-
Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Zum Kühlen der Batteriezellen ist ein Latentwärmespeicher vorgesehen, welcher ein Phasenwechselmaterial aufweist. Eine Kühleinrichtung der Batterieanordnung dient dem Kühlen des Phasenwechselmäterials. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterieanordnung.
-
Die
DE 10 2011 105 366 A1 beschreibt eine Kühlanordnung zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichers in Form einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs. Hierbei wird die Hochvoltbatterie zur Kühlung mit einem Kühlmedium beaufschlagt, welches mittels einer Kühlmittelpumpe durch einen ersten Kühlkreislauf gefördert wird. Der erste Kühlkreislauf ist über einen Latentwärmespeicher mit einem zweiten Kühlkreislauf thermisch gekoppelt, der als Kältemittelkreis einer Klimaanlage des Fahrzeugs ausgebildet ist. Hierbei ist der Latentwärmespeicher mit einem Verdampfer des Kältemittelkreises thermisch gekoppelt, und das Kältemittel wird an einem dem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsventil entspannt.
-
Die
DE 10 2009 058 842 A1 beschreibt eine Temperierungsvorrichtung für ein Fahrzeug, bei welcher in einem Batteriegehäuse einer Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen sind hierbei in ein Phasenwechselmaterial eingebettet. Ein Luft-Wärmetauscher ist mit dem Phasenwechselmaterial über eine Vielzahl von Heat Pipes thermisch kontaktiert. Über den Luft-Wärmetauscher kann ein Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs klimatisiert werden. Während der Luft-Wärmetauscher oberhalb der Batteriezellen angeordnet ist, kann unterhalb der Batteriezellen eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, um das Phasenwechselmaterial zu erwärmen.
-
Die
DE 10 2010 055 600 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Kühlen einer Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen. Zwischen den einzelnen Batteriezellen sind Wärmeleitelemente angeordnet, von denen ein Ende mit den Batteriezellen in wärmeleitendem Kontakt steht, während das andere Ende mit einem Latentwärmespeicher in Verbindung steht, welcher neben dem Verbund der Batteriezellen angeordnet ist. Der Latentwärmespeicher ist durch ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Phasenwechselmaterial gebildet. Auf einer der Batterie abgewandten Seite des Gehäuses des Latentwärmespeichers ist ein Kühlwärmetauscher angebracht. Der Kühlwärmetauscher kann von einem flüssigen Kühlmedium, einem gasförmigen Kühlmedium oder einem aus einer Klimaanlage stammenden Kältemittel gekühlt werden. Der Latentwärmespeicher ist jedoch außerhalb des Verbundes der Batteriezellen angeordnet und befindet sich somit nicht zwischen den einzelnen Batteriezellen. Vielmehr ist er unabhängig von dem Verbund der Batteriezellen und neben oder auch unterhalb dieses Verbundes angeordnet.
-
Die
DE 10 2007 050 812 A1 beschreibt einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche als Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgebildet sind. Zum Kühlen der Batteriezellen ist ein Latentwärmespeicher vorgesehen, welcher ein Phasenwechselmaterial enthält. Das Phasenwechselmaterial wiederum kann über Rohre temperiert werden, welche in dem Phasenwechselmaterial angeordnet und von einem Kühlmittel durchströmt sind. Das Kühlmittel wird mittels einer Pumpe einem Wärmetauscher zugeführt, welcher mittels eines Lüfters mit einem Kühlluftstrom beaufschlagbar ist.
-
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass nicht immer eine ausreichende Kühlung des Phasenwechselmaterials möglich ist.
-
-
Die
DE 10 2007 010 750 B3 beschreibt eine einzelne Batteriezelle mit Mitteln zur Wärmeableitung aus der Batteriezelle.
