DE102021130255A1 - Thermoelectric conversion device and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) umfassend eine erste Isolierschicht (2) und eine zweite Isolierschicht (3), welche an einer Grenzfläche (4) aneinander angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die erste Isolierschicht (2) an der Grenzfläche (4) erste Materialflächen (5) aufweist, und die zweite Isolierschicht (3) an der Grenzfläche (4) zweite Materialflächen (6) aufweist, wobei die ersten Materialflächen (5) und die zweiten Materialflächen (6) entlang einer parallel zu der Grenzfläche (4) ausgerichteten Parallelrichtung (7), in einem alternierenden thermoelektrischen Muster angeordnet sind, wobei sich direkt benachbarte der Materialflächen des thermoelektrischen Musters an einer jeweiligen gemeinsamen Kontaktierungsfläche (8) kontaktieren.The invention relates to a thermoelectric conversion device (1) comprising a first insulating layer (2) and a second insulating layer (3) which are arranged on one another at an interface (4). It is provided that the first insulating layer (2) has first material surfaces (5) at the boundary surface (4), and the second insulating layer (3) has second material surfaces (6) at the boundary surface (4), the first material surfaces (5 ) and the second material surfaces (6) are arranged in an alternating thermoelectric pattern along a parallel direction (7) aligned parallel to the interface (4), with directly adjacent material surfaces of the thermoelectric pattern contacting one another at a respective common contacting surface (8).
Description
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung und ein Fahrzeug.The invention relates to a thermoelectric conversion device and a vehicle.
Bei dem thermoelektrischen Effekt, welcher auch als Seebeck-Effekt bekannt ist, handelt es sich um einen festkörperphysikalischen Effekt, der bei einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktstellen unterschiedlicher elektrischer Leiter eines Stromkreises auftritt. Dabei wird zwischen den zwei Kontaktstellen eine elektrische Spannung hervorgerufen. Der thermoelektrische Effekt führt zu einer Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, ohne dass ein thermodynamischer Kreisprozess durchlaufen wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für eine Energieumwandlung durch eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung keine bewegten Teile notwendig sind. Zu den thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen werden thermoelektrische Generatoren gezählt, welche thermische in elektrische Energie umwandeln. Diese werden als stationäre Energiewandlersysteme verwendet, die einen Temperaturunterschied zwischen einer kalten und einer warmen Seite des thermoelektrischen Generators zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie nutzen. Serienanwendungen thermoelektrischer Generatoren sind beispielsweise aus der Raumfahrt bekannt (beispielsweise im Mars Rover Curiosity, NASA JPL).The thermoelectric effect, also known as the Seebeck effect, is a physical solid-state effect that occurs when there is a temperature difference between two contact points of different electrical conductors in a circuit. An electrical voltage is generated between the two contact points. The thermoelectric effect converts thermal energy into electrical energy without going through a thermodynamic cycle. This results in the advantage that no moving parts are necessary for energy conversion by a thermoelectric conversion device. The thermoelectric conversion devices include thermoelectric generators, which convert thermal energy into electrical energy. These are used as stationary energy converter systems that use a temperature difference between a cold and a warm side of the thermoelectric generator to convert thermal energy into electrical energy. Series applications of thermoelectric generators are known, for example, from space travel (for example in the Mars Rover Curiosity, NASA JPL).
Der umgekehrte Prozess ist als Peltier-Effekt bekannt und beschreibt die Ausbildung eines Temperaturunterschieds aufgrund einer Spannungsdifferenz in unterschiedlichen elektrischen Leitern. Der Peltier-Effekt wird in sogenannten Peltierelementen genutzt, um beispielsweise eine Kühlung, Erwärmung oder eine thermische Konditionierung von Komponenten, die mit dem Peltierelement verbunden sind, zu ermöglichen. Indem die thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen in ihrer Größe und ihrer genutzten Wandlungsfläche skalierbar sind, lassen sich je nach Anwendung spezifische Systeme in diversen Anwendungsgebieten (Anwendungen im mW- bis kW-Bereich) konzeptionieren.The reverse process is known as the Peltier effect and describes the formation of a temperature difference due to a voltage difference in different electrical conductors. The Peltier effect is used in so-called Peltier elements, for example to enable cooling, heating or thermal conditioning of components that are connected to the Peltier element. Since the thermoelectric conversion devices are scalable in terms of their size and conversion area used, specific systems can be designed in various application areas (applications in the mW to kW range) depending on the application.
