DE102009058842A1

DE102009058842A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Temperieren von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102009058842A1
Application number: DE102009058842A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 16548 Birke; Michael 76534 Keller; Manfred 82377 Malik; Michael 12277 Schiemann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-12-19
Also published as: DE102009058842B4; WO2011072988A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperierungsvorrichtung für ein Fahrzeug (11) mit zumindest einem Phasenwechselmaterial (2), das mit einem Fahrgastinnenraum (9) des Fahrzeugs (11) und mit einer Batterie (1) des Fahrzeugs (11) in thermischen Kontakt bringbar ist sowie ein geeignetes Verfahren zum Temperieren eines Fahrgastinnenraums mit dieser Temperiervorrichtung sowie ein Fahrzeug mit dieser Temperiervorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren eines Fahrzeugs, insbesondere dessen Fahrgastzelle und Batterie sowie eine entsprechend temperierte Batterie und ein entsprechend temperiertes Fahrzeug.
Insbesondere elektrisch angetriebene Fahrzeuge werfen eine Reihe von Temperierungsproblemen auf. Zum einen ist es hier erforderlich, dass die Batterie auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, damit sie einen optimalen Wirkungsgrad liefert. Darüber hinaus ist die Temperierung des Fahrgastinnenraums schwierig, da verglichen mit Fahrzeugen mit einem reinen Antrieb über Verbrennungsmotoren nur eine geringe Abwärme erzeugt wird. Insbesondere im Winter steht daher bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen nicht genügend Wärme zur Heizung des Fahrgastinnenraums zur Verfügung.
Aus dem Stand der Technik sind folgende Ansätze, die Temperatur zu regeln, bekannt: Zum einen kann eine Heizung mit fossilen Brennstoffen eingesetzt werden, wie beispielsweise bei Standheizungen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass sie die Umweltbilanz des Fahrzeugs verschlechtert.
Eine weitere Lösung besteht darin, dem elektro-chemischen Energiespeicher, also der Batterie, elektrische Energie zum Heizen zu entnehmen, was jedoch den Nachteil hat, dass hierdurch die Reichweite des Fahrzeugs deutlich herabgesetzt wird.
Zur Kühlung des Fahrgastinnenraums sind die üblichen Klimaanlagen bekannt, die auf Kompressor, Kondensator und Verdampfer beruhen. Da diese Anlagen Energie verbrauchen, setzen auch sie die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs deutlich herab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Probleme zu überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Temperierungsvorrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, das Fahrzeug nach Anspruch 7, das Verfahren zum Temperieren eines Fahrgastinnenraums und einer Batterie eines Fahrzeugs nach Anspruch 9 und die Batterie für ein Fahrzeug nach Anspruch 12.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass Phasenwechselmaterialien in Latentwärmespeichern besonders geeignet sind, Temperierungsaufgaben in Elektrofahrzeugen zu lösen.
Ein Latentwärmespeicher (latere (lat.) verbergen), im Folgenden auch kurz als Latentspeicher bezeichnet, speichert thermische Energie durch die Änderung des Aggregatzustandes eines Speichermediums. Solche Medien zur Energiespeicherung werden auch als ”Phasenwechselmaterialien” (engl. Phase Change Material, PCM) bezeichnet.
Zu diesen Phasenwechselmaterialien zählen beispielsweise Paraffine, auch bekannt als Material für Kerzen, die beim Schmelzen sehr viel Wärmeenergie aufnehmen (beladen), welche sie beim Erstarren wieder abgeben können (entladen). Ähnlich verhalten sich auch einige Salze, wie z. B. Nitratsalze.
Bei der Einspeicherung von Wärme in das Speichermaterial beginnt das Material bei Erreichen der Temperatur des Phasenübergangs seine Phase zu wechseln, beispielsweise zu schmelzen, und erhöht dann, trotz weiterer Einspeicherung von Wärme, seine Temperatur nicht, bis das Material komplett die Phase gewechselt hat. Erst dann tritt wieder eine Erhöhung der Temperatur auf. Da für längere Zeit trotz Wärmezufuhr keine merkliche Temperaturerhöhung auftritt, nennt man die während des Phasenübergangs eingespeicherte Wärme, ”versteckte Wärme” oder auch ”latente Wärme”. Latentwärmespeicher haben pro Volumeneinheit eine entsprechend hohe Wärmekapazität.