-
Aus dem Kraftwagenbau ist es des Weiteren bekannt, für die Batterie eines Hybridfahrzeugs einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel vorzusehen, welches aus Luft oder aus einem Wasser-Glykolgemisch besteht. Dieser Kühlkreislauf steht über einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung zum Kältemittelkreis einer Klimaanlage des Hybridfahrzeugs. Über das Betreiben der Klimaanlage kann so dafür gesorgt werden, dass Abwärme der Batteriezellen mittelbar an den Kältemittelkreis abgegeben wird. Dies ist jedoch dann nicht in ausreichendem Maße möglich, wenn eine große Klimatisierungsleistung der Klimaanlage zum Kühlen der Fahrzeugkabine, also des Fahrgastraums, bereitgestellt werden soll.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterieanordnung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterieanordnung zu schaffen, welche bzw. welches eine verbesserte Kühlung der Batteriezellen ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung als Verdampfer einer Klimaanlage ausgebildet, welcher mit einem an einer Expansionseinrichtung entspannten Kältemittel beaufschlagbar ist. Durch das Nutzen des Verdampfers der Klimaanlage zum Kühlen des Phasenwechselmaterials kann auch bei vergleichsweise hoher Umgebungstemperatur eine besonders weitgehende Kühlung des Phasenwechselmaterials sichergestellt werden. Würde hingegen das Phasenwechselmaterial lediglich mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt, welcher an einem Wärmetauscher Wärme entzogen wird, so lässt sich bei hohen Außentemperaturen keine ausreichende Abkühlung des Phasenwechselmaterials, insbesondere keine Kühlung unter die Temperatur des Phasenübergangs sicherstellen.
-
Vorliegend sorgt jedoch der Verdampfer dafür, dass das Phasenwechselmaterial so weit abgekühlt wird, dass ein Phasenübergang stattfindet. Dann kann bei einer Wärmeabgabe der Batteriezellen durch einen erneuten Phasenübergang des Phasenwechselmaterials dafür gesorgt werden, dass die Batteriezellen eine kritische Obergrenze der Temperatur nicht überschreiten.
-
Ein solcher Fall, bei welchem eine vergleichsweise starke Kühlleistung gefordert ist, kann beispielsweise dann vorliegen, wenn bei hoher Außentemperatur ein zuvor abgestelltes Fahrzeug in Betrieb genommen wird und beim Losfahren die Batteriezellen elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs bereitstellen. In einem solchen Fall steht nämlich die Kühlleistung der zum Kühlen des Fahrgastraums des Fahrzeugs vorgesehenen Klimaanlage nicht zum Kühlen der Batteriezellen zur Verfügung. Jedoch kann die Abwärme der Batteriezellen von dem Phasenwechselmaterial aufgenommen werden, indem ein Phasenübergang des Phasenwechselmaterials stattfindet.
-
Steht dann anschließend wieder überschüssige Kühlleistung der Klimaanlage bereit, weil der Fahrgastraum bereits auf eine komfortable Temperatur abgekühlt wurde, so kann die Kühlleistung zum Kühlen des Phasenwechselmaterials verwendet werden, welches dadurch erneut seinen Aggregatszustand ändert. Dies funktioniert auch bei besonders hoher Außentemperatur, bei welcher eine Kühlung der Batteriezellen mit einer Kühlflüssigkeit oder Kühlluft nicht in ausreichendem Maße zu bewerkstelligen wäre.
-
Erfindungsgemäß ist durch den Verdampfer eine Bodenplatte eines den Latentwärmespeicher und die Batteriezellen aufnehmenden Gehäuses der Batterieanordnung gebildet. So lässt sich eine besonders kompakte Bauform der Batterieanordnung erreichen, und zugleich gut Wärme von den Batteriezellen abführen.
-
Hierbei sind Gehäuse der einzelnen Batteriezellen in das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers eingebettet, und eine Bodenfläche des Gehäuses der jeweiligen Batteriezelle ist derart mit dem Phasenwechselmaterial in Anlage, dass die Batteriezellen auf dem Phasenwechselmaterial aufstehen. So kann auch mittels eines Wärme vergleichsweise schlecht leitenden Phasenwechselmaterials eine besonders gute Kühlung der Batteriezellen erreicht werden.
