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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Batterie gemäß Anspruch 7.
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Batterien aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Batterien werden häufig auch als Hochleistungsbatterien oder Hochvolt-Batterien bezeichnet. Die Batterien werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, weil sie eine entsprechend hohe Leistungsdichte aufweisen. Sie dienen in dem Kraftfahrzeug dann auch als so genannte Traktionsbatterie, speichern also elektrische Leistung, welche für den Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet wird, oder welche den Antrieb, im Falle eines als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs, entsprechend unterstützt.
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Bei solchen Hochleistungsbatterien spielt nun die Kühlung eine ganz entscheidende Rolle. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt. Eine Lösung besteht darin, dass Kühlluft, insbesondere aus dem Innenraum des Fahrzeugs durch den Aufbau der Batterie geblasen wird, um die Batterieeinzelzellen entsprechend zu kühlen. Diese Technologie wird vorzugsweise bei Batterien in Nickel-Metallhydrid-Technologie eingesetzt. Eine andere aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Lösung sieht die Kühlung mittels eines flüssigen Kühlmittels vor. Hierfür sind in der Batterie Wärmetauscher angeordnet, welche von einem Kühlmittel durchströmt werden. Bei dem Kühlmittel kann es sich einerseits um ein flüssiges Kühlmedium handeln, welches die Wärme nach außerhalb der Batterie abtransportiert und dort entsprechend abgekühlt wird, sei es durch einen von Fahrtluft durchströmten Kühler oder einen Wärmetauscher, welcher die Wärme an ein weiteres Kühlmedium, beispielsweise an das Kältemittel einer Klimaanlage abgibt. Alternativ dazu kann der Wärmetauscher in der Batterie auch direkt von dem Klimamittel gekühlt werden. Bei den beschriebenen Ausführungen gemäß dem Stand der Technik ist es nun so, dass diese entweder hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Kühlleistung sehr ungenügend hinsichtlich ihrer Regelbarkeit sind, weil beispielsweise Abluft aus der Fahrzeuginnenkabine oder Kältemittel aus der Klimaanlage für die Fahrzeuginnenkabine verwendet wird. Die Kühlung hängt damit letztlich von der im Innenraum des Fahrzeugs vorliegenden bzw. gewünschten Temperatur ab. Bei einer Abkühlung eines Kühlmediums durch einen von Fahrtluft durchströmten Wärmetauscher ist diese Problematik nicht ganz so extrem, dennoch ist die Kühlung auch hier von Umgebungsbedingungen abhängig.
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Die Kühlung mit Luft ist hinsichtlich der Luftführung vergleichsweise einfach und muss lediglich über entsprechende Gebläse oder dgl. verfügen, um bei Bedarf die gewünschte Zwangskonvektion zu erreichen. Im Gegensatz dazu ist ein Aufbau für ein flüssiges Kühlmittel oder ein Kältemittel vergleichsweise aufwändig, da eine entsprechende Leitungsführung, Umwälzpumpen bzw. Kompressoren und dgl. vorgesehen werden müssen. Dies ist einerseits hinsichtlich des benötigten Bauraums und andererseits hinsichtlich der Montage und Abdichtung schwierig. Der Aufbau wird dementsprechend komplex und teuer.
