DE102014013087A1

DE102014013087A1 - Fahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher und Verfahren zum Betrieb des Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102014013087A1
Application number: DE102014013087.8A
Authority: DE
Inventors: Norbert Bachmann; Jens Meintschel; Dirk Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (3) mit zumindest einem in einem Bauraum angeordneten elektrischen Energiespeicher (1) sowie einer Temperiervorrichtung (2) mit einer Anzahl von Peltierelementen (6) zumindest zur Temperierung des Energiespeichers (1). Erfindungsgemäß ist eine Wärmesenke (7) der Temperiervorrichtung (2) zum Erwärmen des Energiespeichers mit zumindest einem Wärmetauscher (11) und/oder einer Heizvorrichtung (9) zur Zuführung eines Wärmestromes zur Wärmesenke (7) thermisch gekoppelt, wobei die Anzahl von Peltierelementen (6) direkt zwischen der Wärmesenke (7) und dem Energiespeicher (1) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Fahrzeuges (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit zumindest einem in einem Bauraum angeordneten elektrischen Energiespeicher sowie einer Temperiervorrichtung mit einer Anzahl von Peltierelementen zur Temperierung des Energiespeichers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeuges.
Batterien für Fahrzeuganwendungen, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges, oder für Stationäranwendungen, wie Stromversorger oder Stromspeicher, bestehen aus einer Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen. Innerhalb der Batterie sind die Einzelzellen zu Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen und deren Vorrichtungen zur mechanischen Fixierung, Kontaktierung und Temperierung umfassen. Der Zellblock oder die Zellblöcke sind in einem Batteriegehäuse angeordnet, welches wiederum Vorrichtungen, insbesondere zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie sowie Anschlusselemente zur Stromentnahme und Stromeinleitung sowie zur Kühlmittelzu- und -abführung, aufweist. Zur Abführung einer beim Laden und Entladen der Einzelzelle entstehenden Verlustleistung werden die Einzelzellen in der Regel gekühlt. Für einen Betrieb der Batterie ist bei vergleichsweise niedriger Umgebungstemperatur oftmals ein Aufheizen erforderlich, um die Einzelzellen bei ihrer optimalen Betriebstemperatur zu betreiben.
Aus der DE 10 2009 005 853 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches wenigstens eine Batterie umfasst. Zudem umfasst das Batteriesystem ein Peltierelement, welches der Kühlung und/oder Erwärmung wenigstens einer Batterie dient.
Darüber hinaus ist aus der US2006/216582A1 ein Batteriemodul beschrieben, welches eine Vielzahl von Batterieeinheiten umfasst. Weiterhin umfasst das Batteriemodul ein Gehäuse zur Aufnahme der Batterieeinheiten, zwischen den Batterieeinheiten angeordnete Trennplatten, mittels derer eine von den Batterieeinheiten erzeugte Wärme an eine Kühlplatte übertragbar ist. Zudem ist eine Wärmeableitungsanordnung vorgesehen, die mit der Kühlplatte thermisch gekoppelt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher und einer Temperiervorrichtung zum Temperieren des elektrischen Energiespeichers und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeuges anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Fahrzeuges durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Fahrzeug weist zumindest einen in einem Bauraum angeordneten elektrischen Energiespeicher sowie eine Temperiervorrichtung mit einer Anzahl von Peltierelementen zur Temperierung des Energiespeichers auf. Erfindungsgemäß ist eine Wärmesenke der Temperiervorrichtung zum Erwärmen des Energiespeichers mit zumindest einem Wärmetauscher und/oder einer Heizvorrichtung zur Zuführung eines Wärmestromes zur Wärmesenke thermisch gekoppelt, wobei die Anzahl von Peltierelementen direkt zwischen der Wärmesenke und dem Energiespeicher angeordnet ist.
Mittels der Peltierelemente der Temperiervorrichtung ist der Energiespeicher sowohl kühlbar als auch erwärmbar, wobei die Temperiervorrichtung aufgrund der Peltierelemente einen vergleichsweise gering bemessenen Bauraum benötigt.
Der zumindest eine Wärmetauscher und/oder die zumindest eine Heizvorrichtung erzeugt einen Wärmestrom, welcher einer Kaltseite der Peltierelemente zuführbar ist, so dass sich diese erwärmt und somit der Energiespeicher erwärmbar ist.
Dadurch ist es beispielsweise möglich, den elektrischen Energiespeicher bei vergleichsweise geringer Umgebungstemperatur zu erwärmen, so dass der Energiespeicher zumindest annähernd im Bereich seiner optimalen Betriebstemperatur betreibbar ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmesenke mittels zumindest eines Wärmerohres und/oder zumindest eines Wärmeleitelementes mit der Heizvorrichtung thermisch gekoppelt ist. Somit ist insbesondere zum Erwärmen des Energiespeichers ein Wärmestrom von der Heizvorrichtung effektiv an die Peltierelemente übertragbar, so dass eine Effizienz hinsichtlich des Übertragungsweges erhöht ist.