-
Ein besonders guter Wärmeübergang von dem Phasenwechselmaterial auf den Verdampfer ist erreichbar, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Latentwärmespeicher derart mit dem Verdampfer in Anlage ist, dass sich in einem Bereich zwischen der Bodenfläche des Gehäuses der jeweiligen Batteriezelle und dem Verdampfer das Phasenwechselmaterial befindet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Batterieanordnung eine Steuerungseinrichtung, welche dem Ansteuern einer Ventileinrichtung dient. Die Ventileinrichtung lässt in einer Offenstellung ein Durchströmen des Verdampfers mit dem Kältemittel zu, und in einer Geschlossenstellung der Ventileinrichtung ist das Durchströmen unterbunden. Eine solche Steuerungseinrichtung kann besonders einfach ausgelegt sein, da sie lediglich dafür sorgen muss, dass bei geöffneter Ventileinrichtung der Verdampfer betrieben oder bei geschlossener Ventileinrichtung der Verdampfer inaktiv ist. Ein solches getaktetes Einschalten und Ausschalten des Verdampfers durch Ansteuern der Ventileinrichtung lässt sich steuerungstechnisch oder regelungstechnisch besonders einfach realisieren.
-
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt ist, das Verbringen der Ventileinrichtung in die Offenstellung und in die Geschlossenstellung in Abhängigkeit von einer Temperatur der Batteriezellen zu bewirken. So kann immer dann für ein Öffnen der Ventileinrichtung und somit ein durch das Beaufschlagen des Verdampfers mit dem entspannten Kältemittel bewirktes Kühlen des Phasenwechselmaterials gesorgt werden, wenn die Temperatur der Batteriezellen einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht.
-
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt sein, das Verbringen der Ventileinrichtung in die Offenstellung bzw. in die Geschlossenstellung in Abhängigkeit von einer für einen Phasenübergang des Phasenwechselmaterials vorgesehenen Zeitspanne zu bewirken. So kann etwa dann die Ventileinrichtung in die Offenstellung verbracht werden, wenn davon auszugehen ist, dass in der Zeitspanne ein gewisser Prozentsatz des Phasenwechselmaterials seinen Aggregatszustand geändert hat.
-
Dies kann beispielsweise dann geschehen, wenn 80 % bis nahezu 100 %, insbesondere 90 % bis 95 %, des Phasenwechselmaterials den Phasenübergang vollzogen haben. Wird dann die Ventileinrichtung in die Offenstellung verbracht, so ist eine ebenso lange Zeitspanne notwendig, um das Phasenwechselmaterial wieder in den zum Aufnehmen von Wärme geeigneten vormaligen Aggregatszustand zu überführen. Wird dann die Ventileinrichtung weiter in der Offenstellung belassen, so sinkt die Temperatur der Batteriezellen. Dies kann solange weitergehen, bis die Batteriezellen eine Untergrenze der Temperatur erreicht haben.
-
Von Vorteil ist es des Weiteren, wenn Wärmeleitelemente mit dem Verdampfer verbunden sind, mittels welchen bei einem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials freigesetzte Wärme auf den Verdampfer übertragbar ist. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass Phasenwechselmaterialien üblicherweise eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Durch die mit dem Verdampfer verbundenen Wärmeleitelemente kann jedoch trotzdem eine besonders gute Wärmeübertragung von dem Phasenwechselmaterial auf den Verdampfer sichergestellt werden.
-
Derartige Wärmeleitelemente können beispielsweise als massive Körper aus einem gut Wärme leitenden Material, etwa aus einem Metall oder einer Legierung, ausgebildet sein.
-
Bevorzugt sind die Wärmeleitelemente in jeweiligen Zwischenräumen angeordnet, welche zwischen den einzelnen Batteriezellen ausgebildet sind. Dann lässt sich die Wärme besonders gleichmäßig von dem Phasenwechselmaterial abführen.