Bezogen auf ein Kraftfahrzeug sind thermoelektrische Umwandlungsvorrichtungen für die thermische Energierückgewinnung aus heißen Abgasen, beziehungsweise zur thermischen Vorkonditionierung von elektrischen Energiespeichern bei kalten Temperaturen denkbar.With regard to a motor vehicle, thermoelectric conversion devices are conceivable for thermal energy recovery from hot exhaust gases, or for thermal preconditioning of electrical energy stores at cold temperatures.
Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung umfasst gewöhnlicherweise einen p-und einen n-dotierten Halbleiter, die ein thermoelektrisches Schenkelpaar bilden, das elektrisch miteinander verbunden ist. Die thermoelektrischen Materialien können zur Effizienzsteigerung auch entlang eines Temperaturgradienten so dotiert werden, dass die Thermokraft der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung maximiert werden kann. Da die Thermokraft der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung sich typischerweise in µV/K bewegt, müssen entsprechend viele Einheiten an Schenkelpaaren in Serie geschaltet werden, um das System nutzbar machen zu können.A thermoelectric conversion device usually comprises a p- and an n-doped semiconductor forming a pair of thermoelectric legs which are electrically connected to each other. The thermoelectric materials can also be doped along a temperature gradient to increase efficiency so that the thermopower of the thermoelectric conversion device can be maximized. Since the thermoelectric power of the thermoelectric conversion device is typically in µV/K, a corresponding number of units of leg pairs must be connected in series in order to be able to make the system usable.
Eine Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung ist in der
Die
Die
Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik weisen eine komplexe Geometrie auf, um eine höhere Effizienz zu erreichen. Dadurch steigt jedoch auch ein Fertigungsaufwand.Prior art thermoelectric conversion devices have complex geometry to achieve higher efficiency. However, this also increases production costs.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine günstig zu fertigende thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung bereitzustellen.It is an object of the invention to provide a thermoelectric conversion device that is inexpensive to manufacture.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung und ein Fahrzeug gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.According to the invention, this object is achieved by a thermoelectric conversion device and a vehicle. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent patent claims and the description.
Ein erster Aspekt Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Isolierschicht und eine zweite Isolierschicht, welche an einer Grenzfläche aneinander angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht an der Grenzfläche miteinander verbunden. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht jeweilige Lagen einer kombinierten Isolierschicht sind, die zum Trennen von zwei unterschiedlichen Wärmebereichen vorgesehen ist, um die beiden Wärmebereiche thermisch voneinander zu isolieren. Die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht können beispielsweise an der Grenzfläche miteinander verklebt sein. Die erste Isolierschicht weist an der Grenzfläche erste Materialflächen auf und die zweite Isolierschicht weist an der Grenzfläche zweite Materialflächen auf. Mit anderen Worten weisen die Isolierschichten an ihren Grenzflächen die jeweiligen Materialflächen auf. Die Materialflächen können plan an der Grenzfläche anliegen und jeweilige parallel zu der Grenzfläche angeordnete und voneinander räumlich getrennte Bereiche einer Lage der jeweiligen Isolierschicht sein.A first aspect of the invention relates to a thermoelectric conversion device. The thermoelectric conversion device includes a first insulating layer and a second insulating layer which are arranged at an interface with each other. In other words, the first insulating layer and the second insulating layer are connected to each other at the interface. Provision can be made for the first insulating layer and the second insulating layer to be respective layers of a combined insulating layer which is intended for separating two different heating areas in order to thermally insulate the two heating areas from one another. The first insulating layer and the second insulating layer can be glued to one another at the interface, for example. The first insulating layer has first areas of material at the interface and the second insulating layer has second areas of material at the interface. In other words, the insulating layers have the respective material surfaces at their boundary surfaces. The material surfaces can lie flat against the boundary surface and can be regions of a layer of the respective insulating layer that are arranged parallel to the boundary surface and are spatially separated from one another.