Erfindungsgemäß wird durch den Einsatz derartiger Phasenwechselmaterialien eine Regelung der Temperatur einer Batterie eines Fahrzeugs und/oder eines Fahrgastinnenraums eines solchen Fahrzeugs erreicht.
Zunächst soll die Funktion bei der Temperierung einer Batterie eines Fahrzeugs beschrieben werden. Hierbei werden zumindest zwei Phasenwechselmaterialien in thermischem Kontakt zur Batterie angeordnet. Thermischer Kontakt bedeutet hier, dass Wärme von der Batterie zum Latentwärmespeicher gelangen kann und vom Latentwärmespeicher zur Batterie gelangen kann. Ein thermischer Kontakt kann insbesondere über wärmeleitende Materialien hergestellt werden. Die Phasenwechselmaterialien liegen als Mischung oder Emulsion vor. Wird nun durch die Batterie Wärme erzeugt, so fließt diese Wärme zu dem Latentwärmespeicher. Hierdurch erwärmen sich die Phasenwechselmaterialien. Bei Erreichen der Phasenwechseltemperatur des Materials mit der niedrigeren Phasenwechseltemperatur fängt dieses an, seinen Aggregatzustand zu wechseln, beispielsweise zu schmelzen. Solange dieses Material nicht vollständig seine Phase gewechselt hat, erhöht sich seine Temperatur nicht weiter. Wird also durch die Batterie zunehmend Wärme erzeugt, so kann diese zum Latentwärmespeicher abgeleitet werden, wodurch sich die Temperatur der Batterie nicht weiter erhöht.
Phasenwechselmaterialien im Sinne der Erfindung können solche sein, die ihren Aggregatszustand von fest nach flüssig, von flüssig nach gasförmig oder von fest nach gasförmig wechseln können.
Das Phasenwechselmaterial kann zumindest bereichsweise von einem thermischen Isolationsmaterial umgeben sein, so dass es zumindest bereichsweise thermisch isoliert wird.
Die entsprechende Phasenwechseltemperatur ist hierbei vorzugsweise ≥ 10°C, vorzugsweise ≥ 20°C, vorzugsweise ≥ 50°C, vorzugsweise ≥ 100°C und/oder ≤ 350°C, vorzugsweise ≤ 300°C, vorzugsweise ≤ 200°C.
Durch die Kopplung mit einem Latentwärmespeicher wird außerdem erreicht, dass die Temperatur der Batterie nicht unter ihre Betriebstemperatur sinkt. Geht nämlich die Wärmeerzeugung durch die Batterie zurück, und die Batterie kühlt ab, so wird den Phasenwechselmaterialien Energie entzogen, was wiederum dazu führt, dass die Phasenwechselmaterialien der Latentwärmespeicher zunehmend aushärten oder kondensieren, die Batterietemperatur aber nicht weiter sinkt, bis die Wärmeenergie in den Phasenwechselmaterialen erschöpft ist. Hierbei wird Wärme frei, die zur Batterie geleitet wird. Nimmt man an, dass Batterie und Phasenwechselmaterialien im thermischen Gleichgewicht stehen, so wird die Batterie auf der Phasenwechseltemperatur, z. B. Schmelztemperatur, des Phasenwechselmaterials gehalten, solange dieses nicht vollständig einen der beiden in Frage kommenden Aggregatzustände angenommen hat.
Auf ähnliche Weise ist auch der Fahrgastinnenraum eines Fahrzeugs temperierbar. Es wird hier vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial gewählt, dessen Phasenwechseltemperatur der einzustellenden Temperatur im Fahrgastinnenraum entspricht. Das Phasenwechselmaterial wird hierbei in thermischem Kontakt mit dem Fahrgastinnenraum gebracht. Erwärmt sich nun der Fahrgastinnenraum, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung, so wird Wärme zum Phasenwechselmaterial geleitet, welches hierdurch beginnt, seine Phase zu wechseln, beispielsweise zu schmelzen. Sinkt hingegen die Fahrgastraumtemperatur unter die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials und befindet sich dieses nicht bereits vollständig in der kühleren Phase, so wird Wärme aus dem Phasenwechselmaterial in den Fahrgastinnenraum geleitet, während das Material seine Phase zunehmend hin zur kälteren Phase wechselt, es also beispielsweise aushärtet. Thermischer Kontakt kann u. a. über verschiedene Wärmeleitungskonzepte, wie z. B. heat pipes, hergestellt werden. Die Phasenwechseltemperatur wird vorzugsweise so gewählt, dass die einzustellende Temperatur den gewünschten Wert annimmt.