-
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Wärmeleitelemente derart umfangsseitig umlaufend von dem Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers umschlossen sind, dass die Wärmeleitelemente vollständig in das Phasenwechselmaterial eingebettet sind. Dann kann nämlich besonders gut die beim Phasenübergang des Phasenwechselmaterials freigesetzte Wärme über die Wärmeleitelemente auf den Verdampfer übertragen werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung für ein Fahrzeug wird von einer Mehrzahl von Batteriezellen der Batterieanordnung Wärme freigesetzt. Diese Wärme wird auf ein Phasenwechselmaterial eines Latentwärmespeichers übertragen. Anschließend wird das Phasenwechselmaterial mittels einer Kühleinrichtung wieder gekühlt. Dies kann insbesondere geschehen, um einen Phasenübergang des Phasenwechselmaterials zu bewirken. Als Kühleinrichtung wird ein Verdampfer einer Klimaanlage eingesetzt, welcher zum Kühlen des Phasenwechselmaterials mit einem Kältemittel beaufschlagt wird, welches an einer Expansionseinrichtung entspannt wurde. Durch den Verdampfer ist eine Bodenplatte eines den Latentwärmespeicher und die Batteriezellen aufnehmenden Gehäuses der Batterieanordnung gebildet. Mittels des Phasenwechselmaterials des Latentwärmespeichers, in welches Gehäuse der einzelnen Batteriezellen eingebettet sind, und mit welchem eine Bodenfläche des Gehäuses der jeweiligen Batteriezelle derart in Anlage ist, dass die Batteriezellen auf dem Phasenwechselmaterial aufstehen, wird Wärme von den Batteriezellen abgeführt.
-
Mit dem entspannten Kältemittel lässt sich über den Verdampfer eine besonders hohe Kühlleistung bereitstellen, auch wenn hohe Außentemperaturen vorliegen. So kann dafür gesorgt werden, dass auch bei hohen Außentemperaturen eine effiziente Kühlung der Batteriezellen sichergestellt ist.
-
Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
-
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Batterieanordnung, bei welcher ein Phasenwechselmaterial mittels einer Verdampferplatte gekühlt wird, welche in einen Kältemittelkreis einer Klimaanlage eingebunden ist, wobei Batteriezellen der Batterieanordnung außenumfangsseitig von dem Phasenwechselmaterial umschlossen sind;
- 2 den Temperaturverlauf des Phasenwechselmaterials beim Zuführen von Wärme;
- 3 das getaktete Ansteuern eines der Verdampferplatte vorgeschalteten Ventils in Abhängigkeit von der Temperatur der Batteriezellen und dem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials; und
- 4 eine Batterieanordnung gemäß 1, wobei zwischen den einzelnen Batteriezellen zusätzlich Wärmeleitplatten angeordnet sind, welche mit der Verdampferplatte verbunden sind.
-
Eine in 1 schematisch gezeigte Batterieanordnung 10 kann insbesondere in einem Mikro-Hybridfahrzeug oder einem Mild-Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen. Hierbei stellen Batteriezellen 12, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sein können, etwa beim Starten oder beim Anfahren und Beschleunigen des Hybridfahrzeugs elektrische Energie bereit. Bei einem solchen Boost-Vorgang setzen die Batteriezellen 12 vergleichsweise viel Abwärme frei. Beim Bremsen wird elektrische Energie zurück gewonnen und in die Batteriezellen 12 eingebracht. Auch hierbei wird Abwärme frei.
-
Durch das häufige Entladen und Laden der Batteriezellen 12 mit vergleichsweise großen elektrischen Strömen kommt es also zu einem häufigen Freisetzen von Abwärme der Batteriezellen 12. Die Batteriezellen 12 sind jedoch vergleichsweise temperaturempfindlich, daher umfasst die Batterieanordnung 10 ein Kühlsystem.
