WO2012016654A1 - Kühlvorrichtung für einen elektrischen energiespeicher - Google Patents

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cooling device
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Franz Kind
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device for at least one electrical energy store of an electrically operable vehicle, comprising a refrigerating machine with a circulating in a refrigerant circuit refrigerant.
  • DE 102 45 600 B4 discloses a cooling arrangement in which cooling air is cooled by a housing receiving the battery by means of an air flow generated by a fan.
  • a similar concept is disclosed in the published patent application DE 43 13 462 A1, which likewise cools a battery arranged within a housing by means of a cooling-air blower.
  • DE 42 05 992 A1 discloses switching on and off an air flow through a battery housing by means of a thermal switch-operated fan.
  • the document DE 28 35 501 A1 describes by way of example a battery with a plurality of individual cells, which are combined to form a jacketed cell block, wherein the interstices of the individual cells form channels for a cooling or heating medium.
  • a cooling medium such as air, water or oil are described here.
  • the document does not disclose that the corresponding medium is cooled directly or indirectly before being introduced into the housing surrounding the batteries.
  • DE 10 2008 039 908 A1 describes a device for cooling a battery of a vehicle, which can be flowed through by a coolant, wherein a coolant pump conveys the coolant within a coolant circuit and the coolant circuit is thermally coupled via a heat exchanger with a refrigerant circuit of a refrigerator.
  • DE 10 2008 059 954 A1 discloses a cooling device for tempering battery cells.
  • the cooling device comprises a heat exchanger which has a cooling plate and at least one meander-shaped cooling tube through which the coolant can flow.
  • a disadvantage of the cooling devices known from the prior art is that the cooling medium has the system due to the temperature of the ambient air or the heat transfer between the electrical energy storage and the cooling medium via separate heat exchanger takes place.
  • the invention therefore has the object of specifying a cooling device for an electrical energy storage with the features described above, which allows over the prior art, a simplified structure and more efficient cooling of the electrical energy storage.
  • this object is achieved in that the electrical energy storage is arranged within the refrigerant circuit, that the energy storage is at least partially in direct contact with the refrigerant.
  • the inventive arrangement of the electrical energy storage within the refrigerant circuit, the heat generated in or on the electrical energy storage is discharged directly and without additional heat exchanger to the energy storage tank flowing around the refrigerant refrigerant.
  • the elimination of an additional heat exchanger simplifies the structure of the cooling device according to the invention.
  • the heat transfer and thus the efficiency of the cooling device are significantly improved by the direct contact of the energy store with the refrigerant.
  • the cooling device according to the invention can advantageously respond faster to an increase in temperature of the electrical energy storage than would be possible with a cooling device with an intermediate heat exchanger.
  • the refrigerant cycle may include a compressor, a heat transfer element (in particular, a condenser, condenser, or gas cooler) for heat dissipation, and an evaporator element for heat absorption.
  • the refrigerant circuit may further comprise an expansion element (valve, throttle or expander compressor).
  • an expansion element valve, throttle or expander compressor.
  • a so-called expansion turbine esp. For the Operation in the supercritical range in C0 2 refrigeration machines
  • a two-stage compression can be provided, wherein a compressor is driven solely by the expansion turbine and the additional required compressor work provides a second compressor.
  • the electrical energy store is preferably arranged in the low-pressure region (also called low-pressure side or suction-pressure side) of the refrigerant circuit in the process direction between the heat exchanger element output and the compressor input, in particular within the evaporator element.
  • the arrangement of the electrical energy storage within the evaporator element makes it possible to build the cooling device compact, since the evaporator element takes on a double function in this case and on the one hand cools the electrical energy storage and on the other hand can deliver more cooling power for example air conditioning of the vehicle interior. By combining several functions so existing space is particularly advantageous used multiple times.
  • C0 2 is used as the refrigerant.
  • C0 2 as a refrigerant is also sold under the name R744.
  • C0 2 as a refrigerant lies in the fact that this gas is very inert and thus no or only an insignificant interaction with the electrical energy storage enters.
  • Carbon dioxide (C0 2 ) is also characterized by a very high volumetric cooling capacity and has a high heat transfer coefficient.
  • a refrigerant means a fluid that is used to transfer heat in a refrigeration machine and that absorbs heat at a low temperature and pressure and releases heat at a higher temperature and pressure, usually with changes in state of the fluid.
  • refrigerants may be ammonia (R717) or fluorinated hydrocarbons (eg R404A) or nitrogen (R728) or 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFC-1234yf) or 1,3,3,3-tetrafluoropropene (HFC-1234ze) or Non-halogenated combustible hydrocarbons such as butane (R600 / R600a) or propane (R290).