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In bestimmten Betriebssituationen ist es bei derartigen Hochleistungsbatterien nun so, dass diese sehr schnell in Betrieb genommen werden sollen, beispielsweise beim Anfahren eines Fahrzeugs, welches bei sehr kalten Umgebungstemperaturen im Winter gestartet ist. Die Batterien sind dann jedoch noch nicht auf ihrer idealen Betriebstemperatur, sodass sie mit entsprechend schlechtem Wirkungsgrad arbeiten. Um dieser Problematik zu begegnen, wäre es durchaus wünschenswert, neben der reinen Kühlung der Batterie auch eine Erwärmung der Batterie, also die Möglichkeit die Batterie in gewünschtem Maß zu temperieren, vornehmen zu können. Um dies zu erreichen, können gemäß dem allgemeinen Stand der Technik Peltier-Elemente eingesetzt werden. Über diese Elemente kann durch Zufuhr von elektrischer Leistung Wärme von der einen Seite des Peltier-Elements zur anderen Seite ”gepumpt” werden. Sie sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und werden gemäß dem allgemeinen Stand der Technik auch zur Temperierung eines flüssigen Kühlmittels in flüssigkeitsgekühlten Batterien aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen eingesetzt.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ein Batterieschrank bekannt, in dem eine Vielzahl von Akkumulatoren angeordnet ist. Dieser in der
DE 101 14 960 C1 beschriebene Aufbau nutzt ebenfalls Peltier-Elemente. Die Peltier-Elemente sind dabei mit einem von einem Außengehäuse umgebenen Innengehäuse des Batterieschranks einerseits und metallischen Trägerelementen zur Aufnahme der Akkumulatoren andererseits verbunden. Insgesamt ist das Batteriegehäuse an seiner Innenfläche wärmeisoliert ausgeführt. Durch diese Wärmeisolierung ragen dann die Peltier-Elemente, sodass bei Bedarf trotz der Wärmeisolierung Wärme von innen nach außen oder von außen nach innen durch die Isolierung hindurch ”gepumpt” werden kann, indem die Peltier-Elemente entsprechend angesteuert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, und welche insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 7 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung der Batterie angegeben.
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Die erfindungsgemäße Batterie ist nun so ausgebildet, dass sie aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen aufgebaut ist, welche von einem Batteriegehäuse umgeben werden. Die Batterieeinzelzellen werden in an sich bekannter Art und Weise von Peltier-Elementen temperiert, wobei es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Peltier-Elemente in zumindest mittelbar wärmeleitendem Kontakt zwischen der Innenseite des Batteriegehäuses und den Zellpolen der Batterieeinzelzellen angeordnet sind. Durch die unmittelbare oder mittelbare wärmeleitende Verbindung zwischen den Peltier-Elementen und den Zellpolen der Batterieeinzelzellen einerseits und den Peltier-Elementen und der Innenseite des Batteriegehäuses andererseits wird eine wärmeleitende steuerbare Verbindung zwischen dem Batteriegehäuse und den Batterieeinzelzellen aufgebaut. Dadurch, dass die wärmeleitende Kontaktierung mit den Batteriepolen der Batterieeinzelzelle erfolgt, ist sichergestellt, dass die Bereiche, in welchen die Abwärme in den Batterieeinzelzellen entsteht, sehr direkt mit den Peltier-Elementen verbunden sind. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Kühlung bzw. Beheizung der Batterieeinzelzellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie kann es dabei vorgesehen sein, dass mehrere der Peltier-Elemente auf ihrer jeweils warmen bzw. kalten Seite über jeweils eine Platte aus wärmeleitendem Material verbunden und mit den Zellpolen bzw. dem Batteriegehäuse verbunden sind. In dieser besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist es also vorgesehen, dass jeweils eine Platte aus wärmeleitendem Material die Peltier-Elemente auf ihrer warmen Seite und eine weitere Platte auf ihrer kalten Seite miteinander verbindet. Dabei kann die auf der einen Seite angeordnete Platte durchaus auch einstückig mit dem Batteriegehäuse ausgebildet sein. Die auf der Seite der Zellpole angeordnete Platte kann entweder selbst aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet sein oder mit einer elektrischen Isolierung beschichtet sein, sodass kein elektrischer Kurzschluss der Zellpole durch die Platte erfolgt. In idealer Ausführung ist die Platte aus sehr gut wärmeleitendem metallischen Material ausgeführt und ist über eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie mit den einzelnen Zellpolen verbunden. Durch diesen Aufbau kann eine sehr direkte Kühlung und Temperierung der Batterieeinzelzellen über ihre unmittelbar mit den elektrochemisch aktiven Bereichen verbundenen Zellpole erfolgen.