In einer Ausführungsform ist die Wärmesenke als eine Temperierplatte ausgebildet, welche die Peltierelemente in Abhängigkeit einer gewünschten, d. h. erforderlichen, Temperatureinstellung am Zellblock die Peltierelemente kühlt oder erwärmt.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Temperierplatte und die Heizvorrichtung eine Kanalstruktur, welche von einem Temperiermedium durchströmbar ist. Das Temperiermedium weist dabei eine entsprechende Temperatur auf, um eine Temperaturdifferenz in dem jeweiligen Peltierelement zu erzeugen, so dass der Energiespeicher im Hinblick auf seine optimale Betriebstemperatur kühlbar oder erwärmbar ist.
In einer möglichen Weiterbildung ist die Temperierplatte außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet. Dadurch ist das Risiko, dass das in der Kanalstruktur der als Temperierplatte ausgeführten Wärmsenke strömende Temperiermedium bei einem Leck in der Kanalstruktur in dem Batteriegehäuse austritt und somit den Energiespeicher beschädigen kann. Die Gefahr eines Kurzschlusses innerhalb des elektrischen Energiespeichers und ein dadurch bedingter Ausfall desselben sind somit weitestgehend ausgeschlossen.
In einer möglichen Ausbildung ist das Peltierelement zumindest bei einer Temperierung bei fehlendem Temperierbedarf automatisch von der Temperierplatte und/oder dem zu temperierenden Energiespeicher thermisch entkoppelbar. Dadurch kann eine Versorgung der Peltierelemente mit elektrischer Energie abgeschaltet werden, wodurch ein Verbrauch an elektrischer Energie bei Nichtbedarf an Temperierungsleistung eingespart werden kann.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug, wobei der mittels der Temperiervorrichtung zu temperierende elektrische Energiespeicher eine Traktionsbatterie des entsprechenden Fahrzeuges ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuges mit zumindest einem in einem Bauraum angeordneten elektrischen Energiespeicher sowie einer Temperiervorrichtung mit einer Anzahl von Peltierelementen, mittels welcher der Energiespeicher temperiert wird. Erfindungsgemäß wird eine Wärmesenke der Temperiervorrichtung zum Erwärmen des Energiespeichers mit zumindest einem Wärmetauscher und/oder einer Heizvorrichtung zur Zuführung eines Wärmestromes zur Wärmesenke thermisch gekoppelt, wobei die Anzahl von Peltierelementen direkt zwischen der Wärmesenke und dem Energiespeicher angeordnet ist.
Dadurch ist es möglich, den Energiespeicher effektiv zu erwärmen, so dass dieser im Bereich seiner optimalen Betriebstemperatur betrieben wird.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Wärmesenke mittels zumindest eines Wärmerohres und/oder zumindest eines Wärmeleitstabes mit der Heizvorrichtung thermisch gekoppelt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in einer ersten Ausführungsform,
2 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform und
3 schematisch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung in einer dritten Ausführungsform.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1, welcher mit einer Temperiervorrichtung 2 thermisch gekoppelt ist. In 1 ist die Temperiervorrichtung 2 in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
Der elektrische Energiespeicher 1 und die Temperiervorrichtung 2 sind insbesondere in einem in 3 gezeigten Fahrzeug 3 angeordnet, bei welchem es sich um ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug handelt. Der elektrische Energiespeicher 1 ist dabei als Traktionsbatterie eingesetzt.
Der elektrische Energiespeicher 1 umfasst ein Batteriegehäuse 4, in welchem ein aus einer vorgegebenen Anzahl von nicht näher dargestellten, elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen gebildeter Zellblock 5 angeordnet ist.
Im Betrieb der Einzelzellen, d. h. beim Laden und Entladen, entsteht Verlustwärme, wodurch sich diese und somit der Zellblock 5 unzulässig erwärmen können und die Einzelzellen dadurch nicht im Bereich ihrer optimalen Betriebstemperatur betreibbar sind.
Darüber hinaus kann der Fall vorliegen, die Einzelzellen aufgrund verhältnismäßig niedriger Umgebungstemperatur auf einen Temperaturwert im Bereich der optimalen Betriebstemperatur zu erwärmen.
Zur bedarfsgerechten Temperierung des Energiespeichers 1 ist die Temperiervorrichtung 2 vorgesehen, die in der ersten Ausführungsform einen Verbund aus Peltierelementen 6 und eine mit diesen thermisch gekoppelte Wärmesenke 7 umfasst.
Der Verbund aus den Peltierelementen 6 ist in dem Batteriegehäuse 4 angeordnet und mit dem Zellblock 5 thermisch gekoppelt.
