DE102014006733A1

DE102014006733A1 - Vorrichtung zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102014006733A1
Application number: DE102014006733.5A
Authority: DE
Inventors: Wei Zhou; Martin Adldinger; Uwe Gerlinger; Marco Ranalli
Original assignee: Audi AG; Gentherm GmbH
Current assignee: Audi AG; Gentherm GmbH
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-26
Also published as: US10530024B2; JP6666333B2; CN107074060A; JP2017525120A; WO2015169273A1; KR20190006081A; US20170077570A1; KR20170028880A

Abstract

Vorrichtung (1) zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers (2), umfassend wenigstens eine wenigstens ein Peltier-Element umfassende Temperiereinrichtung (3), welche mit dem oder einem zu temperierenden kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (2) thermisch koppelbar oder thermisch gekoppelt ist, wobei die wenigstens eine Temperiereinrichtung (3) zudem mit wenigstens einem wenigstens eine Temperierflüssigkeit enthaltenden Temperierflüssigkeitsreservoir (7) thermisch gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers, umfassend wenigstens eine wenigstens ein Peltier-Element umfassende Temperiereinrichtung, welche mit dem oder einem zu temperierenden kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher thermisch koppelbar oder thermisch gekoppelt ist.
Derartige Vorrichtungen zur Temperierung, d. h. zur Beheizung oder Kühlung, von elektrischen Energiespeichern sind grundsätzlich bekannt und finden im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik Verwendung. Entsprechende Vorrichtungen umfassen typischerweise Temperiereinrichtungen, welche wiederum thermoelektrische Wandler in Form von Peltier-Elementen umfassen oder als solche ausgebildet sind.
Entsprechende Temperiereinrichtungen sind je nach Betriebsart mit einer Wärmesenke oder einer Wärmequelle zu koppeln. Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ist es dabei üblich, die die Temperiereinrichtung umgebende Luft als Wärmesenke bzw. Wärmequelle zu verwenden.
Dieser Ansatz ist im Hinblick auf einen effizienten Betrieb bzw. das Leistungspotential entsprechender Temperiereinrichtungen bzw. solcher umfassender Vorrichtungen verbesserungswürdig.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Temperiereinrichtung zudem mit wenigstens einem wenigstens eine Temperierflüssigkeit enthaltenden Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch gekoppelt ist.
Das erfindungsgemäße Prinzip betrifft eine besondere Vorrichtung zur Temperierung wenigstens eines kraftfahrzeugseitigen, d. h. mittelbar oder unmittelbar an einen Teil einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs anbindbaren oder angebunden, elektrischen Energiespeichers.
Unter einem, im Weiteren abgekürzt als Energiespeicher bezeichneten, elektrischen Energiespeicher ist eine Anordnung aus einer elektrischen Energiespeicherzelle bzw. mehreren miteinander elektrisch verschalteten elektrischen Energiespeicherzellen, welche(r) in einem Energiespeichergehäuse aufgenommen ist bzw. sind zu verstehen. Der Begriff „Energiespeicher” betrifft sonach stets eine Anordnung aus einer oder mehreren entsprechenden, z. B. aus einem auf Lithium oder einer Lithiumverbindung gebildeten Energiespeichermaterial gebildeten, Energiespeicherzelle(n), welche in einem Energiespeichergehäuse aufgenommen ist bzw. sind. An dem Energiespeichergehäuse sind üblicherweise elektrische Anschlussmittel eingerichtet, über welche ein elektrischer Anschluss des Energiespeichers an wenigstens einen Drittgegenstand, wie z. B. einen elektrischen Generator oder einen elektrischen Verbraucher, möglich ist.
Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Temperiereinrichtung. Die Temperiereinrichtung ist mit dem oder den zu temperierenden Energiespeicher(n) thermisch gekoppelt. Die thermische Kopplung der Temperiereinrichtung mit dem oder den zu temperierenden Energiespeicher(n) ermöglicht einen mittelbaren oder unmittelbaren Wärmeaustausch zwischen der Temperiereinrichtung und dem oder den zu temperierenden Energiespeicher(n) und somit eine Beheizung oder Kühlung des oder der zu temperierenden Energiespeicher(s). Der Begriff „Temperierung” beinhaltet sonach gleichermaßen eine Beheizung als auch eine Erwärmung. In den einschlägigen Fachkreisen wird anstelle des Begriffs „Temperierung” regelmäßig der Begriff „Konditionierung” verwendet.
Die Temperiereinrichtung umfasst wenigstens ein Peltier-Element bzw. ist als ein solches ausgebildet. Unter einem Peltier-Element ist im Allgemeinen ein thermoelektrischer Wandler zu verstehen, welcher – basierend auf dem Peltier-Effekt – dazu ausgebildet bzw. eingerichtet ist, sich bei Anlegen eines elektrischen Stroms an einer ersten Wärmeaustauschfläche abzukühlen und sich an einer zweiten Wärmeaustauschfläche zu erwärmen. Typischerweise handelt es sich bei entsprechenden, in der Regel quaderförmigen, Peltier-Elementen um eine Anordnung aus unterschiedlich dotierten bzw. konfigurierten Halbleiterelementen, welche bei Bestromung, jeweils im Vergleich zu einer gegebenen Ausgangstemperatur, unterschiedliche Temperaturniveaus einnehmen. Mithin lässt sich in Abhängigkeit von Stromstärke und Stromrichtung eine gezielte Erwärmung einer ersten Wärmeaustauschfläche eines Peltier-Elements und entsprechend eine gezielte Abkühlung einer zweiten Wärmeaustauschfläche des Peltier-Elements, oder umgekehrt, realisieren. Die Wärmeaustauschflächen des Peltier-Elements sind beispielsweise aus Aluminiumoxid gebildet. Die Halbleiterelemente des Peltier-Elements sind typwischerweise p- oder n-dotiert. Konkret kann es sich bei diesen beispielsweise um Bismut-Tellurid oder Silizium-Germanium handeln.