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Durch die Peltier-Elemente wird dann ein Temperaturgradient zwischen den Zellpolen und dem Batteriegehäuse aufgebaut. Dadurch ist es möglich, Wärme in der gewünschten Richtung, also bei der Kühlung in Richtung des Batteriegehäuses und bei der Erwärmung in Richtung in der Zellpole zu übertragen. Hierfür ist lediglich die an den Peltier-Elementen anliegende Stromrichtung entsprechend der gewünschten Temperierung vorzugeben. Das Batteriegehäuse selbst ist idealerweise ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus einem metallischen Blech oder dgl. ausgebildet. Es kann dann die im Bereich der Peltier-Elemente bzw. der mit den Peltier-Elementen verbundenen Platte in das Batteriegehäuse eingetragene Wärme sehr gut an die Umgebung abgeben. Um diesen Vorgang noch weiter zu verbessern, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie vorgesehen, dass das Batteriegehäuse zumindest in den Bereichen, in denen es auf seiner Innenseite mit den Peltier-Elementen in wärmeleitendem Kontakt steht, auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist. Solche Kühlrippen ermöglichen eine sehr gute Wärmeabgabe an die Umgebung des Batteriegehäuses und verbessern somit insbesondere für den Fall der Kühlung der Batterieeinzelzellen deren Temperierung.
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Die erfindungsgemäße Batterie kann sehr einfach aufgebaut und außerordentlich effizient temperiert, also sowohl gekühlt als auch bei Bedarf beheizt, werden. Sie ist damit ideal geeignet, um in Fahrzeugen als elektrischer Energiespeicher eingesetzt zu werden, wobei die Fahrzeuge zumindest teilweise elektrisch angetrieben sind. Die Batterie kann also vorzugsweise als Traktionsbatterie in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen Verwendung finden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einer Batterie; und
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2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches über einen elektrischen Fahrmotor 2 angetrieben werden soll. Die elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs 1 stammt dabei aus einer Batterie 3 und wird über eine Leistungselektronik 4 entsprechend dem elektrischen Fahrmotor 2 zur Verfügung gestellt. Das Fahrzeug 1 ist dabei als rein elektrisches Fahrzeug angedeutet. Es könnte genauso gut als Hybridfahrzeug ausgebildet sein, welches einen zusätzlichen Verbrennungsmotor aufweist. In diesem Fall könnte der Hybrid als so genannter Parallelhybrid ausgebildet sein, welcher sowohl mit dem Elektromotor 2 als auch mit dem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor das Fahrzeug 1 antreiben kann. Alternativ dazu wäre auch ein serieller Hybrid bzw. Range-Extender denkbar, bei welchem der Verbrennungsmotor lediglich einen Generator antreibt, welcher zum Nachladen der Batterie 3 verwendet wird.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung der Batterie 3 ist in einer schematisierten Schnittdarstellung in 2 angedeutet. Die Batterie 3 besteht dabei aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen, von welchen lediglich einige mit dem Bezugszeichen 5 versehen sind. Die angedeuteten Batterieeinzelzellen 5 können in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise prismatisch ausgebildet sein und erstrecken sich in die Blattebene hinein. Von jeder der Batterieeinzelzellen 5 ist dabei in der Darstellung der 2 einer ihrer Zellpole 6 zu erkennen. Von den Zellpolen 6 sind ebenfalls nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Die Zellpole 6 sind untereinander in an sich bekannter Art und Weise elektrisch verbunden, sodass vorzugsweise eine Reihenschaltung aller Batterieeinzelzellen 5 der Batterie 3 vorliegt. Dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Die Batterieeinzelzellen 5 sind in einem Batteriegehäuse 7 angeordnet und werden in diesen in an sich bekannter Art und Weise gehalten. Auch auf die Halterung wird hier nicht näher eingegangen. Sie ist nicht weiter dargestellt.