Es ist vorgesehen, dass die ersten Materialflächen und die zweiten Materialflächen entlang einer parallel zu der Grenzfläche ausgerichteten Parallelrichtung in einem alternierenden thermoelektrischen Muster angeordnet sind, wobei sich direkt benachbarte der Materialflächen des thermoelektrischen Musters an einer jeweiligen gemeinsamen Kontaktierungsfläche kontaktieren. Mit anderen Worten ist durch die ersten Materialflächen und die zweiten Materialflächen ein thermoelektrisches Muster gebildet, welches an der Grenzfläche angeordnet ist und sich entlang der Parallelrichtung der Grenzfläche erstreckt. Entlang der Parallelfläche sind die ersten und die zweiten Materialflächen in alternierender Weise angeordnet. Die ersten Materialflächen können ein Material aufweisen, das eine andere Thermoempfindlichkeit als ein Material der zweiten Materialflächen aufweist.Provision is made for the first material surfaces and the second material surfaces to be arranged in an alternating thermoelectric pattern along a parallel direction aligned parallel to the interface, with directly adjacent material surfaces of the thermoelectric pattern making contact at a respective common contacting surface. In other words, a thermoelectric pattern is formed by the first material surfaces and the second material surfaces, which is arranged at the interface and extends along the parallel direction of the interface. The first and the second material surfaces are arranged in an alternating manner along the parallel surface. The first areas of material may comprise a material that has a different thermal sensitivity than a material of the second areas of material.
Mit anderen Worten sind die ersten Materialflächen entlang der Parallelrichtung zueinander beabstandet angeordnet. Dazwischen können Bereiche der ersten Isolierschicht angeordnet sein, welche keine der ersten Materialflächen aufweisen. Die zweiten Materialflächen sind ebenfalls entlang der Parallelrichtung zueinander beabstandet angeordnet. Dazwischen können Bereiche der zweiten Isolierschicht angeordnet sein, welche keine der zweiten Materialflächen aufweisen. In den Isolierschichten können sich somit Materialflächen und Zwischenräume entlang der Parallelrichtung abwechseln. In der Parallelrichtung können die ersten Materialflächen zu den zweiten Materialflächen versetzt angeordnet sein, wobei gegenüber der jeweiligen ersten Materialfläche ein jeweiliger Zwischenraum zwischen zwei zweiten Materialflächen angeordnet sein kann und gegenüber der jeweiligen zweiten Materialfläche ein jeweiliger Zwischenraum zwischen zwei ersten Materialflächen angeordnet sein kann. Die Materialflächen können beispielsweise dünne Streifen sein, welche sich auf den Isolierschichten erstrecken.In other words, the first material surfaces are arranged at a distance from one another along the parallel direction. Areas of the first insulating layer which do not have any of the first material surfaces can be arranged between them. The second material surfaces are also arranged spaced apart from one another along the parallel direction. Areas of the second insulating layer which do not have any of the second material areas can be arranged between them. Material surfaces and spaces can thus alternate along the parallel direction in the insulating layers. In the parallel direction, the first material surfaces can be arranged offset to the second material surfaces, wherein a respective space between two second material surfaces can be arranged opposite the respective first material surface and a respective space between two first material surfaces can be arranged opposite the respective second material surface. The material surfaces can, for example, be thin strips which extend on the insulating layers.