Die für den Betrieb des Peltier-Elements erforderliche elektrische Energie (Strom) kann beispielsweise über den zu temperierenden Energiespeicher und/oder einen weiteren kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher bereitgestellt sein.
Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Temperiereinrichtung zusätzlich mit wenigstens einem Temperierflüssigkeitsreservoir, welches wenigstens eine Temperierflüssigkeit enthält, thermisch gekoppelt. Die zusätzliche thermische Kopplung der Temperiereinrichtung mit dem oder wenigstens einem Temperierflüssigkeitsreservoir ermöglicht einen mittelbaren oder unmittelbaren Wärmeaustausch zwischen der Temperiereinrichtung und Temperierflüssigkeitsreservoir.
Die thermische Kopplung der Temperiereinrichtung mit einem entsprechenden Temperierflüssigkeitsreservoir erhöht die Leistungsfähigkeit bzw. die Effizienz der Temperiereinrichtung erheblich. Dies begründet sich dadurch, dass das Temperierflüssigkeitsreservoir, d. h. insbesondere die in diesem enthaltene Temperierflüssigkeit, bei welcher es sich z. B. um Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einer organischen Flüssigkeit, insbesondere Glykol, handelt, als Wärmesenke bzw. Wärmequelle verwendet werden kann.
Die Verwendung eines entsprechenden Temperierflüssigkeitsreservoirs respektive einer Temperierflüssigkeit als eine der Temperiereinrichtung zugeordnete Wärmesenke bzw. Wärmequelle erlaubt, insbesondere im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Verwendung eines Gases, wie z. B. Luft, die Realisierung höherer thermischer Masseströme. Mithin lässt sich in einem Kühlbetrieb der Temperiereinrichtung betriebsbedingt erzeugte Abwärme besser und schneller abführen, was zu der erwähnten Erhöhung der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads führt. Gleichermaßen lässt sich in einem Heizbetrieb der Temperiereinrichtung Wärme gegebenenfalls schneller und besser zuführen. Hieraus resultiert eine insgesamt verbesserte Temperierbarkeit bzw. Temperierung des oder der zu temperierenden Energiespeicher und somit eine insgesamt verbesserte Vorrichtung.
Wie erwähnt, kann die Temperiereinrichtung mittelbar oder unmittelbar mit dem oder einem zu temperierenden Energiespeicher thermisch gekoppelt sein. Zweckmäßig ist eine mittelbare thermische Kopplung vorgesehen, gemäß welcher die Temperiereinrichtung mit dem oder einem Energiespeicher über wenigstens einen zwischen die Temperiereinrichtung und den Energiespeicher geschalteten, von einem, insbesondere gasförmigen, Temperiermedium durchströmbaren oder durchströmten ersten Wärmetauscher thermisch koppelbar oder gekoppelt ist.
Der erste Wärmetauscher ist typischerweise zumindest abschnittsweise in eine von dem bzw. einem Temperiermedium durchströmbare oder durchströmte Kanalstruktur geschaltet, um ein durch diese strömendes Temperiermedium entsprechend zu temperieren. Mithin ist mittels des ersten Wärmetauschers ein Wärmeaustausch zwischen der Temperiereinrichtung und einem entsprechenden Temperiermedium möglich. Die Kanalstruktur setzt an dem zu temperierenden Energiespeicher an bzw. setzt sich in bzw. durch diesen fort, so dass ein hinreichender Wärmeaustausch zwischen dem Energiespeicher und dem diesen durchströmenden Temperiermedium möglich ist. Der Energiespeicher weist typischerweise Zuführmittel zur Zuführung eines in diesen zuzuführenden Temperiermediums und Abführmittel zur Abführung eines aus diesem, typischerweise nach Durchströmen desselbigen, abzuführenden Temperiermediums auf.
Bei dem Temperiermedium kann es sich grundsätzlich um ein Gas bzw. ein Gasgemisch oder eine Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeitsgemisch handeln. Die Verwendung von Gasen, d. h. z. B. Luft, ist im Hinblick auf sicherheitstechnische Aspekte vorzuziehen, da derart, insbesondere im Vergleich zu elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, d. h. z. B. Wasser, die Gefahr von elektrischen Kurzschüssen innerhalb des Energiespeichers und damit möglicherweise einhergehenden Beschädigungen des Energiespeichers reduziert ist.