  • the refrigerant circuit may additionally have a refrigerant dryer, so that the risk of corrosion due to residual moisture within the refrigerant used is reduced or eliminated.
  • Lubricants may be added to the refrigerant.
  • lubricant return transport systems can be provided which receive the lubricants before the expansion element or before the evaporator and return to the compressor.
  • a double lubricant separation system with separation systems can be provided in both the suction pressure side and the high pressure side of the refrigerator.
  • lubricants are z. B. mineral oils, polyolefins, alkylbenzenes,
  • Polyalkylene glycols or ester-based lubricants such as. B. polyol ester.
  • At least one temperature sensor can be attached to it.
  • a control and / or regulating device may be provided which is set up to compare the measured temperature of the energy store with a predetermined maximum value and to cause an increase in the cooling capacity of the cooling machine when the maximum value is exceeded.
  • the cooling device according to the invention thus makes it possible for temperature increases occurring at short notice on the electrical energy store, i. resulting heat detected and within a very short time the temperature lowered, i. the resulting amount of heat can be dissipated via the refrigerant.
  • the cooling device according to the invention can advantageously respond very quickly to the rise in temperature at the electrical energy store.
  • the refrigerant circuit can have a lockable bypass.
  • the electrical energy storage is arranged in the interior of the bypass. In the event that no tempering of the electrical energy storage is required, especially in winter outside temperatures, it may be useful that the electrical energy storage is arranged in a lockable bypass of the refrigerant circuit. This makes it possible that the electrical energy storage can be separated from the refrigerant circuit to use the chiller alone for air drying or air conditioning can.
  • the electric energy storage may be a sodium sulfur battery or a lithium-air battery or a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery or a polymer lithium ion battery or a Na / NiCI 2 battery or a Be supercapacitor.
  • the free flow cross-sectional area between the energy stores can be greater than that free flow cross-sectional area between the outer energy storage and a nearest wall of the refrigerant circuit. Since with a uniform heating of all electrical energy storage, the resulting heat between two adjacent energy storage due to the fact that two heat sources against each other, can be absorbed or reduced much slower, an increased flow rate between the energy storage advantage. By means of the arrangement according to the invention, it is achieved that the energy or resulting heat is absorbed and transported away uniformly or essentially uniformly by the refrigerant.
  • the wall or walls of the refrigerant circuit may have at least one pressure-tight interruption, in particular as a passage at least one electrical connection and / or control line and / or control line and / or measuring line.
  • the pressure-tight interruption of the wall of the refrigerant circuit ensures that in a simple manner, the electrical current or the electrical energy of the electrical energy storage can be removed without affecting the functioning of the refrigerator. The same applies to any existing control and / or regulating and / or measuring lines.
  • part of the invention is an electrically operable vehicle, wherein for cooling the electrical energy storage of the vehicle, a cooling device according to one of claims 1 to 8 is provided.
  • the electrically operable vehicle may have a cooling device according to one of claims 1 to 8 for cooling the electrical energy storage of the vehicle, and an air heat exchanger and a fan ventilation system, wherein the air heat exchanger of the refrigerant of the cooling device can be flowed through or heat-conducting with the evaporator element the cooling device can be connected and the fan ventilation system is arranged to direct the air cooled by the air heat exchanger cooled air in the interior of the vehicle.
  • the invention further relates to a method for cooling at least one electrical energy store of an electrically operable vehicle having a cooling device, comprising a refrigerating machine with a refrigerant circulating in a refrigerant circuit, wherein the electrical energy store is arranged within the refrigerant circuit. net is that the energy storage is at least partially in direct contact with the refrigerant and cooled by the refrigerant, in particular directly cooled.
  • the aforementioned energy store is preferably constructed from a combination of individual energy storage cells.
  • the energy storage device may have an energy storage wall forming only a support jacket.
  • the evaporator chamber of the refrigerating machine may be formed by a body part and / or a trim part and / or an interior part.
  • the bodywork part is a door or an I-board beam or an A-pillar or a B-pillar or a C-pillar or a D-pillar or a sill or a subfloor or a roof structure.
  • the trim part is a door trim or a cockpit trim or a floor covering or a headliner.
  • the interior part may be a vehicle seat, a center tunnel, a floor or a headliner.
  • the body part or the trim part or the interior part can have a thermal insulation on the side of the corresponding part facing away from the interior of the vehicle.