Direkt benachbarte der Materialflächen des thermoelektrischen Musters kontaktieren sich an jeweiligen gemeinsamen Kontaktierungsflächen. Mit anderen Worten sind benachbarte Materialflächen an Kontaktierungsflächen elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine erste Materialfläche kann beispielsweise die gemeinsamen Kontaktierungsflächen mit den benachbarten zweiten Materialflächen aufweisen. Entlang der Parallelrichtung sind somit die ersten und die zweiten Materialflächen über die Kontaktierungsflächen als Thermosäule oder Thermokette in Serie geschaltet.Directly adjacent material surfaces of the thermoelectric pattern make contact at respective common contacting surfaces. In other words, adjacent material surfaces are electrically conductively connected to one another at contacting surfaces. A first material surface can have, for example, the common contacting surfaces with the adjacent second material surfaces. The first and the second material surfaces are thus connected in series along the parallel direction via the contacting surfaces as a thermopile or thermochain.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Materialflächen in einfacher Weise auf die jeweiligen Isolierschichten aufgetragen werden können, wodurch eine kostengünstig ausführbare thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung bereitgestellt werden kann.The advantage resulting from the invention is that the material surfaces can be applied to the respective insulating layers in a simple manner, as a result of which a thermoelectric conversion device that can be implemented cost-effectively can be provided.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine der Isolierschichten zwischen ihren jeweiligen Materialflächen jeweilige thermische Isolierelemente aufweist, welche eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweisen als die jeweilige Isolierschicht. Mit anderen Worten sind in zumindest einer der Isolierschichten thermische Isolierelemente angeordnet. Die thermischen Isolierelemente weisen eine geringere thermische Leitfähigkeit auf als die Isolierschicht. Die thermischen Isolierelemente sind dabei zwischen den jeweiligen Materialflächen der jeweiligen Isolierschicht angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Materialflächen und die zweiten Materialflächen in der jeweiligen Isolierschicht beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei in einem Bereich zwischen den Materialflächen die jeweiligen Isolierelemente angeordnet sein können. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass die zwischen den Materialflächen der jeweiligen Isolierschicht angeordneten Bereiche eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweisen als die Bereiche der Materialflächen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Wärmefluss durch die jeweilige Isolierschicht zu oder von der Grenzfläche primär durch die jeweiligen Materialflächen geführt wird. Dadurch kann eine Effizienz der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung erhöht werden.A development of the invention provides that at least one of the insulating layers has respective thermal insulating elements between its respective material surfaces, which have a lower thermal conductivity than the respective insulating layer. In other words, thermal insulating elements are arranged in at least one of the insulating layers. The thermal insulating elements have a lower thermal conductivity than the insulating layer. The thermal insulating elements are arranged between the respective material surfaces of the respective insulating layer. It can be provided that the first material surfaces and the second material surfaces are arranged spaced apart from one another in the respective insulating layer, it being possible for the respective insulating elements to be arranged in a region between the material surfaces. The further development results in the advantage that the areas arranged between the material surfaces of the respective insulating layer have a lower thermal conductivity than the areas of the material surfaces. This results in the advantage that a flow of heat through the respective insulating layer to or from the interface is primarily conducted through the respective material surfaces. Thereby, an efficiency of the thermoelectric conversion device can be increased.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermischen Isolierelemente als Gaseinschlüsse in der jeweiligen Isolierschicht ausgeführt sind. Mit anderen Worten sind zwischen den Materialflächen Gaseinschlüsse in der jeweiligen Isolierschicht angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass kein Material zu Bereitstellung der Isolierelemente bereitgestellt werden muss.A development of the invention provides that the thermal insulating elements are designed as gas inclusions in the respective insulating layer. In other words, gas inclusions are arranged in the respective insulating layer between the material surfaces. This results in the advantage that no material has to be provided to provide the insulating elements.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Materialflächen Metalle umfassen. Mit anderen Worten weisen die Materialflächen Metalle auf oder bestehen aus Metallen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Materialflächen ein einfach aufzutragendes Material umfassen.A development of the invention provides that the material surfaces include metals. In other words, the material surfaces have metals or consist of metals. This results in the advantage that the material surfaces comprise a material that is easy to apply.