-
Vorliegend ist zur Kühlung der Batteriezellen 12 ein Kältemittelkreis vorgesehen, welcher Teil einer Klimaanlage des Fahrzeugs ist. Ein solcher Kältemittelkreis umfasst einen (nicht gezeigten) Kompressor, welchem ein Kondensator nachgeschaltet ist. In dem Kondensator wird das komprimierte Kältemittel verflüssigt. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel mittels einer Expansionseinrichtung etwa in Form eines vorliegend beispielhaft gezeigten Expansionsventils 14 entspannt und einem Verdampfer zugeführt, welcher vorliegend als Verdampferplatte 16 ausgebildet ist. In der Verdampferplatte 16 verdampft das entspannte Kältemittel unter Aufnahme von Wärme. Anschließend wird das Kältemittel wieder dem Kompressor zugeführt.
-
Vorliegend wird die Klimaanlage sowohl zum Klimatisieren des Fahrgastraums genutzt als auch zum Abführen von Wärme von den Batteriezellen 12 mittels der Verdampferplatte 16. Zum Kühlen des Fahrgastraums ist jedoch in dem Kältemittelkreis der Klimaanlage ein weiterer (nicht gezeigter) Verdampfer vorgesehen, an welchem die in den Fahrgastraum einzubringende Luft gekühlt wird.
-
Die Verdampferplatte 16 bildet eine Bodenplatte eines Gehäuses 18, in welchem die Batteriezellen 12 aufgenommen sind. In Zwischenräumen 20 zwischen den einzelnen Batteriezellen 12 sowie in einem Bereich 22 zwischen Bodenflächen 24 von jeweiligen Gehäusen der einzelnen Batteriezellen 12 und der Verdampferplatte 16 befindet sich ein Phasenwechselmaterial (PCM, Phase-Change-Material) 26, welches Kühlleistung insbesondere durch einen Phasenübergang, also durch Änderung seines Aggregatszustands bereitstellen kann. Das Phasenwechselmaterial 26 gehört zu einem Latentwärmespeicher 28, welcher in dem Gehäuse 18 der Batterieanordnung 10 angeordnet ist.
-
Die jeweiligen Batteriezellen 12 können eine elektrisch isolierende Hülle aufweisen, so dass in der Batterieanordnung 10 das Phasenwechselmaterial 26 an diese elektrisch isolierenden Hüllen angrenzt. Wenn die Batteriezellen 12 nicht bereits vor deren Montage in der Batterieanordnung 10 mit solchen Hüllen versehen sind, so kann bei der Fertigung der Batterieanordnung 10 zwischen den jeweiligen Batteriezellen 12 und dem Phasenwechselmaterial 26 ein elektrisch isolierender Separator angeordnet werden.
-
Wenn der Fahrgastraum des Hybridfahrzeugs vorrangig gekühlt werden soll, etwa weil das Fahrzeug an einem heißen Tag längere Zeit in der Sonne abgestellt war, so wird die von der Klimaanlage zur Verfügung stellbare Kühlleistung zunächst zum Kühlen des Fahrgastraums verwendet. Um dies sicherzustellen, wird ein Absperrventil 30 geschlossen, welches in einer zu der Verdampferplatte 16 führenden Kältemittelleitung 32 des Kältemittelkreises angeordnet ist. Dann strömt das Kältemittel ausschließlich dem weiteren (vorliegend nicht gezeigten) Verdampfer zu, an welchem die Kühlung der dem Fahrgastraum zugeführten Luft stattfindet.
-
Wenn dann das in der Sonne abgestellte Hybridfahrzeug losfährt, so stellen die Batteriezellen 12 hierfür elektrische Energie bereit. Die hierbei entstehende Abwärmeleistung einer die Batteriezellen 12 umfassenden Batterie kann nun von dem Phasenwechselmaterial 26 aufgenommen werden, insbesondere indem das Phasenwechselmaterial 26 seinen Aggregatszustand ändert. Dies führt dazu, dass die Temperatur der Batterie nicht über eine kritische Obergrenze steigt, bei deren Überschreiten ein Steuergerät, nämlich ein so genannter Batterie Management Controller, die Batterie aus Sicherheitsgründen ausschaltet. Der Vorteil, bei dem Hybridfahrzeug mittels der Batteriezellen 12 elektrische Energie bereitzustellen, bleibt also vorliegend auch in dieser Situation erhalten.