Neben einer getrennten Temperierung von Batterie und Fahrgastinnenraum ist es auch möglich, die Temperierungssysteme miteinander zu koppeln. So kann beispielsweise Wärme, die durch die Batterie erzeugt wurde und im Phasenwechselmaterial gespeichert wurde, zum Fahrgastinnenraum abgeführt werden, um diesen zu erwärmen. Natürlich ist es auch möglich, dass aus dem Fahrgastinnenraum abgeführte wärme im Phasenwechselmaterial gespeichert wird und dann zur Erwärmung der Batterie verwendet wird.
In verschiedenen Situationen ist es denkbar, dass eine Erwärmung des Fahrgastinnenraums und/oder der Batterie eines Fahrzeugs erfolgen soll, ohne dass im Fahrgastinnenraum oder der Batterie bereits eine hinreichende Menge an Wärme erzeugt worden wäre, um den Latentwärmespeicher bzw. sein Phasenwechselmaterial mit der notwendigen Wärme zu laden. Andererseits kann es auch vorkommen, dass das Phasenwechselmaterial bereits vollständig in dem wärmeren Aggregatszustand ist, so dass weitere Wärme nicht ohne Erhöhung der Temperatur abgeführt werden kann. In solchen Fällen ist es möglich, den Latentwärmespeicher oder das Phasenwechselmaterial und die Batterie von außen vorzuwärmen und somit die Batterie auf die optimale Betriebstemperatur zu bringen und gleichzeitig genug Wärmeenergie im Phasenwechselmaterial zu speichern oder gegebenenfalls bei zu hoher Batterietemperatur die Temperatur zur Lebensdaueroptimierung etwas abzusenken, wenn diese sich aufgrund der beim Laden entstehenden Wärme zu stark erwärmt hat. Dies kann beispielsweise während eines Ladevorgangs der Batterie über ein intern im Fahrzeug befindliches „on board” oder ein externes „off board” Ladegerät bzw. elektronische Last bei (Energieentnahme) geschehen. So kann also während des Ladens der Batterie durch eine von außen mit Spannung versorgte Vorrichtung gleichzeitig Wärme erzeugt werden, mit welcher der Latentwärmespeicher in einen Aggregatszustand durch Wärmeaufnahme versetzt wird. Andererseits ist es auch möglich, während des Ladens ein im wärmeren Aggregatszustand befindliches Phasenwechselmaterial abzukühlen, so dass sich dieses vollständig in seinen kühleren Aggregatszustand begibt. Der Fahrgastinnenraum und/oder die Batterie können also durch von einem Ladegerät bereitgestellte Spannung auf eine vorgegebene Temperatur temperiert, geheizt oder gekühlt werden. Grundsätzlich können die Phasenwechselmaterialien auch selbst als Latentwärmespeicher angesehen werden.
Unter Fahrzeugen im Sinne der Erfindung werden insbesondere Kraftfahrzeuge verstanden, die zumindest eine Batterie aufweisen. Bevorzugt sind dies Fahrzeuge, deren Vortrieb zumindest zum Teil über Elektromotoren erfolgt. Hierunter fallen zum einen rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge (EV), zum anderen aber auch Hybridfahrzeuge, wie z. B. Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV). Auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren werden umfasst, in denen eine Batterie beispielsweise zum Betreiben des Anlassers dient.
Als Phasenwechselmaterialien kommen alle Materialien in Frage, die im gewünschten Temperaturbereich eine Phasenwechseltemperatur haben. Hierbei kann die Phase (Aggregatszustand) von flüssig auf gasförmig, von fest auf gasförmig, oder bevorzugt von fest auf flüssig wechseln. Möglich sind z. B. Phasenwechselmaterialien mit ionischen Flüssigkeiten, Salzen, die bei Raumtemperatur schmelzen, Flüssigkristallen, organischen Lösungsmitteln, wie z. B. Tert-Butanol, Glycerin, Ethylencarbonat (EC). Auch Lösungen von Salzen in Wasser oder in Lösungsmitteln, auch Mischungen, kommen in Frage.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch eine Batterie mit integriertem Latentwärmespeicher angegeben. Hierbei stehen eine oder mehrere Batteriezellen, wie beispielsweise Batterieflachzellen oder Rundzellen, in thermischem Kontakt mit zumindest zwei Phasenwechselmaterialien. Vorzugsweise ist die Phasenwechseltemperatur zumindest eines der Phasenwechselmaterialien die optimale Betriebstemperatur der Batterie oder liegt in deren Nähe.