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Materialflächen dotierte Halbleiter aufweisen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Materialflächen aus dotierten Halbleitern gefertigt sind oder diese aufweisen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine höhere Effizienz erreicht werden kann als bei Metallen.A development of the invention provides that the material surfaces have doped semiconductors. In other words, it is provided that the material surfaces are made of or have doped semiconductors. This results in the advantage that higher efficiency can be achieved than with metals.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Materialflächen als Materialeinlagen in die Isolierschichten eingelegt sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Materialflächen als Materialeinlagen gefertigt sind, welche in jeweiligen Vertiefungen oder Gräben der Isolierschichten angeordnet sind.A further development of the invention provides that the material surfaces are inserted into the insulating layers as material inserts. In other words, it is provided that the material surfaces are produced as material inserts, which are arranged in respective depressions or trenches in the insulating layers.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Materialflächen gedruckt sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Materialflächen mittels eines Materialdruckverfahrens auf die jeweiligen Isolierschichten aufgetragen sind. Dadurch ist eine kostengünstige Auftragung der Materialflächen ermöglicht.A development of the invention provides that the material surfaces are printed. In other words, it is provided that the material surfaces are applied to the respective insulating layers by means of a material printing process. This enables cost-effective application of the material surfaces.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Materialflächen durch ein Aufdampfungsverfahren auf die Isolierschichten aufgetragen sind. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Maske auf die jeweiligen Isolierschichten aufgelegt wurde, um nicht zu beschichtende Bereiche der Isolierschichten zu verdecken. Anschließend bildeten sich die Materialflächen durch das Aufdampfen der jeweiligen Materialen in den nicht verdeckten Bereichen der Isolierschichten aus.A development of the invention provides that the material surfaces are applied to the insulating layers by a vapor deposition process. Provision can be made, for example, for a mask to be placed on the respective insulating layers in order to cover regions of the insulating layers that are not to be coated. The material surfaces were then formed by the vapor deposition of the respective materials in the non-covered areas of the insulating layers.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine Überwachungs- und/oder Leistungselektronik aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung an Anschlusselementen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zu regeln. Mit anderen Worten umfasst die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung elektronische Komponenten, welche eine Überwachung und/oder Regelung der erzeugten Spannung und/oder der umgewandelten Wärme ermöglichen. Die Leistungselektronik ist dazu eingerichtet, eine gewünschte Spannung einzustellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die zum Betrieb notwendige Elektronik in der Umwandlungsvorrichtung selbst bereitgestellt werden kann.A development of the invention provides that the thermoelectric conversion device has monitoring and/or power electronics that are set up to regulate a voltage at connection elements of the thermoelectric conversion device. In other words, the thermoelectric conversion device comprises electronic components which enable the voltage generated and/or the heat converted to be monitored and/or regulated. The power electronics are set up to set a desired voltage. This results in the advantage that the electronics required for operation can be provided in the conversion device itself.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass für die Überwachungs- und/oder Leistungselektronik Sockel während des additiven Fertigungsverfahrens bereitgestellt werden, in welche die elektronischen Bauteile nachträglich eingesetzt werden. Die elektronischen Bauteile können beispielsweise Spannungswandler, Sensoren und/oder Mikrocontroller umfassen. Die Überwachungs-/Leistungelektronik kann dazu eingerichtet sein, mit einem Energiemanagementsystem des Fahrzeugs über einen Datenbus (z.B. LIN, CAN...) Daten zum Betrieb und zur Diagnose auszutauschen.Provision can be made, for example, for sockets to be provided for the monitoring and/or power electronics during the additive manufacturing process, into which sockets the electronic components are subsequently inserted. The electronic components can include, for example, voltage converters, sensors and/or microcontrollers. The monitoring/power electronics can be set up to exchange data for operation and diagnosis with an energy management system of the vehicle via a data bus (e.g. LIN, CAN...).
