DE102013016795A1 - Batterie und Verwendung der Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (8) mit Batterieeinzelzellen (12), mit einem Latentwärmespeicher, welcher mit einer Wärmequelle (7) verbindbar ist, und welcher in zumindest mittelbar wärmeleitendem Kontakt zu den Batterieeinzelzellen (12) ausgebildet ist, wobei der Latentwärmespeicher ein Phasen-Wechsel-Material (14) aufweist. Die bevorzugte Verwendung der Batterie (8) liegt in ihrem Einsatz als Traktionsbatterie oder Starterbatterie in einem Fahrzeug (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batterie mit Batterieeinzelzellen sowie die Verwendung einer derartigen Batterie in einem Fahrzeug.
  • Batterien, welche aus Batterieeinzelzellen aufgebaut sind, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Dieser Aufbau betrifft dabei annähernd alle Batterien für höhere Leistungen, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterien oder Starterbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder herkömmlichen Fahrzeugen eingesetzt werden. Auch für stationäre Anwendungen sind solche Batterien bekannt, beispielsweise für die Zwischenspeicherung von durch Photovoltaik erzeugte elektrische Energie, insbesondere in Inselenergieanlagen.
  • Problematisch bei derartigen Batterien ist typischerweise die Inbetriebnahme der Batterie, insbesondere dann, wenn die Umgebungstemperaturen und damit die Temperaturen der Batterie sehr niedrig sind, da die Leistungsfähigkeit der Batterie dann sehr stark reduziert ist. Dies ist insbesondere aus dem Bereich von Starterbatterien für Fahrzeuge allgemein bekannt, tritt so jedoch auch bei Traktionsbatterien für Fahrzeuge und bei stationären Batterieanwendungen auf, wenn diese über einen längeren Zeitraum nicht verwendet worden sind, und dann wieder elektrische Leistung bereitstellen müssen.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser Problematik sehr einfach und energieeffizient entgegenzuwirken.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Batterie sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Außerdem ist im Anspruch 7 eine bevorzugte Verwendung der Batterie angegeben, vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist es nun so, dass diese einen Latentwärmespeicher aufweist, welcher mit einer Wärmequelle verbindbar ist. Er ist außerdem in zumindest mittelbar wärmeleitendem Kontakt zu den Batterieeinzelzellen ausgebildet und weist ein Phasen-Wechsel-Material im Bereich des Latentwärmespeichers auf. Die erfindungsgemäße Batterie umfasst also neben den Batterieeinzelzellen, in welchen die elektrische Leistung gespeichert wird, einen Latentwärmespeicher, welcher über einen zumindest mittelbar wärmeleitenden Kontakt von einer Wärmequelle aufgeladen werden kann. Diese Wärmequelle kann einerseits die Batterie in ihrem regulären Betrieb selbst sein, insbesondere kann es sich dabei jedoch um eine außerhalb der Batterie angeordnete Wärmequelle handeln, insbesondere eine solche, in deren Bereich Abwärme ohnehin ungenutzt anfällt.
  • Das Phasen-Wechsel-Material in dem Latentwärmespeicher der erfindungsgemäßen Batterie reagiert auf eine solche Erwärmung nun dadurch, dass es seinen flüssigen Zustand annimmt und in diesem verharrt, entweder bis die Temperatur der Batterieeinzelzellen und des Phasen-Wechsel-Materials unter einem konstruktiv vorgegebenen Schwellenwert absinkt, oder bis eine aktive Einflussnahme auf das Phasen-Wechsel-Material stattfindet, um dieses zum Phasenwechsel anzuregen. In beiden Fällen kommt es zu einem Phasenwechsel von der Fluid-Phase in die feste Phase, wodurch Wärme frei wird, die wiederum durch den wärmeleitenden Kontakt des Phasen-Wechsel-Materials zu den Batterieeinzelzellen diese erwärmt. Hierdurch kann sehr einfach und energieeffizient eine Erwärmung bzw. Temperierung der Batterieeinzelzellen bei niedrigen Umgebungstemperaturen erfolgen, sodass bei einer eventuellen Inbetriebnahme der Batterie dann eine vergleichsweise warme Batterie vorliegt, welche dementsprechend sehr schnell mit sehr hoher Leistungsfähigkeit in Betrieb genommen werden kann.