Bei einem Peltierelement 6 handelt es sich um einen elektrothermischen Wandler, welcher auf dem sogenannten Peltier-Effekt beruhend, bei einem Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Dazu ist das jeweilige Peltierelement 6 mit einer nicht näher gezeigten Stromquelle verbunden.
Jedes Peltierelement 6 umfasst eine Kaltseite und eine Warmseite, wobei die Peltierelemente 6 durch elektrisches Umpolen wahlweise zum Kühlen oder Erwärmen der Einzelzellen einsetzbar.
Die Wärmesenke 7 ist als Temperierplatte ausgebildet und außerhalb des Batteriegehäuses 4 angeordnet, wobei die Wärmesenke 7 mit einer Unterseite des Batteriegehäuses 4 thermisch gekoppelt ist.
Die als Temperierplatte ausgebildete Wärmesenke 7 umfasst eine nicht näher dargestellte Kanalstruktur, die in einen außerhalb der Wärmesenke 7 angeordneten Leitungsabschnitt 8 zur Zuführung eines Temperiermediums, insbesondere Kühlmediums, mündet. Der Leitungsabschnitt 8 kann als Rohr oder Schlauch ausgeführt sein. Ein gegenüberliegendes Ende 8.1 des Leitungsabschnittes 8 ist mit einer in 3 gezeigten Heizvorrichtung 9 verbunden.
An dem Leitungsabschnitt 8 ist ein Koppelelement 10, beispielsweise ein ansteuerbares Ventil, angeordnet, mittels dessen der Wärmesenke 7 das Temperiermedium, bei welchem es sich um Luft, Wasser und/oder ein anderes geeignetes Medium handelt, bei Bedarf zuführbar ist.
Zudem ist mittels des Koppelelementes 10 vermeidbar, dass bei erforderlichem Erwärmen der Einzelzellen ein noch kaltes Temperiermedium der Wärmesenke 7 und somit dem Verbund der Peltierelemente 6 zugeführt wird.
Zudem ist ein Wärmetauscher 11 vorgesehen, mittels dessen ein zusätzlicher Wärmestrom in die Wärmesenke 7 erzielbar ist. Dabei ist der Wärmetauscher 11 als ein geschlossenes System ausgeführt. Alternativ kann ein zusätzlicher Wärmeeintrag, z. B. mittels ausgeformter Rippen und/oder mittels zumindest eines Wärmeleitstabes und/oder eines anderen geeigneten, beispielsweise geschlossenen Systems erfolgen. Z. B. kann der zusätzliche Wärmeeintrag in die Wärmesenke 7 aus einem in 3 näher gezeigten Motorraum 12 des Fahrzeuges 3 erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt bei niedrigen Temperaturen eine Entkopplung der Wärmesenke 7 von dem Wärmetauscher 11, um ein verhältnismäßig schnelles Auskühlen der Wärmesenke 7 im Wesentlichen zu vermeiden.
Wird der Verbund der Peltierelemente 6 zum Erwärmen des Zellblockes 5 genutzt, wird die Wärmesenke 7 mittels des Temperiermediums nicht gekühlt, sondern mit erwärmten Temperiermedium beaufschlagt. Dadurch ist eine Erhitzung mit Wärmeeintrag in den Zellblock 5 durch eine Wärmeleitung und/oder einen sogenannten Wärmepumpeneffekt der Peltierelemente 6 realisierbar.
In 2 ist der elektrische Energiespeicher 1 mit der Temperiervorrichtung 2 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
In der zweiten Ausführungsform ist der Verbund der Peltierelemente 6 trapezförmig ausgebildet und innerhalb des Batteriegehäuses 4 angeordnet.
Dabei ist eine nach oben gerichtete flächenmäßig größte Seite des aus den Peltierelementen 6 gebildeten Verbundes mit dem Zellblock 5 thermisch verbunden. Eine gegenüberliegende nach unten gerichtete flächenmäßig kleinste Seite des Verbundes ist mit der Wärmesenke 7 thermisch gekoppelt. Die Abmessungen der flächenmäßig kleinsten Seite korrespondieren mit den Abmessungen der Temperierfläche der Wärmesenke 7.
Durch die derartige Ausbildung des mittels der Peltierelemente 6 gebildeten trapezförmigen Verbundes kann ein Wärmestrom flächig an den Zellblock 5 angekoppelt werden und mittels Reduzierung der Abmessungen des Verbundes gezielt auf einen Bereich des Batteriegehäuses 4 in Richtung der Wärmesenke 7 geführt werden. Dadurch kann die Wärmesenke 7 hinsichtlich eines erforderlichen Bauraumes relativ klein ausgebildet sein als bei einer direkten thermischen Ankopplung an den Zellblock 5.
