WO2009118000A2 - Flüssigelektrolytbatterie mit temperiervorrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a liquid electrolyte battery, such as. B. a lead-acid battery, the z. B. is used as a starter battery in vehicles.
  • the endeavor of the vehicle industry for lightweight construction also relates to the saving of battery weight.
  • the demand for higher battery power increases, since in addition to the conventional energy for starting z. B. a car and energy for additional aggregates such as power windows, servomotors for adjusting the seats or for electrically heating the seats is needed.
  • Battery power is understood below to mean the capacity of the battery as well as the ability of the battery to supply power or to draw power. Battery performance is affected by various factors known to those skilled in the art.
  • the battery heaters can be classified according to various aspects.
  • the energy for heating the battery is taken from this itself. This is necessary when the vehicle is parked on the road and there is no possibility to supply electrical energy from the outside. It has already been proposed to insulate the battery thermally well and to keep it at the optimum temperature level possible by means of the self-heating. This method is only useful if the vehicle is only about 8 to 15 hours and cools down and then the vehicle is used again, d. h., the thermal insulation of the battery must be so good that the battery can be kept at the desired temperature level by the self-heating in these approx. 8 to 15 hours.
  • a starter battery like any material body, has a predetermined heat capacity. In order to raise a cold battery to a predetermined temperature level, a predetermined heat energy must be introduced as quickly as possible.
  • the liquid electrolyte battery has a housing with a housing bottom, electrodes disposed in the housing, a liquid electrolyte, and a heater that heats the housing.
  • the housing base has recesses and the heating device has heatable heating projections, which can be brought into engagement with the recesses of the housing bottom, so that a good contact with the thermally produced contact surface is created.
  • the advantage of the invention is mainly that a larger amount of heat can be introduced into the battery as in a heating of the battery on an outer side of the housing.
  • the recesses are provided between the battery cells.
  • the heating projections are heated separately. This has the advantage that temperature differences in the battery can be compensated for faster with this measure.
  • a temperature sensor is provided in the Schuvorsprüngen, with which the internal or core temperature of the battery can be measured when the heater is not turned on.
  • an electronic control system which is designed so that the core temperature of the unheated battery is measured with the temperature sensors, from this core temperature a required heating profile is calculated or selected and then the heating is started after the heating.
  • the person skilled in the art of thermal calculations is able to calculate from a given core temperature how long and with which time-variable power the heater has to be operated to optimally heat the battery, optimally achieving the shortest warm-up time understandable without damaging the battery due to high temperatures.
  • the heater on a base plate in the dimensions of a conventional battery has the following advantage:
  • the battery according to the invention with the adapted heating device can be used without constructive changes in battery mounting of a vehicle or exchanged for a conventional battery. Likewise, when replacing an old battery with a new one, the heater may remain in the vehicle because the battery is only removed from the heater.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a battery box with 6 cells.
  • Fig. 2 shows a side view of the heater.
  • Fig. 3 shows a plan view of the heater.
  • FIG. 4 is a plan view of the battery box of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a plan view of the battery box of FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a battery box 1 with 6 empty cells, wherein in a cell, the side walls are denoted by 1a to 1d.
  • the battery box is made of acid-proof plastic and stands on a heater 2, in which an electrical resistance heater is integrated.
  • Figs. 2 and 3 show the heater from the side and from above.
  • the heating device 2 has a plate 2a with approximately rectangular heating projections 2b, which correspond to recesses 1e of the battery box 1.
  • the Schuvorsprünge 2b fit tightly into the recesses 1e, so that a good heat transfer is ensured in the.
  • FIG. 4 shows a plan view of the empty battery box according to FIG. 1. Between each two battery cells, one recess 1e is provided, which is also shown in FIG. 1 in the first battery cell 1a to 1d.
  • the technical teaching also includes providing the recess 1e at other locations of the battery. It should only be noted that the battery cell is heated as evenly as possible and that no damage occurs due to excessive heating.
  • electrical heating elements are also provided in this embodiment.
  • a temperature sensor are each provided, which are connected in circuit technology with a temperature control circuit (not shown).
  • the temperature control circuit is configured such that, after a temperature measurement of the unheated battery, it is estimated how long the battery is to be heated so that it reaches a predetermined operating temperature. Then the heater is turned on this determined time.