  • Insbesondere durch die Ausnutzung von ohnehin vorhandener Abwärme als Wärmequelle für den Latentwärmespeicher ist es möglich, die Batterie sehr energieeffizient auf der benötigten Temperatur zu halten, um diese wieder in Betrieb nehmen zu können.
  • Wie bereits erwähnt kann es dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie vorgesehen sein, dass der Latentwärmespeicher im Bereich des Phasen-Wechsel-Materials einen ansteuerbaren Initiator aufweist. Ein solcher elektrisch oder mechanisch wirkender Initiator löst einen Phasenwechsel in dem Phasen-Wechsel-Material aus, sodass sehr gezielt, beispielsweise in Abhängigkeit einer gemessenen Umgebungstemperatur oder eines Ereignisses, welches beispielsweise ein zeitnah bevorstehendes Starten eines Fahrzeugs ankündigt, die Erwärmung der Batterie erfolgen kann.
  • Als Phasen-Wechsel-Materialien sind dabei verschiedene Materialien geeignet, beispielsweise Salzhydrate, wie Natriumacetathydrat oder ähnliches, Parafine, mikro- oder molekular verkapselte Phasen-Wechsel-Materialien, sogenannte Phase-Change Slurries oder thermochemisches Silikagel. Selbstverständlich sind auch andere Phasen-Wechsel-Materialien oder Kombinationen hiervon denkbar.
  • Der bevorzugte Einsatz einer erfindungsgemäßen Batterie ist dabei die Verwendung als Traktionsbatterie oder Starterbatterie in einem Fahrzeug. Insbesondere in Fahrzeugen ist das Starten des Fahrzeugs und damit die Inbetriebnahme der Batterie ein sehr häufiger Vorgang. Ferner können Fahrzeuge oft sehr stark auskühlen, insbesondere wenn sie im Winter im Freien abgestellt werden. Die Problematik einer Batterie, welche aufgrund der Temperatur in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt ist, tritt hier also besonders stark auf. Dies gilt sowohl für Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge als auch für herkömmliche Fahrzeuge im Bezug auf die Starterbatterie. In einer solchen Anwendung kann die erfindungsgemäße Batterie mit dem integrierten Latentwärmespeicher, welcher über Abwärme während des Betriebs des Fahrzeugs aufgeladen worden ist, eine sehr gute Abhilfe schaffen.
  • Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Verwendung wird als Wärmequelle dabei die Abwärme eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle in dem Fahrzeug genutzt. Typischerweise werden Fahrzeuge über Verbrennungsmotoren oder gegebenenfalls über Brennstoffzellen angetrieben. Sowohl in Verbrennungsmotoren als auch in Brennstoffzellen fällt Abwärme an, welche typischerweise zu einem großen Teil an die Umgebung abgegeben wird, da für sie keine Verwendung besteht. Ein Teil dieser Abwärme kann nun zur Phasenumwandlung des Phasen-Wechsel-Materials in dem Latentwärmespeicher der erfindungsgemäßen Batterie eingesetzt werden. Hierdurch wird einerseits das Kühlsystem des Fahrzeugs entlastet und andererseits steht der Latentwärmespeicher dann in „aufgeladenem” Zustand zur Verfügung, wenn das Fahrzeug nach dem Betrieb abgestellt wird. Beim Wiederstart des Fahrzeugs kann die Batterie dann entsprechend vorgewärmt werden, beispielsweise indem beim Abfallen der Temperaturen unter einen bestimmten Wert die Wärmeabgabe in dem Latentwärmespeicher selbsttätig oder aktiv ausgelöst wird, um so die Batterieeinzelzellen in der erfindungsgemäßen Batterie zu erwärmen und bei der Inbetriebnahme der Batterie bereits eine große Leistungsfähigkeit der Batterie zu ermöglichen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein prinzipmäßig angedeutetes beispielhaftes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie; und
  • 2 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie.
