niedriger Außentemperaturen, die eine Erwärmung der Batterie durch Adsorption während des Fährbetriebs oder für den Kaltstart erforderlich macht, muss rechtzeitig zwischen der kontinuierlichen Kühlung und dem Adsorptions- /Desorptionsbetrieb, d.h. zwischen dem Betrieb als Wärmeträgerkreislauf und dem Betrieb als Adsorptionswärmepumpe, umgeschaltet werden. Dieser Modus muss durch das Fahrzeugmanagementsystem bei bestimmten Außentemperaturen aktiviert werden.

Die Figuren 6, 6a bis 6c zeigen die entsprechenden Betriebszustände anhand beispielhafter Blockdiagramme. Gezeigt sind gemäß Fig. 6 eine Reihe von

Batteriezellen 1, die jeweils von der Adsorbereinheit Ad umgeben sind. Über ein Ventil VI kann das Arbeitsmedium zwischen der Adsorbereinheit und dem

Phasenwandler Ph umgetrieben werden. Es ist weiterhin ein Vorratsreservoir V für das Arbeitsmedium sowie eine Pumpe P3 vorgesehen, die von einer Steuereinheit S zugeschaltet werden kann. Über eine Pumpe P2 kann ein Kreislauf zwischen dem Adsorber Ad, dem Phasenwandler sowie die Pumpe P2 realisiert werden. Ein Temperatursensor T und ein Beladungssensor L registrieren die Temperatur und die Fluidbeladung der Adsorbereinheit und der Batteriezellen und geben diese Werte an die Steuereinheit S aus.

Fig. 6a zeigt die Schaltung des Temperiervorrichtung der Batterieanlage während eines Schneiladevorgangs (Energieeintrag E). Die Batterieanordnung Ba besteht aus einzelnen Batteriezellen 1, zwischen denen die Adsorbereinheit Ad mit dem Adsorbens angeordnet sind. Über ein Ventil VI ist der Adsorber mit einem

Phasenwandler Ph verbunden. Weiterhin ist eine Pumpe P2 vorgesehen. Diese befinden sich in einem Zweig, der von dem Phasenwandler zurück zum Adsorber Ad führt. Der über das die Pumpe P2 führende Zweig wird dann aktiviert, wenn die Anordnung als Wärmeträgerkreislauf fungiert.

Bei einem Schnellladeprozess der Batterie wird das Ventil VI geöffnet. Die Pumpe P2 ist jedoch inaktiv. Das Arbeitsmedium wird durch die Wärmeabgabe der Batteriezellen 1 aus dem Adsorber Ad desorbiert und gelangt in den

Phasenwandler Ph, wo es kondensiert und die Wärme Q wie vorhergehend beschrieben in die Umgebung oder externe Komponenten abgibt. Nach dem Abschluss des Schnellladevorgangs befindet sich das Arbeitsmedium als Kondensat im Phasenwandler Ph. Die Batterieanordnung ist elektrisch aufgeladen und betriebsbereit. Sie gibt während des kontinuierlichen Fahrzeugsbetriebs und somit während der Entladung beständig Wärme ab und muss zum

Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur gekühlt werden.

Der Phasenwandler wird nun wie in Fig. 6b dargestellt aus einem Arbeitsmedium- Vorrat V mit Arbeitsmedium im Überschuss beschickt. Die Pumpe P2 treibt das im Überschuss zugesetzte Arbeitsmedium in den Adsorber Ad innerhalb der

Batterieanordnung. Dabei erfolgt ein zwangsweises Beaufschlagen des Adsorbers, wobei nur eine geringe Adsorption des Arbeitsmediums im Adsorbens erfolgt. Die Adsorption erfolgt deshalb nicht in größerem Maße, weil die Wärmeabgabe der Batterieanordnung dies verhindert. Das Arbeitsmedium fließt jedoch durch den Adsorber und nimmt dabei die von der Batterieanordnung erzeugte Wärme auf.

Es wirkt somit als ein Kühlmittel für die Batterieanordnung, wobei der bei geöffnetem Ventil VI unter dem Einfluss der Pumpe P2 sich vollziehende Kreislauf als Kühlkreislauf der Batterieanordnung dient. Das Arbeitsmedium gelangt dabei wieder in den Phasenwandler Ph und kann dort gesammelt und gegebenenfalls abgeleitet werden.