  • 1e heat exchanger fins 4 or other suitable training can be provided on the recesses. The design of the heat exchanger fins 4 should be such that a uniform distribution of the registered heat takes place. Therefore, the heat exchanger ribs 4 need not necessarily be arranged regularly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure- Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird. Die Flüssigelektrolytbatterie weist auf: ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseboden, Elektroden, die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, einen Flüssigelektrolyten und eine Heizvorrichtung (2), die das Gehäuse (1) von erwärmt, wobei erfindungsgemäss der Gehäuseboden (1d) Ausnehmungen 1e und die Heizvorrichtung (2) beheizbare Heizvorsprünge (2a) aufweisen, die mit den Ausnehmungen (1e) des Gehäusebodens (1d) in Eingriff bringbar sind, sodass ein wärmetechnischer Berührungskontakt entsteht.

Description

Flüssigelektrolytbatterie mit Temperiervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure- Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird.
Das Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten z. B. eines PKW auch Energie für zusätzliche Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird. Ferner ist es wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebensdauer der Batterie möglichst auf einem konstanten hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert und betätigt werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie sowie die Fähigkeit der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden. Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren beeinflusst.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung einer Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. einer Blei-Säure- Batterie zu erhöhen. Ein besonderes Problem bei diesen Batterien ist, dass die Batterieleistung eine starke Abhängigkeit von der Batterietemperatur aufweist. In einem zulässigen Betriebsbereich ist mit einem Kapazitätsrückgang von ca. 0,6 bis 0,8 % pro Grad Celsius oder mehr zu rechnen. Wird angenommen, dass eine optimale Betriebstemperatur bei ca. 30 Grad CeI- sius liegt und die Batterie bei minus 20 Grad Celsius betrieben wird, um z. B. den Anlasser eines Fahrzeugs zu betätigen, dann würde diese Batterie nur noch ca. 60 % ihrer Kapazität aufweisen. Es ist jedoch dem Fachmann bekannt, dass weitere Einflussfaktoren die Kapazität der Batterie verringern. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die sogenannte Stratifikation der Säure, d. h., die Säurekonzentration ist bezüglich der Elektrodenfläche nicht gleichmäßig. Das bewirkt, dass die Elektroden an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist, korrodieren, sodass sich die Lebensdauer der Batterie vermindert, und an den Elektrodenstellen, an denen die Säurekon- zentration zu gering ist, erreicht die Batterie nicht ihre volle Leistung.
Es ist allgemein bekannt, dass Fahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die längere Zeit, z. B. mehr als 8 Stunden, bei Temperaturen unter Null Grad Celsius gestanden haben, sich besser starten lassen, wenn die ausgekühlte Batterie vor dem Start angewärmt wurde.
Daher ist eine Vielzahl von Batterieheizeinrichtungen entwickelt worden, die verschiedene Vor- und Nachteile aufweisen und z. B. in den Dokumenten DE 28 12 876, US 2,440,369, DE 1 496 134, DE 40 27 149 A1 oder DE 100 14 848 beschrieben wurden.
Die Batterieheizvorrichtungen können nach verschieden Gesichtspunkten klassifiziert werden.
Eine Gruppe betrifft die Heizung der Batterie durch Wärmeaustausch. So wurde z. B. vorgeschlagen, an der Außenwand einer Batterie Wärmetauscherrohre vorzusehen, durch die warme Motorkühlflüssigkeit geleitet wird.
Vielfach wurden auch elektrische Heizungen vorgeschlagen, wobei diese Gruppe in zwei Untergruppen geteilt werden kann.
Es gibt eine Reihe von Ideen, Heizfolien oder ähnliche Heizelemente an der Außenwand oder auch in der Batterie selbst anzuordnen und die elektrische Energie extern zuzuführen, z. B. bei einem in einer Garage parkenden Fahrzeug aus einem 220 V - Netzanschluss. Hier steht immer genügend Energie zur Verfügung, sodass die Batterie unabhängig von der Außentemperatur auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann. Ebenso ist es möglich, die Energie aus der Lichtmaschine zu entnehmen, wenn das Fahrzeug fährt.
Bei der zweiten Untergruppe wird die Energie zur Beheizung der Batterie aus dieser selbst entnommen. Das ist dann erforderlich, wenn das Fahrzeug auf der Straße abgestellt ist und keine Möglichkeit besteht, elektrische Energie von außen zuzuführen. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Batterie thermisch gut zu isolieren und mittels der Selbstheizung auf einem möglichst optimalen Temperaturniveau zu halten. Diese Methode ist nur sinnvoll, wenn das Fahrzeug lediglich ca. 8 bis 15 Stunden steht und auskühlt und danach das Fahrzeug wieder benutzt wird, d. h., die thermische Isolation der Batterie muss so gut sein, dass die Batterie in diesen ca. 8 bis 15 Stunden durch die Selbstheizung auf dem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden kann.