Die Peltierelemente 6 können über einen leistungsfähigen, nicht näher gezeigten weiteren Wärmetauscher in der Wärmesenke 7 mit dem über den Leitungsabschnitt 8 zugeführten Temperiermedium thermisch gekoppelt werden.
Dadurch, dass die Wärmesenke 7 außerhalb des Batteriegehäuses 4 angeordnet ist, besteht innerhalb desselben keine Gefahr, insbesondere hinsichtlich eines Kurzschlusses, durch austretendes, insbesondere flüssiges, Temperiermedium, beispielsweise aufgrund einer defekten Leitung.
Durch die Temperierung des elektrischen Energiespeichers 1 mittels der Peltierelemente 6 lässt sich die Sicherheit im Betrieb des Energiespeichers 1 erhöhen, da sich innerhalb des Batteriegehäuses 4 keine Flüssigkeit befindet und die Wärmesenke 7, die gegebenenfalls mittels eines in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Temperiermediums, beispielsweise Wasser, gekoppelt ist, außerhalb des Batteriegehäuses 4 angeordnet ist.
3 zeigt das Fahrzeug 3 mit dem elektrischen Energiespeicher 1 und der Temperiervorrichtung 2 in einer dritten Ausführungsform.
Der elektrische Energiespeicher 1 ist in dem Motorraum 12 des Fahrzeuges 3 angeordnet, in welchem im Betrieb des Fahrzeuges 3 vergleichsweise hohe Temperaturen vorherrschen.
Zur Temperierung der Batterie 2 sind die als Verbund zusammengefassten Peltierelemente 6 vorgesehen, die mit der Wärmesenke 7 thermisch gekoppelt sind.
Die Wärmesenke 7 wiederum ist über den Leitungsabschnitt 8 mit der Heizvorrichtung 9 verbunden, die ebenfalls in dem Motorraum 12 angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Leitungsabschnitt 8 ist die Wärmesenke 7 über ein Wärmerohr, einen Wärmeleitstab und/oder eine thermische Leitfolie als Wärmeleitelement thermisch mit der Heizvorrichtung 9 gekoppelt.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: Temperiervorrichtung
3: Fahrzeug
4: Batteriegehäuse
5: Zellblock
6: Peltierelement
7: Wärmesenke
8: Leitungsabschnitt
8.1: gegenüberliegendes Ende
9: Heizvorrichtung
10: Koppelelement
11: Wärmetauscher
12: Motorraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009005853 A1 [0003]
US 2006/216582 A1 [0004]

Claims

Fahrzeug (3) mit zumindest einem in einem Bauraum angeordneten elektrischen Energiespeicher (1) sowie einer Temperiervorrichtung (2) mit einer Anzahl von Peltierelementen (6) zur Temperierung des Energiespeichers (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmesenke (7) der Temperiervorrichtung (2) zum Erwärmen des Energiespeichers (1) mit zumindest einem Wärmetauscher (11) und/oder einer Heizvorrichtung (9) zur Zuführung eines Wärmestromes zur Wärmesenke (7) thermisch gekoppelt ist, wobei die Anzahl von Peltierelementen (6) direkt zwischen der Wärmesenke (7) und dem Energiespeicher (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (7) mittels zumindest eines Wärmerohres und/oder zumindest eines Wärmeleitelementes mit der Heizvorrichtung (9) thermisch gekoppelt ist.
Fahrzeug (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (7) als eine Temperierplatte ausgebildet ist.
Fahrzeug (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierplatte und die Heizvorrichtung (9) eine Kanalstruktur umfassen, welche von einem Temperiermedium durchströmbar ist.
Fahrzeug (3) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierplatte außerhalb des Batteriegehäuses (4) angeordnet ist.
Fahrzeug (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (6) zumindest bei einer Temperierung bei fehlendem Temperierbedarf automatisch von der Temperierplatte und/oder dem zu temperierenden Energiespeicher (1) thermisch entkoppelbar ist.
Fahrzeug (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (3) ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug ist.
Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeug (3) mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (1) sowie einer Temperiervorrichtung (2) mit einer Anzahl von Peltierelementen (6), mittels welcher der Energiespeicher temperiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmesenke (7) der Temperiervorrichtung (2) zum Erwärmen des Energiespeichers (1) mit zumindest einem Wärmetauscher (11) und/oder einer Heizvorrichtung (9) zur Zuführung eines Wärmestromes zur Wärmesenke thermisch gekoppelt wird, wobei die Anzahl von Peltierelementen (6) direkt zwischen der Wärmesenke (7) und dem Energiespeicher (1) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (7) mittels zumindest eines Wärmerohres und/oder zumindest eines Wärmeleitstabes mit der Heizvorrichtung (9) thermisch gekoppelt wird.