Nach Beendigung des Batteriebetriebs wird der Kühlkreislauf so betrieben, dass möglichst wenig flüssiges Arbeitsmedium im Adsorber verbleibt. Das im

Überschuss zugesetzte Arbeitsmedium wird aus dem Phasenwandler zurück in ein Reservoir abgeleitet. Der Kühlkreislauf ist damit bereit, um die Batterieanordnung erneut vorzuwärmen.

Das Vorwärmen der Batterieanordnung bei niedrigen Temperaturen ist in Fig. 6c verdeutlicht. Der Adsorber Ad ist praktisch von dem Arbeitsmedium frei. Der Phasenwandler Ph enthält einen Vorrat an flüssigem Arbeitsmedium. Es wird nun das Ventil VI geöffnet. Das flüssige Arbeitsmedium verdampft und wird an dem Adsorbens des Adsorbers Ad adsorbiert. Die dabei freiwerdende

Adsorptionswärme wird an die Batterie abgeleitet und wärmt diese auf.

Das Adsorbens besteht insbesondere aus hochkapillaren Materialien wie Zeoli- then. Das Arbeitsmedium diffundiert in den mit dem Adsorbens beschichteten Teil hinein. Dieser Teil erfüllt bei der Desorption des Arbeitsmediums die Rolle eines Verdampfungskühlers während der Batteriekühlung. Beim Adsorbieren des Arbeitsmediums wirkt dieser als eine Heizung zum Aufwärmen der Batterie.

Ein weiterer möglicher Aufbau des Systems ist in Fig. 7 dargestellt.

In den nachfolgenden Figuren 7 bis 13 bedeutet: 13 Kühlmittelpumpe, 14 Batterie mit Adsorber, 15 Kühlmittelverrohrung, 16 Rückkühler, 17 Phasenwechsler, 18 Heizer, 19 Kondensatventil und Leitung, 20 Kondensatpumpe, 21 Dampfventil und Leitung. Das Dampfventil 21 wird nur für die Wärmespeicherung im adsorptiven Betrieb benötigt.

Fig. 8 stellt einen Betriebsmodus einer kontinuierlichen Batteriekühlung über den zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf dar. Dieser Betriebsmodus wird wie folgt ausgeführt:

Das Arbeitsmedium, das als ein Systemkältemittel der Adsorptionswärmepumpe dient, beispielsweise Wasser, wird von den Phasenwechslern 17 durch die

Kondensatleitung und das Kondensatventil 19 in das Adsorbervolumen der Batterie mit dem Adsorber 14 mittels der Kondensatpumpe 20 gepumpt.

Beim Eintritt in das Adsorbervolumen breitet sich das Kühlmittel dank

Kapillarwirkung durch das Sorbensmaterial aus. Auf diese Weise wird das

Sorbensmaterial nass und die Wärme, die von den elektrischen Verlusten in den Batteriezellen erzeugt wird, verdampft das flüssige Kältemittel. Der Druck innerhalb des Adsorbervolumens ist daher nahe dem Verdampfungsdruck des Kältemittels bei der gewünschten Batterietemperatur.

Sobald es in Dampfform ist, fließt das Kühlmittel auf natürliche Weise zurück zu den Phasenwandlern 17, wo es wieder zu flüssiger Form kondensiert. Diese Kondensation erfolgt dank der aktiven Kühlung der Komponenten des

Phasenwechslers, die entweder über einen Umgebungstemperatur- Rückkühlerkreislauf 16 oder über eine Kopplung der Fahrzeug-Wärmepumpe (oder einer Kompressor-basierten Klimaanlage) erreicht wird. Wichtig ist hier, dass dieser Prozess durch die Kondensatpumpe 20 erzwungen und nicht durch Adsorptionen und Desorptionen getrieben wird. Infolgedessen spielt das Adsorbensmaterial in diesem Betriebsmodus lediglich die Rolle eines Wärmeverteilers. Dieser Prozess findet kontinuierlich statt, solange Abwärme von der Batterie vorhanden ist, um die Verdampfung des Kühlmittels anzutreiben, wobei das kondensierte Kühlmittel zurück in den Adsorber gepumpt wird.