  • In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 dargestellt, welches insbesondere als Hybridfahrzeug 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 und einem Elektromotor 3 ausgebildet sein soll. In der stark vereinfachten Darstellung des Hybridfahrzeugs 1 ist der Antriebsstrang dabei als sogenannter Parallelhybrid ausgebildet, bei welchem sowohl der Verbrennungsmotor 2 als auch der Elektromotor 3 auf eine gemeinsame Abtriebswelle 4 aufkoppelbar sind, um über ein Differenzial 5 Räder 6 des Fahrzeugs 1 anzutreiben. Der Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Art und Weise über einen Kühlkreislauf 7 während des Betriebs gekühlt. Der Elektromotor 3 steht mit einer Batterie 8 in Verbindung, welche sowohl zur Abgabe von elektrischer Leistung an den Elektromotor 3 als auch zur Aufnahme von Leistung, wenn über den Elektromotor 3 das Fahrzeug 1 abgebremst wird, ausgebildet ist. Die Batterie 8 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel also als Traktionsbatterie 8 in dem Hybridfahrzeug 1 ausgebildet. Die Traktionsbatterie 8 steht über Leitungselemente 9 und eine Ventileinrichtung 10 in fluidischem Kontakt zu dem Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 7 des Hybridfahrzeugs 1. Sie kann insbesondere so aufgebaut sein, wie es in der Darstellung der 2 näher beschrieben ist.
  • Die Batterie 8 gemäß 2 ist in einem Batteriegehäuse 11 angeordnet und umfasst eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen 12, welche im Inneren der Batterie 8 symbolisch angedeutet sind. Die Batterieeinzelzellen 12 sind dabei von einem Innengehäuse 13 umgeben. Zwischen dem Innengehäuse 13 und dem Batteriegehäuse 11 der Batterie 8 ist ein Phasen-Wechsel-Material 14 als Latentwärmespeicher angeordnet. Das Phasen-Wechsel-Material 14 kann beispielsweise Natriumacetathydrat, ein Parafin, ein Phase-Change Slurry (PCS) oder ein andersartiges Phasen-Wechsel-Material (PCM = Phase-Change-Material) sein. In dem Phasen-Wechsel-Material 14 ist außerdem ein Wärmetauscher 17 in Form eines entsprechend ausgebildeten Leitungselements, welches mit dem Leitungselement 9 verbunden ist, angeordnet. Das Leitungselement, welches den Wärmetauscher 17 bildet, kann beispielsweise an seiner äußeren Oberfläche über eine vergrößerte Oberfläche in Form von aufgebrachten Strukturen, wie beispielsweise Wärmeleitfinnen oder dergleichen verfügen, um einen sehr guten Wärmeübergang von dem den Wärmetauscher 17 durchströmenden Kühlmedium auf das Phasen-Wechsel-Material 14 zu realisieren. Im Betrieb des Fahrzeugs 1, wenn in dem Kühlkreislauf 7 Abwärme anfällt, kann nun durch die Ventileinrichtung 10 gesteuert der Wärmetauscher 17 durchströmt werden, um so das Phasen-Wechsel-Material 14 aufzuheizen und es in seine Fluid-Phase zu überführen. Nachdem das Phasen-Wechsel-Material 14 gänzlich in seine Fluid-Phase überführt ist, kann über die Ventileinrichtung 10 die Durchströmung des Wärmetauschers 17 insbesondere unterbrochen werden. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Im Prinzip wäre es auch denkbar, den Wärmetauscher 17 ständig in den Kühlkreislauf 7 mit einzubinden.
  • Wird das Fahrzeug 1 nun abgestellt, so liegt das Phasen-Wechsel-Material 14 in seinem Fluidzustand vor. Beim Absinken der Außentemperaturen um das Fahrzeug 1 sinkt auch die Außentemperatur um die Batterie 8 entsprechend ab, was zu einer Abkühlung der gesamten Batterie 8 führt. Die in dem Phasen-Wechsel-Material 14 gespeicherte Wärme kann nun entsprechend abgerufen werden, indem das Phasen-Wechsel-Material 14 wieder vom Fluidzustand in den festen Zustand übergeht und die dabei entstehende Wärme an die Batterieeinzelzellen 12 abgibt. Um eine unnötig starke Auskühlung der Batterie 8 und eine unnötige Wärmeabgabe an die Umgebung zu vermeiden, kann das Batteriegehäuse 11 dabei insbesondere mit einer Isolationsschicht 15 umgeben sein. Wird beim Phasen-Wechsel des Phasen-Wechsel-Materials 14 Wärme abgegeben, dann dient diese primär dazu, die Batterieeinzelzellen 12 aufzuwärmen, sodass diese vergleichsweise warm sind und damit sehr viel schneller mit sehr viel höherer Leistungsfähigkeit gestartet werden können als es beim Aufbau der Batterie 8 gemäß dem Stand der Technik üblich ist.