  • Fig. 1 shows a cooling device according to the invention for an electrical energy storage
  • Fig. 2 shows another cooling device according to the invention with a lockable
  • Fig. 3 is a detail view of an evaporator chamber of an inventive
  • FIG. 4 shows a further illustration of an evaporator chamber of a cooling device according to the invention
  • Fig. 5 to 7 various arrangements of the electrical energy storage within the refrigerant circuit.
  • FIG. 1 shows schematically a cooling device for electrical energy storage 1 of an electrically operable vehicle (not shown in detail here), comprising a chiller 2 with a circulating in a refrigerant circuit 3 refrigerant 4, wherein the electrical energy storage 1 are arranged within the refrigerant circuit 3, the energy stores 1 are at least partially in direct contact with the refrigerant 4.
  • the electrical energy storage devices 1 are arranged within the refrigerant circuit 3 in such a way that the electrical energy storage devices 1 are surrounded by the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3 directly.
  • the refrigerant circuit 3 has a compressor 5, a heat transfer element 6 for heat dissipation and an evaporator element 7 for heat absorption.
  • the electrical energy storage 1 are in the low pressure region of the refrigerant circuit 3 in the process direction (symbolized by arrow 18) between the heat exchanger element output 6a and the
  • Compressor input 5a disposed within the evaporator element 7.
  • the refrigerant circuit 3 or the refrigerating machine 2 also has a refrigerant dryer 19 for removing residual moisture within the refrigerant 4. Furthermore, an expansion element 15 in the circular process direction 18 between the heat exchanger element output 6a and the evaporator element 7 is arranged. As refrigerant 4 C0 2 is used. A temperature sensor 8 for measuring the temperature of the electrical energy storage device 1 is attached thereto.
  • the temperature sensor 8 transmits its measured values by radio to a control and / or regulating device, not shown here, which is set up to compare the measured temperature of the energy store 1 with a predetermined maximum value and, when the maximum value is exceeded, an increase in the refrigerating capacity of the refrigerating machine 2 to induce.
  • the electrical energy storage 1 are formed by cells of a lithium-ion battery. The individual cells are electrically interconnected.
  • the wall 11 and the walls 11 of the refrigerant circuit 3 have pressure-tight interruptions 2a and 12b.
  • the pressure-tight interruptions 12a and 12b are used to carry out electrical connections 13a and 13b, via which the electrical energy of the energy storage device 1 is transmitted to the electric motor 16 of the electrically operable vehicle.
  • the electrical energy storage 1 have been arranged within the refrigerant circuit 3, that the energy storage 1 are at least partially in direct contact with the refrigerant 4 and cooled by the refrigerant 4, in particular cooled directly.
  • 2 shows a cooling device according to the invention, wherein the refrigerant circuit 3 has a closable bypass 10 and the electrical energy storage 1 are arranged in the interior of the bypass 10.
  • the wall 11 of the refrigerant circuit 3 has in the region of the bypass 10 pressure-tight interruption 12a and 12b, which are provided as feedthroughs of electrical connections 13a and 13b for connecting the electrical energy storage 1 with an electric motor 16 of the electrically operable vehicle.
  • the refrigerant circuit 3 has shut-off elements 17a, 17b and 17c.
  • FIG. 3 shows a detailed representation of an evaporator element 7 with electrical energy stores 1 arranged within the evaporator element 7.
  • the electrical energy stores are provided by so-called coffee bags, i. essentially flat and rectangular shaped individual cells formed.
  • the energy stores 1 are arranged relative to one another such that the flow velocity of the refrigerant 4 between the energy stores 1 is greater than between the outer energy stores 1 and a near-lying wall 11 of the refrigerant circuit 3
  • Evaporator element 7 are fluid guide elements 20, 21 or refrigerant guide elements 20, 21 are arranged, which ensure a uniform flow through the evaporator element 7 with the refrigerant 4.
  • one of the electrical energy accumulators 1 has a temperature sensor 8 for measuring the temperature of the electrical energy accumulator 1.
  • a control and / or regulating device 27 is provided which is adapted to compare the measured temperature of the energy storage device 1 with a predetermined maximum value and to cause an increase in the cooling capacity of the refrigerator 2 when the maximum value is exceeded.
  • the wall 11 of the refrigerant circuit 3 has a pressure-tight interruption 26, which serves as a passage of a control line 28 or a measuring line 28, which connects the temperature sensor 8 with the control and / or regulating device 27.
  • FIG. 4 shows a further detailed representation of an evaporator element 7.
  • an electrical energy store 1 surrounded by an energy storage wall 22 is arranged within the refrigerant circuit 3 such that the energy store 1 is in direct contact with the refrigerant 4.