-
Dadurch, dass sich das Phasenwechselmaterial 26 sowohl in den Zwischenräumen 20 zwischen den Batteriezellen 12 befindet und diese umfangsseitig umlaufend umschließt und zudem in dem Bereich 22 vorgesehen ist, kann das Phasenwechselmaterial 26 besonders gut die Abwärme der Batteriezellen 12 aufnehmen. Zudem stehen die Batteriezellen 12 auf dem Phasenwechselmaterial 26 auf, welches wiederum mit der Verdampferplatte 16 in Anlage ist.
-
Wenn also beim Boost-Vorgang des Hybridfahrzeugs, also beispielsweise beim Losfahren, der Batterie gerade keine Kühlleistung von der Klimaanlage zur Verfügung gestellt wird, so wird die Abwärme der Batteriezellen 12 durch das Phasenwechselmaterial 26 absorbiert. Das Phasenwechselmaterial 26 hat nämlich die Eigenschaft, die Temperatur während des Phasenübergangs trotz der Wärmeabsorption nahezu konstant zu halten.
-
Dies ist anhand von 2 veranschaulicht. Hier ist auf einer Ordinate 34 die Temperatur TPCM des Phasenwechselmaterials 26 aufgetragen und auf einer Abszisse 36 die von dem Phasenwechselmaterial 26 aufgenommene Wärme Q. Eine die Temperatur angebende Kurve 38 weist entsprechend ein Plateau 40 auf, welches das Gleichbleiben der Temperatur des Phasenwechselmaterials 26 trotz der Wärmezufuhr veranschaulicht. Durch Mischen des Phasenwechselmaterials 26 mit einem anderen Material, etwa mit Wasser, kann ein Phasenübergangspunkt oder Phase-Change-Point (PCP) so eingestellt werden, dass die Temperatur der Batterie während des Boost-Vorgangs eine kritische Obergrenze nicht überschreitet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der Batteriezellen 12 einen Wert von 50 °C nicht überschreitet.
-
Nachdem der Fahrgastraum auf eine komfortable Temperatur abgekühlt wurde, kann die Klimaanlage nun auch wieder nicht für die Kühlung des Fahrgastraums benötigte Kühlleistung zum Kühlen des Phasenwechselmaterials 26 bereitstellen. Entsprechend wird das Absperrventil 30 geöffnet, und die Verdampferplatte 16 wird von dem entspannten Kältemittel durchströmt.
-
Zum Ansteuern des Absperrventils 30 ist vorliegend ein Steuergerät 42 vorgesehen (vergleiche 1). Solange das Steuergerät 42 dafür sorgt, dass das Absperrventil 30 in seiner Offenstellung verbleibt, werden das Phasenwechselmaterial 26 und mit diesem die Batteriezellen 12 abgekühlt. Dies kann erfolgen, bis mittels der Verdampferplatte 16 das Phasenwechselmaterial 26 und die Batteriezellen 12 bis zu einer Untergrenze, etwa bis zu einer Temperatur von 20 °C abgekühlt sind. Dann steuert das Steuergerät 42 das Absperrventil 30 erneut an und sorgt so dafür, dass Letzteres geschlossen wird.
-
Durch ein solches getaktetes Einschalten und Ausschalten der Verdampferplatte 16 kann die Temperatur der Batteriezellen 12 immer in einem gewünschten Temperaturbereich gehalten werden. Der entsprechende und besonders einfach umzusetzende Regelungsalgorithmus zum Ansteuern des Absperrventils 30 soll anhand von 3 veranschaulicht werden.