Um das oder ein entsprechendes Temperiermedium zu befördern, kann wenigstens eine Fördereinrichtung zur Förderung des oder eines Temperiermediums entlang wenigstens einer temperiereinrichtungsseitigen Wärmeaustauschoberfläche oder entlang einer Wärmeaustauschoberfläche eines der Temperiereinrichtung nachgeschalteten Wärmetauschers vorhanden sein. Je nachdem, ob es sich bei dem Temperiermedium um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt, kann die erste Fördereinrichtung wenigstens eine Pumpeneinrichtung, wie z. B. eine Drehkreiselpumpe, oder wenigstens eine Saug- und/oder Gebläseeinrichtung, wie z. B. einen Ventilator, umfassen bzw. als eine solche ausgebildet sein.
Wie ebenso erwähnt, kann die Temperiereinrichtung zusätzlich mittelbar oder unmittelbar mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch gekoppelt sein. Zweckmäßig ist auch hier eine mittelbare thermische Kopplung vorgesehen, gemäß welcher die Temperiereinrichtung mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir über wenigstens einen zwischen die Temperiereinrichtung und das Temperierflüssigkeitsreservoir geschalteten weiteren Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist. Mithin ist mittels des weiteren Wärmetauschers ein Wärmeaustausch zwischen der Temperiereinrichtung und dem Temperierflüssigkeitsreservoir respektive der Temperierflüssigkeit möglich.
Dabei ist es denkbar, dass der wenigstens eine weitere Wärmetauscher mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir unter Ausbildung eines von der Temperierflüssigkeit durchströmbaren oder durchströmten Temperierkreislaufs verbunden ist. Mithin ist zwischen dem weiteren Wärmetauscher und dem Temperierflüssigkeitsreservoir eine Leitungsstruktur ausgebildet, innerhalb welcher die Temperierflüssigkeit von dem Temperierflüssigkeitsreservoir in den weiteren Wärmetauscher, und umgekehrt, strömen bzw. zirkulieren kann. Die Leitungsstruktur umfasst sonach insbesondere eine Zuleitung von dem Temperierflüssigkeitsreservoir in den weiteren Wärmetauscher und eine Zuleitung von dem weiteren Wärmetauscher in das Temperierflüssigkeitsreservoir.
Um die Temperierflüssigkeit durch einen solchen Temperierkreislauf zu befördern, ist zweckmäßig eine weitere Fördereinrichtung zur Förderung der Temperierflüssigkeit durch den oder einen den Wärmetauscher mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir verbindenden Temperierkreislauf vorhanden. Eine solche Fördereinrichtung kann wenigstens eine Pumpeneinrichtung, wie z. B. eine Drehkreiselpumpe, umfassen oder als eine solche ausgebildet sein. Die Fördereinrichtung kann in das Temperierflüssigkeitsreservoir integriert sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Energiespeicheranordnung, welche wenigstens einen kraftfahrzeugseitigen Energiespeicher und wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu dessen Temperierung umfasst. Mithin gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie im Zusammenhang mit den diesbezüglich beschriebenen Varianten analog für die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung.
Die Energiespeicheranordnung kann eine einen nach Außen abschließbaren oder geschlossenen Aufnahmeraum umfassende Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers und der Vorrichtung umfassen. Über eine solche gehäuseartige Aufnahmeeinrichtung bzw. in einer solchen Aufnahmeeinrichtung, innerhalb welcher sich insbesondere der oder die zu temperierenden Energiespeicher sowie die Vorrichtung, d. h. insbesondere die dieser zugehörige Temperiereinrichtung, anordbar sind, lässt sich ein den oder die Energiespeicher außenseitig umgebender weiterer Temperierkreislauf realisieren.
Insbesondere ist durch eine entsprechende Aufnahmeeinrichtung die Ausbildung vier unterschiedlicher Temperierzonen möglich, welche nachfolgend im Zusammenhang beispielhafter Möglichkeiten eines mittels der Vorrichtung bzw. der dieser zugehörigen Temperiereinrichtung(en) realisierbaren bzw. realisierten Heiz- oder Kühlbetriebs näher erläutert werden.
Eine erste Temperierzone ist dabei innerhalb des oder der zu temperierenden Energiespeicher(s) gebildet. Eine zweite Temperierzone ist durch den den oder die zu temperierenden Energiespeicher innerhalb der Aufnahmeeinrichtung außenseitig umgebenden Bereich des Aufnahmeraums gebildet. Eine dritte Temperierzone ist durch den oder einen zwischen der Temperiereinrichtung und dem Temperierflüssigkeitsreservoir gebildeten, von der Temperierflüssigkeit durchströmten Temperierkreislauf gebildet. Eine vierte Temperierzone ist durch den die Aufnahmeeinrichtung außenseitig umgebenden Bereich, d. h. die Umgebung außerhalb der Aufnahmeeinrichtung gebildet. Wie sich im Weiteren ergibt, unterscheiden sich die Temperierzonen typischerweise in deren jeweiligen Temperaturen bzw. Wärmeinhalten.
In einem Heizbetrieb der Vorrichtung wird das Temperiermedium mittels der Temperiereinrichtung derart beheizt, dass in der ersten Temperierzone die höchste Temperatur herrscht. Die Temperatur der ersten Temperierzone liegt sonach oberhalb der Temperatur der übrigen Temperierzonen. Entsprechend erfolgt in der ersten Temperierzone ein Aufheizen bzw. Erwärmen des Energiespeichers. Die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher in den aufnahmeeinrichtungsseitigen Aufnahmeraum austretenden Temperiermediums liegt durch Aufheizen bzw. Erwärmen des Energiespeichers unterhalb der Eintrittstemperatur in den Energiespeicher.