Ein Zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung. Mit anderen Worten wird das Fahrzeug bereitgestellt, in welchem die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme oder zum Heizen von Komponenten des Fahrzeugs verwendet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angeordnet ist und die durch den Motor abgegebene Wärme in elektrische Energie umwandelt.A second aspect of the invention relates to a vehicle having a thermoelectric conversion device. In other words, the vehicle in which the thermoelectric conversion device is mounted is provided. This results in the advantage that the thermoelectric conversion device can be used to utilize waste heat or to heat components of the vehicle. Provision can be made, for example, for the thermoelectric conversion device to be arranged on an internal combustion engine of the vehicle and to convert the heat given off by the engine into electrical energy.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einem elektrischen Bauteil des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit anderen Worten steht die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung in direktem Kontakt mit dem elektrischen Bauteil des Fahrzeugs. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass Abwärme des elektrischen Bauteils in elektrische Energie umwandelt werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Prozessor des Fahrzeugs formschlüssig mit einer Oberfläche der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung verbunden ist, sodass die Wärme des Prozessors in die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung diffundiert und zur Energieumwandlung verwendet werden kann. Das elektrische Bauteil kann auch bei einer Nutzung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung als Peltierelement zur aktiven Kühlung des Bauteiles verwendet werden.A development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged on an electrical component of the vehicle. In other words, the thermoelectric conversion device is in direct contact with the electrical component of the vehicle. This results in the advantage that waste heat from the electrical component can be converted into electrical energy. It can be provided, for example hen that a processor of the vehicle is positively connected to a surface of the thermoelectric conversion device, so that the heat of the processor diffuses into the thermoelectric conversion device and can be used for energy conversion. The electrical component can also be used for active cooling of the component when the thermoelectric conversion device is used as a Peltier element.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung formschlüssig auf einer inneren Oberfläche des Fahrzeuginnenraums oder auf einer äußeren Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf einer Oberfläche angeordnet, welche den Fahrzeuginnenraum begrenzt, oder auf einer Oberfläche, welche sich an einer Außenseite des Fahrzeugs befindet. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung kann beispielsweise auf einer Unterseite des Fahrzeugs angeordnet sein.A development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged in a form-fitting manner on an inner surface of the vehicle interior or on an outer surface of the vehicle. In other words, the thermoelectric conversion device is arranged on a surface that defines the vehicle interior or on a surface that is on an outside of the vehicle. For example, the thermoelectric conversion device may be arranged on an underside of the vehicle.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit anderen Worten weist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine gemeinsame Fläche mit dem elektrischen Energiespeicher auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zum Wärmen oder Kühlen des elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zum Heizen eines als Akkumulator gestalteten elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann, damit die Temperatur des elektrischen Energiespeichers auf eine Betriebstemperatur eingestellt werden kann.A development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged on an electrical energy store of the vehicle. In other words, the thermoelectric conversion device has a common area with the electrical energy store. This results in the advantage that the thermoelectric conversion device can be used for heating or cooling the electrical energy store. It can be provided, for example, that the thermoelectric conversion device can be used to heat an electrical energy storage device designed as an accumulator, so that the temperature of the electrical energy storage device can be adjusted to an operating temperature.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.Further features of the invention result from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung; -
2 eine weitere schematische Darstellung einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung; -
3 eine schematische Darstellung einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung mit Isolierelementen; -
4 eine schematische Darstellung der Isolierschichten; -
5 eine schematische Darstellung einer Verbindungsschicht zum Verkleben der Isolierschichten; -
6 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung mit der Verbindungsschicht; und -
7 eine schematische Darstellung eines Anschlusses der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung an ein Bordnetz eines Fahrzeugs; -
8 eine schematische Darstellung eines Anschlusses der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung an ein Bordnetz eines Fahrzeugs; und -
9 eine schematische Darstellung eines Anschlusses der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung an ein Bordnetz eines Fahrzeugs.
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1 a schematic representation of a thermoelectric conversion device; -
2 another schematic representation of a thermoelectric conversion device; -
3 a schematic representation of a thermoelectric conversion device with insulating members; -
4 a schematic representation of the insulating layers; -
5 a schematic representation of a connecting layer for gluing the insulating layers; -
6 Fig. 12 is a schematic representation of a side view of the thermoelectric conversion device with the bonding layer; and -
7 a schematic representation of a connection of the thermoelectric conversion device to an on-board network of a vehicle; -
8th a schematic representation of a connection of the thermoelectric conversion device to an on-board network of a vehicle; and -
9 a schematic representation of a connection of the thermoelectric conversion device to an on-board network of a vehicle.