-
In zwei in 3 gezeigten Graphen ist auf einer ersten Ordinate 44 die Temperatur der Batteriezellen und auf einer ersten Abszisse 46 die Zeit t aufgetragen. Während eines ersten Zeitabschnitts 48 bleibt das Absperrventil 30 geschlossen, die Verdampferplatte 16 befindet sich also in einer Abschaltphase 50. Diese ist in einem zweiten Graphen in 3 veranschaulicht, in welchem auf einer Abszisse 52 ebenfalls die Zeit t und auf einer Ordinate 54 die Schaltzustände des Absperrventils 30 angegeben sind.
-
Bei nicht mit dem Kältemittel beaufschlagter Verdampferplatte 16 steigt zunächst die Temperatur der Batteriezellen 12 an. Dies geschieht, bis das Phasenwechselmaterial 26 seinen Aggregatszustand ändert (vergleiche 2). Ab diesem Zeitpunkt während des ersten Zeitabschnitts 48 bleibt die Temperatur der Batteriezellen 12 im Wesentlichen konstant.
-
Sobald dann ein Großteil des Phasenwechselmaterials 26 seinen Aggregatszustand geändert hat, beispielsweise wenn bei einem Phasenübergang von fest nach flüssig 90 % des Phasenwechselmaterials 26 geschmolzen vorliegen, wird das Absperrventil 30 geöffnet. Entsprechend befindet sich während eines zweiten Zeitabschnitts 54 die Verdampferplatte 16 in einem angeschalteten Zustand 56. Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen findet zu einem Zeitpunkt 58 statt.
-
Während des zweiten Zeitabschnitts 54 bleibt wiederum zunächst die Temperatur der Batteriezellen 12 konstant, da zunächst die Wärmeabfuhr zu einem erneuten Phasenübergang des Phasenwechselmaterials 26, etwa zum Ändern des Aggregatszustands von flüssig nach fest führt. Erst wenn das Phasenwechselmaterial 26 vollständig in dem geänderten Aggregatszustand vorliegt, führt das Beaufschlagen der Verdampferplatte 16 mit dem entspannten Kältemittel zu einem Absenken der Temperatur der Batteriezellen 12 (vgl. 3).
-
Zu einem nachfolgenden Zeitpunkt 60 haben die Batteriezellen 12 eine Untergrenze der Temperatur erreicht, und das Ventil 30 wird erneut geschlossen, die Verdampferplatte 16 also abgeschaltet. Entsprechend ändert sich die Temperatur in einem nächsten Zeitabschnitt 62 so wie für den Zeitabschnitt 48 beschrieben. Wenn anschließend der größte Teil des Phasenwechselmaterials 26 wieder in dem erneut geänderten Aggregatszustand vorliegt, wird zu einem Zeitpunkt 64 wiederum das Absperrventil 30 geöffnet. Diese gezeigte Regelung der Verdampferplatte 16 ist besonders einfach.
-
Die in 4 gezeigte Batterieanordnung 10 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten, jedoch sind hier Wärmeleitelemente in Form von Wärmeleitplatten 66 vorgesehen, welche mit der Verdampferplatte 16 etwa durch Verschweißen verbunden sind. Diese Wärmeleitplatten 66 bestehen aus einem gut Wärme leitenden Material. Die Wärmeleitplatten 66 können besonders gut beim Phasenübergang des Phasenwechselmaterials 26 freigesetzte Wärme auf die Verdampferplatte 16 übertragen. Die Wärmeleitplatten 66 sorgen nämlich dafür, dass zwischen den Batteriezellen 12 und denselben eine ausreichende Temperaturdifferenz besteht, um für eine gute Wärmeleitung hin zur Verdampferplatte 16 zu sorgen.
-
Die Wärmeleitplatten 66 sind vorliegend ebenso wie das Phasenwechselmaterial 26 in den Zwischenräumen 20 zwischen den einzelnen Batteriezellen 12 angeordnet und hierbei vollständig in das Phasenwechselmaterial 26 eingebettet.
-
Das Steuergerät 42 kann auch das Expansionsventil 14 ansteuern, um ein Durchströmtwerden der Verdampferplatte 16 mit dem Kältemittel zu ermöglichen oder zu unterbinden. Dann kann auf das Absperrventil 30 verzichtet werden.