  • Das Auslösen der Wärmeabgabe aus dem Phasen-Wechsel-Material 14 an die Batterieeinzelzellen 12 kann dabei selbsttätig bzw. passiv dadurch erfolgen, dass die Temperatur in der Batterie 8 so weit abgesunken ist, dass sie unterhalb der metastabilen Phase des Phasen-Wechsel-Materials liegt und dieses selbsttätig einen Phasenwechsel von der Fluid-Phase in seine feste Phase startet. Ergänzend oder alternativ dazu kann in dem Phasen-Wechsel-Material 14 außerdem ein Initiator 16 angeordnet sein, welcher einen solchen Phasenwechsel aktiv angesteuert auslösen kann. Der Initiator 16 kann beispielsweise ein mechanisch oder elektrisch betätigter Initiator 16 sein, welcher durch einen mechanischen oder elektrischen Impuls in dem Phasen-Wechsel-Material 14 ausgehend von dem Punkt, in dem der Initiator 16 angeordnet ist, dessen Phasenänderung auslöst. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Initiator 16 beispielsweise über ein Steuergerät 18 ausgelöst werden, welches verschiedene Parameter berücksichtigen kann, beispielsweise den in Kürze bevorstehenden Start des Fahrzeugs 1, weil sich dessen Besitzer mit einem Fahrzeugschlüssel dem Fahrzeug 1 nähert, die Berücksichtigung von Temperaturen in der Umgebung und/oder der Batterie 8, wofür in der Batterie 8 beispielhaft ein Temperatursensor 19 eingezeichnet ist, oder dergleichen.
  • Auch eine Kombination von aktiver und passiver Auslösung ist möglich, da das Phasen-Wechsel-Material über den Initiator 16 in seiner metastabilen Phase zum Phasenwechsel angeregt werden kann, und unabhängig von dem Initiator 16 unterhalb seiner metastabilen Phase, beispielsweise wenn die Temperatur noch weiter abfällt, selbsttätig seinen Phasenwechsel startet.
  • Nach dem Start des Fahrzeugs 1 kann dann durch erneute Zufuhr von Abwärme aus dem Kühlkreislauf 7 des Fahrzeugs 1 in das Phasen-Wechsel-Material 14 dieses wieder in seinen Fluidzustand umgewandelt werden, sodass es beim nächsten Start des Fahrzeugs wieder in einer Phase zur Verfügung steht, welche einen erneuten Phasenwechsel des Phasen-Wechsel-Materials 14 unter Abgabe von Wärme zulässt.

Claims (10)

  1. Batterie (8) mit Batterieeinzelzellen (12), mit einem Latentwärmespeicher, welcher mit einer Wärmequelle (7) verbindbar ist, und welcher in zumindest mittelbar wärmeleitendem Kontakt zu den Batterieeinzelzellen (12) ausgebildet ist, wobei der Latentwärmespeicher ein Phasen-Wechsel-Material (14) aufweist.
  2. Batterie (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher im Bereich des Phasen-Wechsel-Materials (14) einen ansteuerbaren Initiator (16) aufweist.
  3. Batterie (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasen-Wechsel-Material (14) Salzhydrat, wie Natriumacetathydrat oder ähnliches, Parafine, mikro- oder molekularverkapselte Phasen-Wechsel-Materialien, Phase-Change-Slurries und/oder thermochemisches Silikagel aufweist.
  4. Batterie (8) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasen-Wechsel-Material (14) die Batterieeinzelzellen (12) umgibt.
  5. Batterie (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Phasen-Wechsel-Materials (14) ein Wärmetauscher (17) angeordnet ist, welcher von einem von der Wärmequelle (7) kommenden Medium durchströmbar ist.
  6. Batterie (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasen-Wechsel-Material (14) gegenüber der Umgebung thermisch isoliert ist.
  7. Verwendung der Batterie (8) als Traktionsbatterie oder Starterbatterie in einem Fahrzeug (1).
  8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle (7) die Abwärme eines Verbrennungsmotors (2) oder einer Brennstoffzelle in dem Fahrzeug (1) genutzt wird.
  9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe von latent gespeicherter Wärme mittels eines in dem Phasen-Wechsel-Material (14) angeordneten Initiators (16) aktiv ausgelöst wird.
  10. Verwendung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe von latent gespeicherter Wärme in dem Phasen-Wechsel-Material (14) temperaturabhängig selbsttätig ausgelöst wird.
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