Wenn das Fahrzeug jedoch mehrere Tage steht, reicht der Energiegehalt der Batterie nicht aus, um selbst eine gut isolierte Batterie auf der wünschenswerten Temperatur zu halten. Es ist für solche Fälle notwendig, die Batterie erst dann zu erwärmen, wenn ein Start des Fahrzeugs vorgesehen ist.
Es wurde daher mehrfach vorgeschlagen, die kalte Batterie erst kurz vor dem Start des Fahrzeugs zu erwärmen. Eine von mehreren Möglichkeiten, eine Batterie schnell zu erwärmen, ist ein Wärmeeintrag am Batterieboden.
Es wurde daher in der DE 100 14 848 C2 vorgeschlagen, die Batterie auf eine Wärmeplatte zu stellen, wobei es in diesem Zusammenhang unerheblich ist, ob es sich um eine herkömmliche elektrisch beheizbare Wärmeplatte handelt oder - wie bei der DE 100 14 848 C2 - um eine Abwärme erzeu- gende elektronische Baugruppe, die eigentlich für andere Zwecke eingesetzt wird.
Eine Starterbatterie hat wie jeder materielle Körper eine vorbestimmte Wär- mekapazität. Um eine kalte Batterie auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau anzuheben, muss eine vorbestimmte Wärmeenergie möglichst schnell eingebracht werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigelektrolytbatterie bereit- zustellen, die sich schnell erwärmen lässt.
Diese Aufgabe wurde mit einer Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 gelöst.
Die Flüssigelektrolytbatterie weist ein Gehäuse mit einem Gehäuseboden auf, Elektroden, die in dem Gehäuse angeordnet sind, einen Flüssigelektrolyten und eine Heizvorrichtung, die das Gehäuse erwärmt. Erfindungsgemäß hat der Gehäuseboden Ausnehmungen und die Heizvorrichtung beheizbare Heizvorsprünge, die mit den Ausnehmungen des Gehäusebodens in Eingriff bringbar sind, sodass ein wärmetechnisch guter Berührungskontakt entsteht. Der Vorteil der Erfindung besteht hauptsächlich darin, dass eine größere Wärmemenge in die Batterie eingebracht werden kann als bei einer Erwärmung der Batterie an einer Außenseite des Gehäuses.
Nach Anspruch 2 sind die Ausnehmungen zwischen den Batteriezellen vorgesehen. Diese Weiterbildung der Erfindung hat den Vorteil, dass mit einem Heizvorsprung zwei Zellen beheizbar sind. Für eine Batterie mit 6 Zellen sind somit nur drei dieser Heizvorsprünge erforderlich.
Nach Anspruch 3 sind die Heizvorsprünge getrennt beheizbar. Das hat den Vorteil, dass mit dieser Maßnahme Temperaturunterschiede in der Batterie schneller ausgleichbar sind. Nach Anspruch 4 ist in den Heizvorsprüngen ein Temperatursensor vorgesehen, mit dem die Innen- oder Kerntemperatur der Batterie gemessen werden kann, wenn die Heizvorrichtung nicht eingeschaltet ist.
Nach Anspruch 5 ist eine Steuerelektronik vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass mit den Temperatursensoren die Kerntemperatur der ungeheizten Batterie gemessen wird, aus dieser Kerntemperatur ein erforderliches Aufheizprofil errechnet oder ausgewählt wird und anschließend die Aufheizung nach dem Aufheizprofil gestartet wird. Der Fachmann für wärmetech- nische Berechnungen ist in der Lage, aus einer vorgegebenen Kerntemperatur zu berechnen, wie lange und mit welcher, sich über die Zeit veränderbaren Leistung die Heizvorrichtung betrieben werden muss, um die Batterie optimal zu erwärmen, wobei unter optimal die kürzeste Aufwärmzeit zu verstehen ist, ohne die Batterie durch zu hohe Temperaturen zu schädigen.
Nach Anspruch 6 weist die Heizvorrichtung eine Grundplatte in den Abmessungen einer herkömmlichen Batterie auf. Diese Weiterbildung der Erfindung weist folgenden Vorteil auf: Die erfindungsgemäße Batterie mit der angepassten Heizvorrichtung kann ohne konstruktive Änderungen der Batte- riebefestigung eines Fahrzeugs eingesetzt bzw. gegen eine herkömmliche Batterie ausgetauscht werden. Ebenso kann beim Austausch einer alten gegen eine neue Batterie die Heizvorrichtung im Fahrzeug verbleiben, da die Batterie lediglich von der Heizvorrichtung abgezogen wird.