Gleichwohl liegt die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher in den Aufnahmeraum austretenden Temperiermediums typischerweise höher als die Temperatur des in dem Aufnahmeraum vorhandenen Mediums, d. h. typischerweise Luft, so dass sich die zweite Temperierzone erwärmt. Derart lässt sich eine zusätzliche Beheizung der Außenflächen des Energiespeichers und somit eine Außenbeheizung realisieren, was einen sehr effizienten Heizbetrieb bedingt. Das in dem Aufnahmeraum vorhandene Medium kann sonach ebenso als entsprechendes Temperiermedium dienen.
In der dritten Temperierzone wird die zur Erwärmung des Temperiermediums vor dem Eintritt in den Energiespeicher und somit in die erste Temperierzone erforderliche Wärme über die Temperiereinrichtung bereitgestellt. Dabei kann das Temperierflüssigkeitsreservoir respektive die Temperierflüssigkeit als Wärmequelle dienen, um eine möglichst schnelle und effiziente Erwärmung des Temperiermediums zu unterstützen. Das Temperierflüssigkeitsreservoir respektive die Temperierflüssigkeit wird dabei durch Entziehung von Wärme abgekühlt. Mithin sinkt die Temperatur bzw. der Wärmeinhalt des Temperierflüssigkeitsreservoirs respektive der Temperierflüssigkeit. Dem Temperierflüssigkeitsreservoir respektive der Temperierflüssigkeit kann jedoch über kraftfahrzeugseitig vorhandene Wärme abgebende bzw. Wärme erzeugende Bauteile bzw. Einrichtungen eine Wärme zugeführt werden.
Bei entsprechenden kraftfahrzeugseitig vorhandenen Wärme abgebenden bzw. Wärme erzeugenden Bauteilen bzw. Einrichtungen kann es sich z. B. um kraftfahrzeugseitige Temperiereinrichtungen zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Gegenstands, insbesondere in Form von kraftfahrzeugseitigen Lenkrad-, Sitz- oder Spiegeltemperiereinrichtungen, und/oder Temperiereinrichtungen zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Fahrgastzellenbereichs, z. B. in Form einer kraftfahrzeugseitigen Klimaanlage, und/oder kraftfahrzeugseitige Antriebsaggregate, d. h. z. B. Elektromotoren und/oder Verbrennungsmotoren etc., handeln.
In diesem Zusammenhang ist es sonach denkbar, dass das Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch mit entsprechenden Wärme abgebenden bzw. Wärme erzeugenden Einrichtungen bzw. Bauteilen gekoppelt ist. Die thermische Kopplung kann durch Wärme leitende Strukturen zwischen dem bzw. der jeweiligen Wärme abgebenden bzw. erzeugenden Einrichtung bzw. Bauteil und dem Temperierflüssigkeitsreservoir erfolgen. Entsprechende thermisch leitfähige Strukturen sind vorzugsweise aus thermisch gut leitfähigen Materialien, wie z. B. Aluminium, Kupfer etc., gebildet. Es ist möglich, dass diese zu dem genannten Zweck gezielt in die Karossiere des Kraftfahrzeugs eingebracht bzw. integriert oder ohnehin karosserieseitig vorhanden sind. Mit dem gleichen Zweck können auch mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch gekoppelte Wärmetauscher in die Karossiere des Kraftfahrzeugs eingebracht, integriert oder thermisch gekoppelt an diese angebunden sein.
Dagegen wird das Temperiermedium in einem Kühlbetrieb der Vorrichtung mittels der Temperiereinrichtung derart gekühlt, dass in der ersten Temperierzone die niedrigste Temperatur herrscht. Die Temperatur der ersten Temperierzone liegt sonach unterhalb der Temperatur der übrigen Temperierzonen. Entsprechend erfolgt in der ersten Temperierzone ein Abkühlen des Energiespeichers. Die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher in den aufnahmeeinrichtungsseitigen Aufnahmeraum austretenden Temperiermediums liegt durch Abkühlung des Energiespeichers oberhalb der Eintrittstemperatur in den Energiespeicher.
Gleichwohl liegt die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher in den Aufnahmeraum austretenden Temperiermediums typischerweise niedriger als die Temperatur des in dem Aufnahmeraum vorhandenen Mediums, d. h. typischerweise Luft, so dass auch die zweite Temperierzone gekühlt wird. Derart lässt sich eine zusätzliche Abkühlung der Außenflächen des Energiespeichers und somit eine Außenkühlung realisieren, was einen sehr effizienten Kühlbetrieb bedingt.