Die Figur zeigt die Seitenansicht der beiden Isolierschichten. Die erste Isolierschicht 2 und die zweite Isolierschicht 3 beinhalten jeweils streifenförmige in z-Richtung Metalleinlagen oder Einlagen mit Materialien mit P- und N-Dotierung. Beispielsweise können diese Einlagen mechanisch eingelegt werden oder auch per Druckverfahren vergleichbar den Tintenstrahldruck erzeugt werden. Vorzugsweise ist in einer Isolierschicht die elektrische Kontaktierung enthalten, skizziert durch die elektrischen Anschlüsse.The figure shows the side view of the two insulating layers. The first insulating
Die Figur zeigt die Seitenansicht der formschlüssig zusammengefügten Isolierschichten. Hierin ist weiterhin die elektrische Kontaktierung der Metalleinlagen oder Einlagen mit Materialien mit P- und N-Dotierung ersichtlich. Dabei ist entweder eine Metallschicht zwischen den beiden Materialien mit P- und N-Dotierung oder es reicht die direkte Verbindung der Metalleinlagen oder Einlagen mit Materialien mit P- und N-Dotierung.The figure shows the side view of the insulating layers joined together in a form-fitting manner. The electrical contacting of the metal inserts or inserts with materials with P and N doping can also be seen here. There is either a metal layer between the two materials with P and N doping or the direct connection of the metal inlays or inlays with materials with P and N doping is sufficient.
Die Figur zeigt die Seitenansicht der formschlüssig zusammengefügten Isolierschichten mit einer zusätzlichen Luft-bzw. Gasisolierung. Diese hat den Zweck, die thermische Isolierung zu erhöhen bzw. das Temperaturgefälle auf das thermo-elektrische System zu lenken. Hierin ist weiterhin die elektrische Kontaktierung der Metalleinlagen oder Einlagen mit Materialien mit P- und N-Dotierung ersichtlich.The figure shows the side view of the form-fitting assembled insulating layers with an additional air or gas insulation. The purpose of this is to increase the thermal insulation or to direct the temperature gradient to the thermoelectric system. The electrical contacting of the metal inserts or inserts with materials with P and N doping can also be seen here.
Die Figur zeigt die Draufsicht auf die Innenseiten der beiden Isolierschichten 2, 3. Hierin wird die streifenförmige Struktur der Metalleinlagen oder Einlagen mit Materialien mit P- und N-Dotierung ersichtlich. Die zusätzliche Luft-bzw. Gasisolierung ist hierin nicht gezeigt.The figure shows the top view of the insides of the two insulating
Die Figur zeigt die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 in einem verklebten Zustand in der Seitenansicht. Hierin ist weiterhin die elektrische Kontaktierung der Metalleinlagen oder Einlagen mit Materialien mit P- und N-Dotierung ersichtlich. Die thermoelektrischen Materialien werden damit streifenförmig elektrisch in Serie geschalten. Die Serienschaltung ausreichend vieler streifenförmiger Elemente bewirkt eine ausreichend hohe elektrische Spannung. Dies kann beispielsweise die Spannung des Bordnetzes, d.h. 9..16 V sein.The figure shows the
Die elektrische Kopplung an das Bordnetz gemäß der Figur kann einerseits im Falle der Nutzung des Seebeckeffektes, d.h. durch Nutzung des Temperaturgefälles zur Stromerzeugung, durch eine Diode oder durch einen Gleichspannungswandler erfolgen. Mit dem Gleichspannungswandler kann eine sog. Maximum-Power-Point-Regelung zur Maximierung des Gesamtwirkungsgrades implementiert werden. Andererseits kann durch eine elektrische Einspeisung in das thermo-elektrische System im Falle der Nutzung des Peltiereffektes eine Heizung bzw. Kühlung, d.h. ein Temperaturgefälle zwischen den beiden Isolierschichten und den angrenzenden Räumen erzeugt werden. Damit ergibt sich ein einfaches und material- und kostensparendes Verfahren zur Integration von thermoelektrischen Systemen in Isolationsflächen inkl. der elektrischen Kontaktierung.The electrical coupling to the vehicle electrical system according to the figure can take place on the one hand in the case of using the Seebeck effect, i.e. by using the temperature gradient to generate electricity, by a diode or by a DC voltage converter. With the DC converter, a so-called maximum power point control can be implemented to maximize the overall efficiency. On the other hand, if the Peltier effect is used, an electrical feed into the thermoelectric system can generate heating or cooling, i.e. a temperature gradient between the two insulating layers and the adjacent rooms. This results in a simple and material- and cost-saving method for the integration of thermoelectric systems in insulating surfaces, including the electrical contacting.