Fig. 9 stellt den Betriebsmodus einer kontinuierlichen Erwärmung der Batterie dar. Das System kann zur Erwärmung der Batterie an kalten Tagen dank externer Wärmezufuhr verwendet werden. In diesem Modus arbeitet das System wie folgt:

Wärme von einer externen Wärmepumpe des Fahrzeugs oder von einer externen Heizung 18 wird an die Phasenwechsler 17 zugeführt. Die Wärme ermöglicht die Verdampfung des in den Phasenwechslern 17 befindlichen Kühlmittelkondensats. Das verdampfte Kühlmittel strömt natürlich zu dem Adsorbervolumen der Batterie und des Adsorbers 14, wo es bei Kontakt mit der kalten Oberfläche kondensiert. Die Oberfläche erwärmt sich beim Empfang der Kondensationswärme. Diese Wärme wird dann durch Wärmeleitung auf die Batterie übertragen.

Das kondensierte Kältemittel strömt durch Schwerkraft auf den Boden des Adsorbervolumens und wird dank der Kondensatpumpe 20 über die

Kondensatleitung zu den Phasenwechslern zurückgepumpt. Auch hier ist zu betonen, dass dieser Prozess zwangskonvektiv erfolgt und mittels der

Kondensatpumpe getrieben wird.

Dieser Zyklus kann fortgesetzt werden, bis die gewünschte Batterietemperatur erreicht ist.

Ein weiterer Betriebsmodus stellt auf eine Wärmespeicherung ab. In Fig. 10 ist ein Dampfventil 21 auf der Dampfleitung des Systems dargestellt. Dieses Ventil ist vorhanden, wenn ein thermischer Energiespeicher mit dem System verwendet werden soll. Die Wärmespeicherkapazität ist abhängig von der Menge an

Sorptionsmaterial, die in dem Adsorber enthalten ist.

Im Wärmespeichermodus arbeitet das System wie im Folgenden beschrieben :

Das Laden des Speichersystems in Verbindung mit einem Kühlvorgang ist in der Fig. 10 dargestellt. Die Kondensatleitung ist mittels des Kondensatventils 19 geschlossen. Die elektrische Abwärme von der Batterie während des Schnellladens oder anderer Betriebsmodi wird verwendet, um das feuchte

Adsorbens in der Anordnung aus Batterie und Adsorber 14 zu desorbieren. Der aus dieser Desorption freigesetzte Kältemitteldampf strömt zu den

Phasenwechslern, wo er kondensiert. Diese Kondensation erfolgt durch aktive Kühlung der Phasenwechsler über externe Schaltungen wie die

Fahrzeugwärmepumpe oder Kompressor-basierte Klimaanlage oder die

Umgebungstemperatur-Kühlkreislauf. Sobald die gewünschte Kältemittelmenge von dem Adsorbensmaterial desorbiert wurde oder sobald dieses trocken ist, kann das Dampfleitungsventil 21 geschlossen werden, um den Adsorber vollständig von den Phasenwechslern 17 zu isolieren.

Das Entladen des Speichersystems in Verbindung mit einer Aufwärmung der Batterieanordnung ist in Fig. 11 dargestellt. Bevor die Wärmeenergie an den Adsorber abgegeben wird, ist der Adsorber kalt und sowohl das Kondensat als auch die Dampfleitungen befinden sich in geschlossenen Zuständen, d.h. der Adsorber 14 und die Phasenwechsler 17 sind vollständig voneinander isoliert. Die Freisetzung von Wärmeenergie findet statt, wenn die Dampfleitung geöffnet wird. Das Öffnen des Ventils 21 verringert den Druck in dem Phasenwandler und das Kältemittelkondensat beginnt zu verdampfen, fließt zu dem Adsorber und wird durch das Adsorbensmaterial adsorbiert. Die Adsorption des Kältemittels setzt Wärmeenergie frei, die über Leitung zur Batterie übertragen wird. Auf der anderen Seite kühlt die stattfindende Verdampfung die Phasenwechsler ab. Damit dieser Prozess so lange wie erforderlich dauert oder solange das System nicht vollständig entladen ist, muss die Verdampfungswärme den Phasenwandlern zugeführt werden. Diese Verdampfungswärme kann bei Umgebungstemperatur über den Rückkühlerkreislauf zugeführt werden, um die Temperatur der

Phasenwechsler stabil zu halten.