In der dritten Temperierzone wird die zur Abkühlung des Temperiermediums vor dem Eintritt in den Energiespeicher und somit in die erste Temperierzone erforderliche Wärme über die Temperiereinrichtung aus dem Temperiermedium entzogen. Dabei kann das Temperierflüssigkeitsreservoir respektive die Temperierflüssigkeit als Wärmesenke dienen, um eine möglichst schnelle und effiziente Abkühlung des Temperiermediums zu unterstützen. Das Temperierflüssigkeitsreservoir respektive die Temperierflüssigkeit wird dabei durch die Abwärme der Temperiereinrichtung erwärmt. Mithin steigt die Temperatur bzw. der Wärmeinhalt des Temperierflüssigkeitsreservoirs. Dem Temperierflüssigkeitsreservoir kann jedoch über kraftfahrzeugseitig vorhandene Wärme aufnehmende bzw. Wärme erfordernde Bauteile bzw. Einrichtungen Wärme entnommen werden.
Bei entsprechenden kraftfahrzeugseitig vorhandenen Wärme aufnehmenden bzw. Wärme erfordernden Bauteilen bzw. Einrichtungen kann es sich grundsätzlich um entsprechende Einrichtungen bzw. Bauteile handeln, welche im Zusammenhang mit den im Rahmen des Heizbetriebs verwendbaren kraftfahrzeugseitig vorhandenen Wärme abgebenden bzw. Wärme erzeugenden Einrichtungen bzw. Bauteilen genannt wurden.
Gleichermaßen ist es auch hier möglich, dass das Temperierflüssigkeitsreservoir respektive die Temperierflüssigkeit thermisch mit entsprechenden Wärme aufnehmenden bzw. Wärme erfordernden Einrichtungen bzw. Bauteilen gekoppelt ist, wobei wiederum auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit den im Rahmen des Heizbetriebs verwendbaren kraftfahrzeugseitig vorhandenen Wärme abgebenden bzw. Wärme erzeugenden Einrichtungen bzw. Bauteilen verwiesen wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung umfasst. Mithin gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung sowie mit den diesbezüglich beschriebenen Varianten und demzufolge auch sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie mit den diesbezüglich beschriebenen Varianten analog für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Entsprechend ist das wenigstens eine vorrichtungs- und somit energiespeicheranordnungsseitige Temperierflüssigkeitsreservoir zweckmäßig mit wenigstens einer kraftfahrzeugseitigen Temperiereinrichtung zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Gegenstands, insbesondere wenigstens einer kraftfahrzeugseitigen Lenkrad-, Sitz- oder Spiegeltemperiereinrichtung, und/oder einer kraftfahrzeugseitigen Temperiereinrichtung zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Fahrgastzellenbereichs, insbesondere einer kraftfahrzeugseitigen Klimaanlage, und/oder der Karosserie des Kraftfahrzeugs, insbesondere wenigstens einer freiliegenden Außenfläche der Karosserie des Kraftfahrzeugs, und/oder einem kraftfahrzeugseitigen Antriebsaggregat, wie z. B. einem Elektromotor und/oder einem Verbrennungsmotor, thermisch gekoppelt.
Im Allgemeinen ist unter einer solchen kraftfahrzeugseitigen Außenfläche eine Außenfläche zu verstehen, welche bei Fahrt des Kraftfahrzeugs einem Fahrtwind ausgesetzt ist. Über den Fahrtwind lässt sich Wärme aus der Karosserie des Kraftfahrzeugs entnehmen, was insbesondere im Hinblick auf den oben beschriebenen Kühlbetrieb der Vorrichtung vorteilhaft ist. Bei der mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch gekoppelten freiliegenden Außenfläche der Karosserie des Kraftfahrzeugs handelt es sich sonach beispielsweise um einen Unterboden des Kraftfahrzeugs.
Im Hinblick auf einen effizienten und schnellen Wärmeaustausch zwischen dem Temperierflüssigkeitsreservoir respektive der Temperierflüssigkeit und der Karossiere des Kraftfahrzeugs, d. h. insbesondere wenigstens einer freiliegenden Außenfläche der Karosserie des Kraftfahrzeugs, ist es zweckmäßig, wenn in die mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch gekoppelte freiliegende Außenfläche der Karosserie des Kraftfahrzeugs oder in ein eine solche aufweisendes kraftfahrzeugseitiges Bauteil wenigstens ein mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir thermisch gekoppelter Wärmetauscher integriert ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1, 2 je eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen, d. h. kraftfahrzeugseitig verbauten, elektrischen Energiespeichers 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Energiespeicher 2 handelt es sich z. B. um einen mehrere elektrisch miteinander verschaltete, auf Lithium basierende und in einem gemeinsamen Energiespeichergehäuse (nicht gezeigt) aufgenommene Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) aufweisenden Lithium-Energiespeicher. Der Energiespeicher 2 dient im Allgemeinen der elektrischen Versorgung kraftfahrzeugseitiger elektrischer Verbraucher und ist sonach an ein kraftfahrzeugseitiges Bordnetz (nicht gezeigt) angeschlossen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine wenigstens ein Peltier-Element (nicht gezeigt) umfassende Temperiereinrichtung 3. Die Temperiereinrichtung 3 ist mit dem zu temperierenden Energiespeicher 2 thermisch gekoppelt. Entsprechend kann der Energiespeicher 2 mittels der Temperiereinrichtung 3 beheizt oder gekühlt werden. Die zu dessen Betrieb erforderliche elektrische Versorgung des Peltier-Elements erfolgt über den zu temperierenden Energiespeicher 2.