Vorzugsweise steht die Batterie mit zumindest zwei Phasenwechselmaterialien in thermischem Kontakt, die unterschiedliche Phasenwechseltemperaturen haben. Dadurch ist es möglich, bei normalem Batteriebetrieb entstehende Wärme mit jenem Phasenwechselmaterial aufzunehmen, dass die niedrigere Phasenwechseltemperatur hat und für den Fall, dass die Batterie einen Anstieg der erzeugten Wärme verursacht, welche zu einer Erwärmung auf die Phasenwechseltemperatur des zweiten Phasenwechselmaterials führt, diese Wärme zusätzlich im zweiten Phasenwechselmaterial zu speichern.
Es ist bevorzugt, wenn das Phasenwechselmaterial oder die Phasenwechselmaterialien die Batteriezellen zumindest bereichsweise umgeben und besonders bevorzugt in ein Batteriegehäuse der Batterie direkt integriert sind. Die Batteriezellen sind also in die Phasenwechselmaterialien eingebettet und können diese unmittelbar berühren. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn das oder die Phasenwechselmaterialien elektrisch nicht leitend sind, da dann keine weiteren Maßnahmen zur elektrischen Isolierung notwendig sind. Ein besonders bevorzugtes Phasenwechselmaterial ist in diesem Falle Paraffin. Dieses hat auch den Vorteil, dass es Stöße und mechanische Schwingungen sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand effektiv dämpft.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, wo ein Batteriegehäuse mit den Phasenwechselmaterialien gefüllt ist und eine oder mehrere Batteriezellen in dem Batteriegehäuse in die Phasenwechselmaterialien eingebettet sind. Auf diese Weise ist eine sehr direkte Übertragung von Wärme zwischen Batteriezellen und Latentwärmespeicher möglich. Es kann außerdem im oberen Bereich der Batterie eine Kühlvorrichtung eingebaut sein, wie beispielsweise eine Heat-Pipe zur Luftrückkühlung.
Die thermische Kopplung zwischen Phasenwechselmaterialien und Fahrgastinnenraum und/oder Batterie kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Zum einen ist eine Kopplung über wärmeleitende Festkörper oder Flüssigkeiten, also Wärmeleiter, möglich.
Grundsätzlich funktioniert der Wärmetransport in Festkörpern über Schwingungen der Gitterbausteine. Die Gitterbausteine bewegen sich schneller und sind dadurch energiereicher. Durch Stöße mit den Nachbarteilchen geben sie ihre Energie an weitere Gitterbausteine ab. Die weiteren Gitterbausteine fangen an zu schwingen, bis der gesamte Festkörper erwärmt ist. Die Wärme fließt dabei immer in Richtung des Temperaturgefälles, was entsprechend z. B. die Strecke vom Latentspeicher zum kälteren Fahrgastinnenraum des Fährzeuges sein kann. Metalle leiten besonders gut die Wärme (z. B. Aluminium, Kupfer oder Legierungen, wie AlMgSi_0,5) und kombinieren gute Wärmeleitung mit geringem Gewicht und geringen Kosten. Bei Metallen wird die Wärme neben den Gitterschwingungen zusätzlich durch frei bewegliche Ladungsträger, die Elektronen, übertragen, daher ist der Wärmeleitwert besonders hoch.
Der Wärmeleiter kann dann vorzugsweise Aluminium, Kupfer, Mangan, Silizium, zumindest eine Legierung dieser Materialien und/oder AlMgSi_0,5 aufweisen oder daraus bestehen.
Eine andere Möglichkeit der Wärmeleitung besteht im Vorsehen eines Wärmeröhrensystems, wobei Wärmetransportmittel mit geringer Verdampfungstemperatur eingesetzt werden.
Wärmerohre enthalten grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen, meist in Form eines Rohres. Es ist mit einem Arbeitsmedium (z. B. Alkohol) gefüllt, das das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren Teil in dampfförmigem Zustand ausfüllt. Darin befinden sich je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke.
Bei Wärmeeintrag aus dem Fahrgastinnenraum beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung Kondensator (z. B. kühlerer Latentspeicher), wo er wegen der niedrigeren Temperatur (Wärmesenke) kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene Wärme an den Latentspeicher wieder abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt durch Schwerkraft (z. B. Thermosyphon) bzw. durch die Kapillarkraft (z. B. Heatpipe) wieder zurück zum Verdampfer. Der Vorteil des Einsatzes von Wärmerohren ist der extrem schnelle Wärmetransport. Dieser kann bezogen auf Wärmemenge und Geschwindigkeit bis zum 100 bis 1.000fachen betragen verglichen mit geometrisch gleichen Bauteilen aus massivem Aluminium oder Kupfer. Wärmerohre können erfindungsgemäß Heat-Pipes und/oder Thermosiphons sein.