Ein Vorteil des oben beschriebenen Wärmemanagementsystems besteht darin, dass es sehr sicher ist. Das Kältemittel, beispielsweise Wasser, kann eine sichere und umweltfreundliche Substanz sein. Der größte Teil des im Adsorbervolumen vorhandenen Kältemittels ist dampfförmig, was im Falle von Wasser nichtleitend ist und eine bessere elektrische Durchschlagsfestigkeit als Luft aufweist. Am Boden des Adsorbers können sich nur geringe Mengen flüssigen Kältemittels sammeln. Wie in der Fig. 12 gezeigt, bei einem Systemausfall würde das Flüssigkeitsvolumen aufgrund des erhöhten Systemdrucks den Adsorber automatisch verlassen. Infolgedessen ist das System eigensicher und das

Adsorbensmaterial kann in der Nähe der Batteriezellen angeordnet werden, ohne die Fahrzeugsicherheit zu beeinträchtigen.

Das hier beschriebene Heat-Pipe-System kann auf Anwendungen ausgedehnt werden, bei denen kleine elektronische Komponenten für hochdichte und raumbeschränkte Kühlanforderungen gekühlt werden. In der Tat kann die

Wärmeleitung durch das Material mit einer Schicht aus Sorptionsmaterial mehr als 10 kW/m 2 K betragen, was eine große Verbesserung im Vergleich zu einem

Kühlsystem auf der Basis von Kühlmittelzirkulation darstellt.

Elektronische Komponenten können große Wärmemengen pro Oberflächeneinheit freisetzen. Dieses Heat-Pipe-System ermöglicht es, diese Wärme auf eine viel größere Oberfläche zu versetzen, die Phasenwechsler, bei denen externe

Kreisläufe auf herkömmliche Weise verwendet werden können, um die Wärme an die Umgebung abzuführen. Dies ist in Fig. 13 dargestellt. In Fig. 13 bedeuten: 22 Kühlmittelpumpe, 23 Gekühlter Chip mit Adsorber, 24 Kühlmittelverrohrung, 25 Rückkühler, 26 Phasenwechsler, 27 Kondensatventil und Leitung, 28

Kondensatpumpe, 29 Dampfleitung.

Die Hauptvorteile einer Adsorption basierten Heat-Pipe-System sind eine extrem hohe Wärmeleitung, eine Gleichmäßige Wärmeab- und Zufuhr, ein

kontinuierlicher Betrieb sowohl bei der Kühlung als auch bei der Aufwärmung und eine Möglichkeit Wärme zu speichern für einen geringen Stromverbrauch.

Bezugszeichenliste

A Adsorptionswärmepumpe

Ad Adsorber

Ads Adsorbens

Ba Batterieanordnung

E elektrische Batterieladung bzw. -entladung

F Fluidkreislauf HP Wärmerohr

K Klimasystem

Pl-3 Pumpen

Ph Phasenwandler

VI Ventil

Q Wärme

WÜ Wärmeübertrager

Z zusätzlicher Wärmeträgerkreislauf

1 Batteriezelle

2 Wärmeleitungsvorrichtung

3 Adsorbensabschnitt

4 Wärmeleitabschnitt

5 Sorptionsströmungskanal

6 Wärmeströmungskanal

7 Batteriepack

8 innerer Strömungskanal

9 äußerer Strömungskanal

10 Trennwand, wärmeleitend

11 Wärmeträgerplatte

12 Strömungskanal

13 Kühlmittelpumpe

14 Batterie mit Adsorber

15 Kühlmittelverohrung

16 Rückkühler

17 Phasenwechsler

18 Heizer

19 Kondensatventil und Leitung

20 Kondensatpumpe

21 Dampfventil und Leitung

22 Kühlmittelpumpe

23 gekühlter Chip mit Adsorber

24 Kühlmittelverrohrung

25 Rückkühler Phasenwechsler

Kondensatventil und Leitung Kondensatpumpe

Dampfleitung