Die thermische Kopplung zwischen der Temperiereinrichtung 3 und dem Energiespeicher 2 ist über einen zwischen diese geschalteten Wärmetauscher 4 realisiert. Der Wärmetauscher 4 ist dabei in eine wenigstens einen von einem Temperiermedium, wie z. B. Luft, durchströmbaren Strömungskanal begrenzende, durch die Pfeile angedeutete Kanalstruktur 5 geschaltet.
Der Kanalstruktur 5 ist eine erste Fördereinrichtung 6 in Form einer Gebläseeinrichtung vorgeschaltet, mittels welcher das Temperiermedium durch die Kanalstruktur 5, entlang einer in die Kanalstruktur 5 ragenden Wärmeaustauschoberfläche des Wärmetauschers 4 und weiter in den Energiespeicher 2 befördert werden kann. Typischerweise ist nur eine einzige Fördereinrichtung 6 vorzusehen, was eine vergleichsweise geringe Geräuschentwicklung im Betrieb der Vorrichtung 1 bedingt.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiter ein eine Temperierflüssigkeit, wie z. B. Wasser, enthaltendes Temperierflüssigkeitsreservoir 7, z. B. in Form eines einfachen Flüssigkeitsbehältnisses bzw. -tanks. Ersichtlich ist die Temperiereinrichtung 3 auch mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 thermisch gekoppelt. Die thermische Kopplung zwischen der Temperiereinrichtung 3 und dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 ist über einen zwischen diese geschalteten weiteren Wärmetauscher 8 realisiert.
Ersichtlich ist der weitere Wärmetauscher 8 mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 unter Ausbildung eines von der Temperierflüssigkeit durchströmten Temperierkreislaufs verbunden. Hierfür ist zwischen dem weiteren Wärmetauscher 8 und dem Temperierflüssigkeitsreservoir eine Leitungsstruktur 9 ausgebildet, innerhalb welcher die Temperierflüssigkeit von dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 in den weiteren Wärmetauscher 8, und umgekehrt, kreislaufartig strömen bzw. kreislaufartig zirkulieren kann. Die Leitungsstruktur 9 umfasst eine Zuleitung 9a von dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 in den weiteren Wärmetauscher 8 und eine Zuleitung 9b von dem weiteren Wärmetauscher 8 in das Temperierflüssigkeitsreservoir 7. Die Zuleitungen 9a, 9b sind wiederum durch Pfeile dargestellt.
In die Temperierflüssigkeitsreservoir 7 ist eine Fördereinrichtung 10 in Form einer Pumpeneinrichtung integriert, welche einer Förderung der Temperierflüssigkeit durch die Leitungsstruktur 9 bzw. zwischen dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 und dem weiteren Wärmetauscher 8 dient.
Selbstverständlich könnte die oder eine weitere Fördereinrichtung 10 z. B. auch in die Leitungsstruktur 9 geschaltet sein.
Das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 bzw. die Temperierflüssigkeit dient als der Temperiereinrichtung 3 zugeordnete Wärmesenke bzw. Wärmequelle und führt zu einer erheblichen Erhöhung der Leistungsfähigkeit bzw. der Effizienz der Temperiereinrichtung 3 respektive der Vorrichtung 1 insgesamt. Der Energiespeicher 2 kann sonach sehr effizient temperiert, d. h. beheizt oder gekühlt, werden.
Das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 ist ferner mit der Karosserie 11 des Kraftfahrzeugs 12 oder einem an die Karosserie 11 des Kraftfahrzeugs 12 angebundenen Bauteil bzw. einer an die Karosserie 11 des Kraftfahrzeugs 12 angebundenen Einrichtung, wie z. B. einer Temperiereinrichtung 13 zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Fahrgastzellenbereichs, d. h. insbesondere einer kraftfahrzeugseitigen Klimaanlage, oder einer Temperiereinrichtung 14 zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Gegenstands, wie z. B. einer kraftfahrzeugseitigen Lenkrad-, Sitz- oder Spiegeltemperiereinrichtung, thermisch gekoppelt.
Über die Temperiereinrichtungen 13, 14 lässt sich Wärme in das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 und somit in die Temperierflüssigkeit einbringen, was für einen besonders effizienten Heizbetrieb der Vorrichtung 1 zweckmäßig sein kann. Gleichermaßen lässt sich über die Temperiereinrichtungen 13, 14 auch Wärme aus dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 und somit aus der Temperierflüssigkeit entnehmen, was für einen besonders effizienten Kühlbetrieb der Vorrichtung 1 zweckmäßig sein kann.
Das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 ist außerdem thermisch mit einer freiliegenden Außenfläche der Karosserie 11 des Kraftfahrzeugs 12, wie z. B. einem Unterboden, gekoppelt. Derart lässt sich über den bei Fahrt des Kraftfahrzeugs 12 entstehenden Fahrtwind ebenso Wärme aus dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 entnehmen.
In die mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir 7 thermisch gekoppelte freiliegende Außenfläche der Karosserie 11 des Kraftfahrzeugs 12 kann ferner wenigstens ein mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 thermisch gekoppelter weiterer Wärmetauscher (nicht gezeigt) integriert sein.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die bereits in 1 nicht näher bezeichnete, jedoch vorhandene, aus Energiespeicher 2 und Vorrichtung 1 bestehende Energiespeicheranordnung hier eine einen Aufnahmeraum 15 begrenzende, geschlossene, d. h. nach Außen abgedichtete, Aufnahmeeinrichtung 16, in welcher die Vorrichtung 1 wie auch der Energiespeicher 2 aufgenommen sind. Die Aufnahmeeinrichtung 16 kann eine wannenartige Gestalt aufweisen.