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Die Zellpole 6 der Batterieeinzelzellen sind nun mit einer elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Folie 8, einer so genannten Wärmeleitfolie 8, abgedeckt. Auf die Wärmeleitfolie 8 folgt dann eine gut wärmeleitende beispielsweise aus einem metallischen Material ausgeführte Platte 9, auf welcher eine Mehrzahl von angedeuteten Peltier-Elementen 10, von welchen wiederum nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, angeordnet sind. Die Peltier-Elemente sind damit bei mit ihrer einen Seite mit der Platte 9 verbunden und sind auf ihrer gegenüberliegenden Seite mit einer weiteren Platte 11 verbunden, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als eigenständige Platte 11 aus gut wärmeleitendem Material ausgebildet ist. Diese Platte 11 ist dann direkt oder gegebenenfalls wieder über ein Zwischenelement wie beispielsweise eine Wärmeleitfolie, welche hier nicht dargestellt ist, mit der Innenseite des Batteriegehäuses 7 verbunden. Die Funktion der Peltier-Elemente 10 ist nun aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt. Die Peltier-Elemente weisen jeweils eine warme und eine kalte Seite auf. Je nach gewünschter Temperierung der Batterieeinzelzellen 5 über ihre Zellpole 6 werden die Peltier-Elemente 10 über hier nicht dargestellte elektrische Anschlüsse in der gewünschten Art und Weise bestromt. Bei der Stromrichtung in der einen Richtung liegt die kalte Seite der Peltier-Elemente 10 an der Platte 9 und damit mittelbar an den Zellpolen 6 und die warme Seite liegt an der Platte 11 und damit an dem Batteriegehäuse 7. Für den umgekehrten Fall der Temperierung wird die Stromdurchflussrichtung durch die Peltier-Elemente 10 umgekehrt. Dann liegt die kalte Seite mittelbar am Batteriegehäuse 7 und die warme Seite an den Zellpolen 6, sodass anstelle der Kühlung eine Erwärmung der Batterieeinzelzellen 5 erfolgen kann.
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Um insbesondere für den Fall der Kühlung der Batterieeinzelzellen 5 die Wärme besser an die Umgebung des Batteriegehäuses 7 abführen zu können, sind auf dem Batteriegehäuse 7 auf der Außenseite, welche der mit den Peltier-Elementen 10 über die Platte 11 in Kontakt stehenden Innenseite gegenüberliegt, Kühlrippen 12 angeordnet. Diese Kühlrippen 12 helfen durch Konvektion Wärme beispielsweise für den Fall der Kühlung der Batterieeinzelzellen 5 an die Umgebung abzugeben. Auch von den Kühlrippen 12 sind nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Ihre Ausgestaltung und Anzahl kann sich insbesondere nach der erforderlichen Kühlleistung richten.
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Nun ist es selbstverständlich möglich, auf die Platte 11 zu verzichten und stattdessen die Peltier-Elemente 10 unmittelbar mit der Innenseite des Batteriegehäuses 7 in Kontakt zu bringen. Genauso gut wäre es denkbar, die Kühlrippen 12 in anderer Art und Weise auszubilden, beispielsweise indem diese über die komplette Oberfläche der Batterie 3 verteilt angeordnet werden, was insbesondere bei einem gut wärmeleitenden Material des Batteriegehäuses 7 durchaus sinnvoll sein kann.
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Im Gegensatz zu den Ausführungen gemäß dem Stand der Technik ist es bei diesem Aufbau möglich, sehr einfach und effizient eine Kühlung bzw. Erwärmung der Batterieeinzelzellen 5 der Batterie 3 zu erzielen. Außerdem ist keinerlei Durchführung von mit Fluid beaufschlagten Leitungen, Kühlluft oder dgl. durch das Batteriegehäuse 7 notwendig, sodass ein in sich abgedichtetes Batteriegehäuse 7 ausgebildet werden kann, was einen erheblichen Sicherheitsvorteil, insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug 1 darstellt. Bei dem Aufbau kann außerdem eine sehr wirkungsvolle Temperierung sowohl in Form einer Kühlung als auch in Form einer Erwärmung der Batterieeinzelzellen 5 durchgeführt werden. Deshalb ist es möglich, zumindest im Inneren des Batteriegehäuses 7 auf Isolationsmaterialien gänzlich zu verzichten, was ebenfalls einen weiteren Sicherheitsvorteil bringt, da Isolationsmaterialien typischerweise, insbesondere in Verbindung mit eventuell kritischen chemischen Substanzen aus der Zellchemie der Batterieeinzelzellen 5 sehr stark feuergefährdet sein können, beispielsweise bei einer Crasheinwirkung auf die Batterie 3 im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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