Die Erfindung macht es u. a. möglich, den Latentwärmespeicher eines Fahrzeugs in der kalten Jahresperiode parallel zur elektrischen Aufladung der Batterie thermisch zu beladen, um eine Heizung im Fahrzeug zu haben.
Dabei kann die Batterie zusätzlich im günstigen Arbeitstemperaturbereich gehalten werden und die Abwärme der Batterie in die Heizung des Fahrgastinnenraumes eingespeist werden.
Hierdurch muss die wertvolle elektrische Energie während der Fahrt nicht aus der Batterie verwendet werden.
Die Batterietemperierung kommt der Batterielebensdauer und Batterieperformance zugute.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Beispiele näher erläutert werden.
Es zeigt
1 einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie, die über einen Latentwärmespeicher temperierbar ist;
2 einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie mit einem Luft-Wärmetauscher zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes; und
3 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
Zunächst sollen vier Situationen gezeigt werden, in welchen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen anwendbar sind.
In einer ersten Situation steht das Fahrzeug zum Laden der Batterie während der Fahrgastinnenraum beheizt wird.
Beim Ladevorgang der Batterie über das Ladegerät – es handelt sich z. B. um einen 12 V Serviceanschluss des Ladegerätes, oder die zur Versorgung notwendige Spannung wird über den im Fahrzeug integrierten DC/DC-Wandler eingestellt bzw. das Ladegerät ist auf die notwendige Ladespannung eingestellt – wird gleichzeitig die Wärmeenergie für den Latentwärmespeicher zugeführt, die Antriebsbatterie auf optimale Temperatur gebracht und der Fahrgastraum durch den Nutzer auf einen voreingestellten Temperaturwert temperiert (gekühlt oder geheizt). Der Latentspeicher ist sehr gut isoliert, um die Wärme nicht permanent an die Umgebung abzugeben und eventuell über längere Perioden (z. B. über Nacht) zu speichern.
Ist der Ladevorgang an der Batterie beendet, hat das Ladegerät die zusätzliche Aufgabe/Funktion, die Temperatur auf den im Fahrzeug durch den Nutzer voreingestellten Wert und die Batterie auf der optimalen Betriebstemperatur von z. B. 25°C. zu halten.
Eine zweite Situation ist die Heizung des Fahrgastinnenraums, während das Elektrofahrzeug in Betrieb ist.
Bei diesem Betriebsmodus gibt der Latentspeicher bzw. das Phasenwechselmaterial die Wärme über eine Wärmekopplung über Festkörperübergänge gesteuert an den Fahrgastinnenraum ab. Die Steuerung über Festkörperübergänge kann über verschiedene Stärken der Auflageflächen zwischen zwei Übergängen oder über die Querschnitte von Wärmeleitungen erfolgen.
Die Abwärme der Batterie, die beim Betrieb entsteht, wird genutzt, um Wärmeenergie an den Latentspeicher ebenfalls über eine Wärmekopplung zuzuführen. Bei Pausen (Parken zum Einkaufen, Arbeitszeiten usw.), wenn keine Verbindung über das Ladegerät besteht, speichert das Phasenwechselmaterial die Wärmeenergie bevorzugt durch eine zusätzliche Isolierung besonders gut und vermindert das Abkühlen der Batterie durch entsprechende Wärmerückspeisung. Bei der Wärmeabgabe an den Festkörper oder an die Umgebung ändert sich das verwendete Mittel im Latentspeicher vom Aggregatszustand flüssig zu festem Aggregatszustand.
Eine dritte Beispielsituation ist jene des stehenden Fahrzeugs, welches geladen wird, wobei der Fahrgastinnenraum gekühlt wird.
Beim Ladevorgang kann die Kühlung des Fahrzeuges entweder durch einen Kühleraufbau mit Kompressor, Kondensator und Verdampfen verwirklicht werden, wobei die Energie zur Kühlung vom Ladegerät zugeführt wird oder die Wärme über Wärmerröhren und/oder Heatpipes aus dem Fahrgastinnenraum zum Latentspeicher oder zum Verdampfer aus dem Fahrgastinnenraum abgeführt wird. Das Temperaturgefälle zum schnellen Wärmeabtransport entsteht dabei durch eine Wärmesenke z. B. durch den Wärmeunterschied zum Latentspeicher oder durch Betrieb eines Kondensatorlüfters am Ende der Heatpipe.