Grundsätzlich existiert das Problem, dass der Energieverbrauch im abgestellten Fahrzeug zu einem Entladen der Traktions- oder Bordnetz-Batterie führt und damit die Standzeit des Fahrzeugs verringert bzw. das Starten des Fahrzeugs nach langer Abstellzeit beeinträchtigt wird. Somit sind zusätzliche Stromquellen zur Milderung des Problems sinnvoll. Weiterhin sind thermische Probleme sowohl im Falle der Kühlung von Komponenten als auch im Heizen von Komponenten beispielsweise für die Sicherstellung der Leistungsfähigkeit eines Traktionsspeichers im thermischen Grenzbereich bekannt.Basically, there is the problem that the energy consumption in the parked vehicle leads to a discharge of the traction or on-board power supply battery and thus reduces the downtime of the vehicle or the starting of the vehicle is impaired after a long period of inactivity. Thus, additional power sources are useful to mitigate the problem. Furthermore, thermal problems are known both in the case of cooling components and in the heating of components, for example to ensure the performance of a traction storage system in the thermal limit range.
Isolierschichten bzw. Isolierfolien, die vornehmlich zwei Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen trennen, werden zweiteilig mit integriertem thermo-elektrischen System gestaltet. Das thermo-elektrische System dient entweder der Stromerzeugung (Seebeckeffekt, Nutzung unterschiedlicher Temperaturniveaus) oder der Heizung bzw. Kühlung (Peltiereffekt, Erzeugung unterschiedlicher Temperaturniveaus).Insulating layers or insulating foils, which primarily separate two areas with different temperatures, are designed in two parts with an integrated thermoelectric system. The thermoelectric system is used either to generate electricity (Seebeck effect, use of different temperature levels) or for heating or cooling (Peltier effect, generation of different temperature levels).
Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung kann für folgende Anwendung in einem Fahrzeug eingesetzt werden:
- Thermische Isolierung oder Regelung des Temperaturgefälles, unter Nutzung der gespeicherten Energiemengen, des Traktionsspeichers eines Elektrofahrzeugs zum Innenraum des Fahrzeugs oder zur Umgebung z.B. am Fahrzeugboden. Thermische Isolierung oder Regelung des Temperaturgefälles, unter Nutzung der gespeicherten Energiemengen, eines elektronischen Systems, Steuergerätes. Thermische Isolierung oder Regelung des Temperaturgefälles, unter Nutzung der gespeicherten Energiemengen, eines Antriebsmotors.
- Thermal insulation or regulation of the temperature gradient, using the stored amounts of energy, from the traction storage system of an electric vehicle to the interior of the vehicle or to the environment, e.g. on the vehicle floor. Thermal insulation or reg ment of the temperature gradient, using the stored amounts of energy, an electronic system, control unit. Thermal insulation or regulation of the temperature gradient, using the stored amounts of energy, of a drive motor.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Thermoelektrische UmwandlungsvorrichtungThermoelectric conversion device
- 22
- Erste IsolierschichtFirst layer of insulation
- 33
- Zweite IsolierschichtSecond layer of insulation
- 44
- Grenzflächeinterface
- 55
- Erste MaterialflächeFirst material surface
- 66
- Zweite MaterialflächeSecond material surface
- 77
- Parallelrichtungparallel direction
- 88th
- Kontaktflächecontact surface
- 99
- Erster AnschlussFirst connection
- 1010
- Zweiter AnschlussSecond connection
- 1111
- Thermische IsolierelementeThermal insulation elements
- 1212
- Verbindungsflächeinterface
- 1313
- Zwischenraumspace
- 1414
- Leistungselektronikpower electronics
- 1515
- Busbus
- 1616
- Fahrzeugvehicle
- T1T1
- Erste TemperaturFirst temperature
- T2T2
- Zweite Temperatursecond temperature
- Wärmeflussheat flow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- EP 2630670 B1 [0008]EP 2630670 B1 [0008]
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