Derart lassen sich im Betrieb der Vorrichtung 1 vier unterschiedlich temperierte, d. h. vier jeweils unterschiedliche Temperaturen und somit unterschiedliche Wärmeinhalte aufweisende, Temperierzonen TZ1, TZ2, TZ3, TZ4 ausbilden. Das Temperiermedium strömt dabei insbesondere durch die Temperierzonen TZ1 und TZ2. Die Strömung des Temperiermediums ist durch die Pfeile dargestellt.
Eine erste Temperierzone TZ1 ist innerhalb des zu temperierenden Energiespeichers 2 gebildet. Eine zweite Temperierzone TZ2 ist durch den den zu temperierenden Energiespeicher 2 innerhalb der Aufnahmeeinrichtung 16 außenseitig umgebenden Bereich des Aufnahmeraums 15 gebildet. Eine dritte Temperierzone TZ3 ist durch den zwischen der Temperiereinrichtung 3 und dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 gebildeten, von der Temperierflüssigkeit durchströmten Temperierkreislauf gebildet. Eine vierte Temperierzone TZ4 ist durch den die Aufnahmeeinrichtung 16 außenseitig umgebenden Bereich, d. h. die Umgebung außerhalb der Aufnahmeeinrichtung 16 gebildet.
In einem Heizbetrieb der Vorrichtung 1 wird das Temperiermedium mittels der Temperiereinrichtung 3 derart beheizt, dass in der ersten Temperierzone TZ1 die höchste Temperatur herrscht. Die Temperatur der ersten Temperierzone TZ1 liegt sonach oberhalb der Temperatur der übrigen Temperierzonen TZ2, TZ3, TZ4. Entsprechend erfolgt in der ersten Temperierzone TZ1 ein Aufheizen bzw. Erwärmen des Energiespeichers 2. Die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher 2 in den Aufnahmeraum 15 austretenden Temperiermediums liegt durch Aufheizen bzw. Erwärmen des Energiespeichers 2 und somit die Abgabe von Wärme an den Energiespeicher 2 unterhalb der Eintrittstemperatur in den Energiespeicher 2.
Gleichwohl liegt die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher 2 in den Aufnahmeraum 15 austretenden Temperiermediums typischerweise oberhalb der Temperatur des in dem Aufnahmeraum 15 vorhandenen Mediums, bei welchem es sich typischerweise ebenso um Luft handelt, so dass sich die zweite Temperierzone TZ2 ebenso erwärmt. Derart ist eine zusätzliche Beheizung der Außenflächen des Energiespeichers 2 respektive des Energiespeichergehäuses und somit ein sehr effizienter Heizbetrieb der Vorrichtung 1 realisiert.
In der dritten Temperierzone TZ3 wird die zur Erwärmung des Temperiermediums vor dem Eintritt in den Energiespeicher 2 und somit in die erste Temperierzone TZ1 erforderliche Wärme über die Temperiereinrichtung 3 zugeführt. Dabei dient das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 respektive die Temperierflüssigkeit als Wärmequelle, um eine möglichst schnelle und effiziente Erwärmung des Temperiermediums zu unterstützen. Das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 respektive die Temperierflüssigkeit wird dabei durch Entziehung von Wärme abgekühlt. Mithin sinkt die Temperatur bzw. der Wärmeinhalt des Temperierflüssigkeitsreservoirs 7 respektive der Temperierflüssigkeit. Dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 kann jedoch, wie erwähnt, über kraftfahrzeugseitig vorhandene Wärme abgebende bzw. Wärme erzeugende Bauteile bzw. Einrichtungen Wärme zugeführt werden. Bei entsprechenden kraftfahrzeugseitig vorhandenen Wärme abgebenden bzw.
Wärme erzeugenden Einrichtungen kann es sich z. B. um die kraftfahrzeugseitige Temperiereinrichtung 13 zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Fahrgastzellenbereichs handeln.
In einem Kühlbetrieb der Vorrichtung 1 wird das Temperiermedium mittels der Temperiereinrichtung 3 derart gekühlt, dass in der ersten Temperierzone TZ1 die niedrigste Temperatur herrscht. Die Temperatur der ersten Temperierzone TZ1 liegt sonach unterhalb der Temperatur der übrigen Temperierzonen TZ2, TZ3, TZ4. Entsprechend erfolgt in der ersten Temperierzone TZ1 ein Abkühlen des Energiespeichers 2. Die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher 2 in den Aufnahmeraum 15 austretenden Temperiermediums liegt durch Abkühlung des Energiespeichers 2 und somit die Aufnahme von Wärme aus dem Energiespeicher 2 oberhalb der Eintrittstemperatur in den Energiespeicher 2.