Als vierte Beispielsituation soll jene des Fahrzeugs in Betrieb beschrieben werden, dessen Fahrgastinnenraum gekühlt wird.
An heißen Tagen und bei Temperaturen, die oberhalb des Komfortbereiches liegen, kann der Latentspeicher zur Verringerung der Erwärmung durch die eigene Wärmekapazität beitragen. Zusätzlich kann ein Kühleffekt durch einen Wärmeabtransport aus dem Fahrgastinnenraum über ein eingebautes Wärmeröhrensystem erfolgen, wobei zum Wärmetransport Mittel mit geringer Verdampfungstemperatur eingesetzt werden.
Bei Pausen (Parken zum Einkaufen, Arbeitszeiten usw.), wenn keine Verbindung über das Ladegerät besteht, speichert der Latentspeicher die Wärmeenergie durch eine optimale Isolation des Speichers, der bei Wiederaufnahme des Betriebs wieder für Kühlung im Fahrgastinnenraum sorgt.
Die Größe (Kapazität) des Latentspeichers ist so optimiert, dass für typische Fahrstrecken die Temperatur des Fahrgastraumes trotz geringer Außentemperatur auf angenehme Fahrtemperatur (z. B. von 18°C bis 25°C) geregelt werden kann.
1 zeigt ein Beispiel für eine Batterie, in welcher ein Latentwärmespeicher integriert ist. Hierbei ist ein erstes Phasenwechselmaterials 2 sowie ein in diesem ersten Phasenwechselmaterial emulgiertes oder mikrogekapseltes zweites Phasenwechselmaterial 3 in einem Batteriegehäuse 1 untergebracht. In die Phasenwechselmaterialien 2 und 3 sind eine Vielzahl von Batteriezellen 4 eingebettet. Da das erste Latentwärmespeichermaterial 2 eine hohe Wärmekapazität hat, bleibt die Temperatur der Batterie lange Zeit im optimalen Bereich, beispielsweise 25°C. Das zweite Phasenwechselmaterial 3 kann beispielsweise durch mikrogekapselte Paraffine gebildet werden, die eine andere Phasenwechseltemperatur haben als das erste Phasenwechselmaterial 2, beispielsweise 38°C. Nach einem Schmelzen des ersten Phasenwechselmaterials 2 kann die Temperatur durch Konvektion von der Wärmequelle, also beispielsweise den Batteriezellen, zum Rückkühler transportiert werden, der beispielsweise Wärme zum Fahrgastraum transportieren kann und so zur Temperaturkonditionierung des Fahrgastraums dienen kann.
Für Wärmespitzen an der Batterie, also zeitweise Wärmeschübe, ist das zweite Phasenwechselmaterial 3 vorgesehen. Durch die während eines Wärmeschubs auftretende höhere Temperatur wird das zweite Phasenwechselmaterial 3 geschmolzen und so eine Kühlung erreicht.
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie mit einem Luft-Wärmetauscher 5 zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes. Der Luft-Wärmetauscher 5 ist hierbei oberhalb der Batteriezellen 4 und des Latentwärmespeichers 2 angeordnet. Der Luft-Wärmetauscher 5 ist mit den Phasenwechselmaterialien 2 über eine Vielzahl von Heat Pipes 7 thermisch kontaktiert. Wie auch in 1, sind die Batteriezellen 4 in die Latentwärmespeichermaterialien 2 eingebettet und von diesen umgeben. Wie auch in 1, kann hier das Latentwärmespeichermaterial 2 ein Phasenwechsel-Wärmespeichermedium sein, in welchem zwei verschiedene Phasenwechselmaterialien mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen vorliegen, wobei das eine Phasenwechselmaterial in das andere eingemischt oder gekapselt ist. Es kann auch ein Phasenwechselmaterial in einem Trägermedium vorliegen.
Unterhalb der Batteriezellen 4 kann außerdem eine Heizvorrichtung 8 vorgesehen sein, mit welcher das Phasenwechselmaterial 2 von außen erwärmbar ist. Hierdurch kann das Phasenwechselmaterial, beispielsweise während eines Ladevorgangs der Batterie, vorgewärmt werden. Die Batteriezellen 4 sowie das sie umgebende Phasenwechselmaterial 2 und die Heizvorrichtung 8 sind innerhalb des Batteriegehäuses untergebracht, welches nach außen über eine thermische Isolierung 6 gegenüber der Umgebung isoliert ist. Auf diese Weise erwärmt sich die Batterie nicht durch Wärmezufuhr von außen und kühlt nicht durch Wärmeabfluss nach außen ab.