Nach Anspruch 7 ragen die Heizvorsprünge wenigsten zu einem Drittel der Gehäusehöhe in dieses hinein. Dadurch wird die Batterie weitgehend von innen geheizt und erwärmt sich insgesamt schneller.
Um den Wärmeeintrag in den Elektrolyten zu verbessern, können an den beheizten Innenwandflächen des Gehäuses zusätzliche Heizvorsprünge oder Stege angeordnet sein, die die Funktion eines Wärmetauschers aufweisen. Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriekastens mit 6 Zellen.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Heizvorrichtung.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Heizvorrichtung.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht von dem Batteriekasten aus Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt einen Batteriekasten 1 mit 6 leeren Zellen, wobei bei einer Zelle die Seitenwände mit 1a bis 1d bezeichnet sind. Der Batteriekasten besteht aus säurefestem Kunststoff und steht auf einer Heizvorrichtung 2, in der eine elektrische Widerstandsheizung integriert ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Heizvorrichtung von der Seite und von oben. Die Heizvorrichtung 2 hat eine Platte 2a mit näherungsweise rechteckigen Heizvorsprüngen 2b, die mit Ausnehmungen 1e des Batteriekastens 1 korrespondieren. Die Heizvorsprünge 2b passen straff in die Ausnehmungen 1e, damit ein guter Wärmeübergang in die gewährleistet ist.
Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den leeren Batteriekasten nach Fig. 1. Zwischen je zwei Batteriezellen ist je eine Ausnehmung 1e vorgesehen, die auch in der Fig. 1 in der ersten Batteriezelle 1a bis 1d gezeigt ist.
Bei dieser Anordnung werden somit immer zwei Zellen gleichzeitig erwärmt. Die technische Lehre beinhaltet jedoch auch, die Ausnehmung 1e an anderen Stellen der Batterie vorzusehen. Dabei ist lediglich zu beachten, dass die Batteriezelle möglichst gleichmäßig erwärmt wird und keine Schäden durch zu starke Erwärmung auftreten. In der Platte 2a sind bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls elektrische Heizelemente vorgesehen.
An den Oberkanten der Heizvorsprünge 2b sind je ein Temperatursensor vorgesehen, die mit einer Temperatursteuerschaltung (nicht gezeigt) schaltungstechnisch verbunden sind. Die Temperatursteuerschaltung ist so ausgebildet, dass nach einer Temperaturmessung der unbeheizten Batterie abgeschätzt wird, wie lange die Batterie zu beheizen ist, damit sie auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur gelangt. Dann wird die Heizvorrichtung diese ermittelte Zeit eingeschaltet. Um eine möglichst schnelle Erwärmung zu erreichen, können an den Ausnehmungen 1e Wärmetauscherrippen 4 oder andere, dafür geeignete Ausbildungen vorgesehen werden. Die Gestaltung der Wärmetauscherrippen 4 soll so erfolgen, dass eine gleichmäßige Verteilung der eingetragenen Wärme erfolgt. Daher müssen die Wärmetauscher- rippen 4 nicht zwangsläufig regelmäßig angeordnet sein.
Anhand der beschriebenen Ausführungsformen kann der Fachmann die technische Lehre der vorliegenden Erfindung vollständig entnehmen. Es ist klar, dass diese Ausführungsformen durch einen Fachmann mit Hilfe der er- findungsgemäßen Lehre weiterentwickelt und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese, nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.

Claims

Ansprüche
1. Flüssigelektrolytbatterie, die aufweist:
- ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseboden (1d),
- Elektroden, die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind,
- einen Flüssigelektrolyten und
- eine Heizvorrichtung, die das Gehäuse (1) von erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (1d) Ausnehmungen (1e) und die Heizvorrichtung beheizbare Heizvorsprünge (2b) aufweisen, die mit den Ausnehmungen (1e) des Gehäusebodens (1d) in Eingriff bringbar sind, so dass ein wärmetechnischer Berührungskontakt entsteht.
2. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (1e) zwischen den Batteriezellen vorgesehen sind.
3. Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorsprünge (2b) getrennt beheizbar sind.
4. Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Heizvorsprüngen (2b) ein Temperatursensor (3) vorgesehen ist.
5. Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerelektronik vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass mit den Temperatursensoren (3) die Kerntemperatur der ungeheizten Batterie gemessen wird, aus dieser Kerntemperatur ein erforderliches Auf- heizprofil errechnet oder ausgewählt wird und anschließend die Aufheizung nach dem Aufheizprofil gestartet wird.
6. Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Grundplatte (2a) in den Abmessungen einer herkömmlichen Batterie aufweist.
7. Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorsprünge (2b) wenigsten zu einem Drittel der Ge- häusehöhe in dieses hineinragen.
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