Gleichwohl liegt die Austrittstemperatur des aus dem Energiespeicher 2 in den Aufnahmeraum 15 austretenden Temperiermediums typischerweise unterhalb der Temperatur des in dem Aufnahmeraum 15 vorhandenen Mediums, so dass auch die zweite Temperierzone TZ2 gekühlt wird. Derart ist eine zusätzliche Abkühlung der Außenflächen des Energiespeichers 2 respektive des Energiespeichergehäuses und somit ein sehr effizienter Kühlbetrieb der Vorrichtung 1 realisiert.
In der dritten Temperierzone TZ3 wird die zur Abkühlung des Temperiermediums vor dem Eintritt in den Energiespeicher 2 und somit in die erste Temperierzone TZ1 erforderliche Wärme über die Temperiereinrichtung 3 aus dem Temperiermedium entzogen. Dabei dient das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 respektive die Temperierflüssigkeit als Wärmesenke, um eine möglichst schnelle und effiziente Abkühlung des Temperiermediums zu unterstützen. Das Temperierflüssigkeitsreservoir 7 respektive die Temperierflüssigkeit wird dabei durch die Abwärme der Temperiereinrichtung 3 erwärmt. Mithin steigt die Temperatur bzw. der Wärmeinhalt des Temperierflüssigkeitsreservoirs 7 respektive der Temperierflüssigkeit. Dem Temperierflüssigkeitsreservoir 7 kann jedoch über kraftfahrzeugseitig vorhandene Wärme aufnehmende bzw. Wärme erfordernde Bauteile bzw. Einrichtungen eine Wärme entnommen werden. Bei entsprechenden kraftfahrzeugseitig vorhandenen Wärme aufnehmenden bzw. Wärme erfordernden Einrichtungen kann es sich z. B. wiederum um die kraftfahrzeugseitige Temperiereinrichtung 13 zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Fahrgastzellenbereichs handeln.

Claims

Vorrichtung (1) zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers (2), umfassend wenigstens eine wenigstens ein Peltier-Element umfassende Temperiereinrichtung (3), welche mit dem oder einem zu temperierenden kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (2) thermisch koppelbar oder thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Temperiereinrichtung (3) zudem mit wenigstens einem wenigstens eine Temperierflüssigkeit enthaltenden Temperierflüssigkeitsreservoir (7) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (3) mit dem oder einem elektrischen Energiespeicher (2) über wenigstens einen zwischen die Temperiereinrichtung (3) und den elektrischen Energiespeicher (2) geschalteten, von einem, insbesondere gasförmigen, Temperiermedium durchströmbaren oder durchströmten ersten Wärmetauscher (4) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (3) mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir (7) über wenigstens einen zwischen die Temperiereinrichtung (3) und das Temperierflüssigkeitsreservoir (7) geschalteten weiteren Wärmetauscher (8) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Wärmetauscher (8) mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir (7) unter Ausbildung eines von der Temperierflüssigkeit durchströmbaren oder durchströmten Temperierkreislaufs verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine erste Fördereinrichtung (6) zur Förderung des oder eines Temperiermediums entlang wenigstens einer temperiereinrichtungsseitigen Wärmeaustauschoberfläche oder entlang einer Wärmeaustauschoberfläche eines der Temperiereinrichtung (3) nachgeschalteten Wärmetauschers (4).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch wenigstens weitere Fördereinrichtung (10) zur Förderung der Temperierflüssigkeit durch den oder einen den Wärmetauscher (8) mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir (7) verbindenden Temperierkreislauf.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierflüssigkeit Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einer organischen Flüssigkeit, insbesondere Glykol, ist.
Energiespeicheranordnung, umfassend wenigstens einen kraftfahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (2) und wenigstens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Energiespeicheranordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine einen nach Außen abschließbaren oder geschlossenen Aufnahmeraum (15) umfassende Aufnahmeeinrichtung (16) zur Aufnahme des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers (2) und der Vorrichtung (1).
Kraftfahrzeug (12), umfassend wenigstens eine Energiespeicheranordnung nach Anspruch 8 oder 9.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Temperierflüssigkeitsreservoir (7) mit wenigstens einer kraftfahrzeugseitigen Temperiereinrichtung (14) zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Gegenstands, insbesondere wenigstens einer kraftfahrzeugseitigen Lenkrad-, Sitz- oder Spiegeltemperiereinrichtung, und/oder einer kraftfahrzeugseitigen Temperiereinrichtung (13) zur Temperierung eines kraftfahrzeugseitigen Fahrgastzellenbereichs, insbesondere wenigstens einer kraftfahrzeugseitigen Klimaanlage, und/oder der Karosserie (11) des Kraftfahrzeugs (12), insbesondere wenigstens einer freiliegenden Außenfläche der Karosserie (11) des Kraftfahrzeugs (12), und/oder einem kraftfahrzeugseitigen Antriebsaggregat thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir (7) thermisch gekoppelte freiliegende Außenfläche der Karosserie (11) des Kraftfahrzeugs (12) oder in ein eine solche aufweisendes kraftfahrzeugseitiges Bauteil wenigstens ein mit dem Temperierflüssigkeitsreservoir (7) thermisch gekoppelter Wärmetauscher integriert ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem wenigstens einen Temperierflüssigkeitsreservoir (7) thermisch gekoppelte freiliegende Außenfläche der Karosserie (11) des Kraftfahrzeugs (12) ein Unterboden des Kraftfahrzeugs (12) ist.