Über den Luft-Wärmetauscher 5 kann Wärme zwischen dem Inneren der Batterie und beispielsweise dem Fahrgast-innenraum eines Fahrzeugs ausgetauscht werden, so dass wechselseitige Temperierung möglich ist.
3 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 11, welches beispielsweise ein Elektrofahrzeug 11 sein kann. Das Fahrzeug 11 weist eine Batterie 1 auf, welche z. B. wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein kann. Das Fahrzeug 11 weist außerdem einen Fahrgastinnenraum 9 auf. Die Batterie 1 und der Fahrgastinnenraum 9 sind mittels einer erfindungsgemäßen Temperierungsvorrichtung, welche einen Latentwärmespeicher 10 mit zumindest einem Phasenwechselmaterial 2 aufweist, temperierbar. Hierbei erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem Phasenwechselmaterial 2 und der Batterie 1 über ein Element 12 zur Herstellung eines thermischen Kontaktes. Ein Wärmeaustausch zwischen dem Fahrgastinnenraum 9 und dem Phasenwechselmaterial 2 erfolgt über ein weiteres Element 13 zur Herstellung eines thermischen Kontaktes. Die Elemente zur Herstellung eines thermischen Kontaktes 12 und 13 sowie der Latentwärmespeicher 10 mit dem zumindest einen Phasenwechselmaterial 2 bilden eine Temperierungsvorrichtung für das Fahrzeug 11. Die Elemente 12 und 13 können beispielsweise Wärmeleiter, Heat-Pipes, Thermosiphons und/oder Elemente zur konvektiven Wärmeübertragung sein.
Es ist darüber hinaus möglich, dass die Batterie 1 und/oder der Fahrgastinnenraum 9 durch von einem Ladegerät 14 bereitgestellte Spannung auf eine vorgegebene Temperatur temperiert, geheizt oder gekühlt wird. Über das Ladegerät 14 kann gegebenenfalls auch direkt das Phasenwechselmaterial 2 geheizt oder gekühlt werden.
Bezugszeichenliste

1: Batteriegehäuse
2: Phasenwechselmaterial
3: Phasenwechselmaterial
4: Batteriezelle
5: Luft-Wärmetauscher
6: thermische Isolierung
7: Heat-Pipe
8: Heizvorrichtung
9: Fahrgastinnenraum
10: Temperierungsvorrichtung
11: Fahrzeug
12: thermische Kontaktierung
13: thermische Kontaktierung
14: Ladegerät

Claims

Temperierungsvorrichtung für ein Fahrzeug (11) mit zumindest einem Phasenwechselmaterial (2), das mit einem Fahrgastinnenraum (9) des Fahrzeugs (11) und mit einer Batterie (1) des Fahrzeugs (11) in thermischen Kontakt bringbar ist.
Temperierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsvorrichtung zur Herstellung des thermischen Kontaktes ein oder mehrere Elemente (12, 13) ausgewählt aus: zumindest einem Wärmeleiter, zumindest einem Thermosiphon, zumindest einer Heat-Pipe und/oder zumindest einem konvektiven Wärmeübertrager aufweist.
Temperierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsvorrichtung zumindest zwei der Phasenwechselmaterialien aufweist, wobei eines der Phasenwechselmaterialien (3) im anderen der Phasenwechselmaterialien (2) eingemischt und/oder emulgiert ist.
Temperierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das in das andere Phasenwechselmaterial (2) eingemischte oder emulgierte Phasenwechselmaterial (3) mikrogekapselt ist, vorzugsweise mittels einer Kunststoffkapselung zu Kapseln mit einem Durchmesser ≤ 30 μm, vorzugsweise ≤ 20 μm, vorzugsweise ≤ 10 μm und/oder ≥ 2 μm, vorzugsweise ≥ 5 μm, vorzugsweise ≥ 9 μm.
Temperierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenwechseltemperatur zumindest eines der Phasenwechselmaterialien (2, 3) einer Betriebstemperatur der Batterie (1) entspricht oder zu dieser im Wesentlichen gleich ist oder einer einzustellenden Fahrgastinnenraumtemperatur entspricht oder zu dieser im Wesentlichen gleich ist.
Temperierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Phasenwechselmaterialien (2, 3) mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die Phasenwechseltemperatur eines der Phasenwechselmaterialien (2, 3) ≥ 0°C, vorzugsweise ≥ 20°C, vorzugsweise ≥ 50°C, vorzugsweise ≥ 90°C, und/oder ≤ 200°C, vorzugsweise ≤ 150°C, vorzugsweise ≤ 100°C, ist und die Phasenwechseltemperatur des anderen Phasenwechselmaterials (2, 3) ≥ 50°C, vorzugsweise ≥ 100°C, vorzugsweise ≥ 150°C, vorzugsweise ≥ 250°C, und/oder ≤ 400°C, vorzugsweise ≤ 350°C, vorzugsweise ≤ 300°C ist.
Fahrzeug (11) mit zumindest einer Batterie (1) und zumindest einem Fahrgastinnenraum (9) sowie mit zumindest einer Temperierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Phasenwechselmaterial (2) mit dem Fahrgastinnenraum (9) und der Batterie (1) thermisch gekoppelt ist, so dass ein Wärmeaustausch zwischen ihnen möglich ist.
Verfahren zum Temperieren eines Fahrgastinnenraums und zumindest einer Batterie eines Fahrzeugs, wobei der Fahrgastinnenraum (9) geheizt wird, indem Wärme aus zumindest einem Phasenwechselmaterial (2) in den Fahrgastinnenraum (9) geleitet wird und/oder der Fahrgastinnenraum (9) gekühlt wird, indem Wärme aus dem Fahrgastinnenraum (9) in das Phasenwechselmaterial (2) geleitet wird, und wobei die Batterie (1) geheizt wird, indem Wärme aus dem Phasenwechselmaterial (2) zur Batterie (1) geleitet wird und/oder die Batterie (1) gekühlt wird, indem Wärme aus der Batterie (1) in das Phasenwechselmaterial (2) geleitet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem Phasenwechselmaterial (2) während eines Ladevorgangs der Batterie (1) Wärme zugeführt wird, die durch eine von außen an das Fahrzeug angeschlossene Spannungsquelle (14) erzeugt wird.
Batterie für ein Fahrzeug mit mindestens einer Batteriezelle (4) sowie mit zumindest einem Latentwärmespeicher, der zumindest zwei Phasenwechselmaterialien (2, 3) aufweist, welche mit der zumindest einen Batteriezelle (4) in thermischem Kontakt stehen, wobei eines der Phasenwechselmaterialien (3) im anderen der Phasenwechselmaterialien (2) eingemischt und/oder emulgiert ist.
Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das in das andere Phasenwechselmaterial (2) eingemischte oder emulgierte Phasenwechselmaterial (3) mikrogekapselt ist, vorzugsweise mittels einer Kunststoffkapselung zu Kapseln mit einem Durchmesser ≤ 30 μm, vorzugsweise ≥ 20 μm, vorzugsweise ≤ 10 μm und/oder ≤ 2 μm, vorzugsweise ≥ 5 μm, vorzugsweise ≥ 9 μm.
Batterie nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenwechseltemperatur zumindest eines der Phasenwechselmaterialien (2, 3) einer Betriebstemperatur der Batterie (1) entspricht oder zu dieser im Wesentlichen gleich ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Phasenwechselmaterialien (2, 3) mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die Phasenwechseltemperatur eines der Phasenwechselmaterialien (2, 3) ≥ 0°C, vorzugsweise ≥ 20°C, vorzugsweise ≥ 50°C, vorzugsweise ≥ 90°C, und/oder ≤ 200°C, vorzugsweise ≤ 150°C, vorzugsweise ≤ 100°C, ist und die Phasenwechseltemperatur des anderen Phasenwechselmaterials (2, 3) ≥ 50°C, vorzugsweise ≥ 100°C, vorzugsweise ≥ 150°C, vorzugsweise ≥ 250°C, und/oder ≤ 400°C, vorzugsweise ≤ 350°C, vorzugsweise ≤ 300°C ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Phasenwechselmaterialien (2, 3) oder der Latentwärmespeicher die zumindest eine Batteriezelle (4) zumindest teilweise umgibt und/oder direkt kontaktiert.
Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) eine Kühlvorrichtung (5) aufweist, die vorzugsweise in einem oberen Bereich der Batterie angeordnet ist und bevorzugt eine Heat-Pipe zur Luftrückkühlung aufweist.