  • the energy storage device 1 is constructed from a combination of individual energy storage cells.
  • the distance of the energy storage wall 22 to the wall 11 of the coolant circuit 3 is at least substantially equal, so that a uniform free flow cross-sectional area C is formed in all spatial directions. This ensures that the electrical energy storage device 1 is uniformly flowed around by the refrigerant 4.
  • an air heat exchanger 23 is thermally conductively connected. Furthermore, a blower ventilation system 24, 24a is provided, which is set up to direct the cooled air in flowing through the air heat exchanger 23 into the interior 25 of a vehicle, not shown here.
  • the air heat exchanger 23 receives its air either from outside the vehicle (arrow indicated by dashed lines) or from the interior 25 (dotted arrow indicated) of the vehicle.
  • FIG. 5 shows an inventive arrangement of electrical energy storage devices 1, which are arranged within a refrigerant circuit 3 such that the energy storage devices 1 are in direct contact with the refrigerant 4 circulating inside the refrigerant circuit 3.
  • the refrigerant circuit 3 is part of a refrigerator 2.
  • the energy storage 1 are arranged to each other that the flow rate of the refrigerant 4 between the energy storage 1 is greater than between the outer energy storage 1 and a nearest wall 11 of the refrigerant circuit 3.
  • a support element structure 29 which holds the electrical energy storage device 1 in a central position within the refrigerant circuit 3, so that the electrical energy storage device 1 holds more than the free flow cross-sectional area B between the outer energy stores 1 and the nearest walls 11 of the refrigerant circuit 3 Energy storage 1 are supported on all sides umströmbar.
  • FIG. 6 shows an arrangement of electrical energy storage 1 within a refrigerant circuit 3, wherein the electrical energy storage device 1 are arranged on a wall 1 1 of the refrigerant circuit 3 and are fixed to this wall 11.
  • FIG. 7 shows an arrangement of electrical energy accumulators 1 within a refrigerant circuit 3, which regions are in direct contact with the refrigerant circulating inside the refrigerant circuit 3. The Victorier Schemee the electrical energy storage 1 are outside the refrigerant circuit 3.
  • the arrangement shown is particularly suitable for refrigerators 2 which work with a small pressure difference between the refrigerant circuit 3 and the surrounding atmosphere.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für mindestens einen elektrischen Energiespeicher (1) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, aufweisend eine Kältemaschine (2) mit einem in einem Kältemittelkreislauf (3) umlaufenden Kältemittel (4), wobei der elektrische Energiespeicher (1) so innerhalb des Kältemittelkreislaufes (3) angeordnet ist, dass der Energiespeicher (1) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zu dem Kältemittel (4) steht.

Description

Kühlvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für mindestens einen elektrischen Energiespeicher eines elektrisch betreibbaren Fahrzeuges, aufweisend eine Kältemaschine mit einem in einem Kältemittelkreislauf umlaufenden Kältemittel. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Abführung entstehender Wärme von Batterien bzw. elektrischen Energiespeichern insbesondere bei elektrisch betreibbaren Fahrzeugen bekannt. Die während des Betriebes bzw. während der Stromentnahme aus dem elektrischen Energiespeicher entstehende Verlustwärme beeinträchtigt insbesondere die Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers.
Die DE 102 45 600 B4 offenbart eine Kühlanordnung, bei welcher Kühlluft durch ein die Batterie aufnehmendes Gehäuse mittels eines durch einen Ventilator erzeugten Luftstromes gekühlt wird. Ein ähnliches Konzept offenbart die Offenlegungsschrift DE 43 13 462 A1 , die ebenfalls mittels eines Kühlluftgebläses eine innerhalb eines Gehäuses angeordne- te Batterie kühlt. Ferner offenbart die DE 42 05 992 A1 , einen Luftstrom durch ein Akku- Gehäuse mittels eines Thermoschalter-betriebenen Ventilators an- und abzuschalten.
Neben der Kühlung mit einer Luftströmung beschreibt beispielhaft die Druckschrift DE 28 35 501 A1 eine Batterie mit mehreren Einzelzellen, die zu einem ummantelten Zellen- block zusammengefasst sind, wobei die Zwischenräume der Einzelzellen Kanäle für ein Kühl- oder Heizmedium bilden. Als Kühlmedium werden hier z.B. Luft, Wasser oder Öl beschrieben. Die Schrift offenbart nicht, dass das entsprechende Medium vor der Einleitung in das die Batterien umgebende Gehäuse direkt oder indirekt abgekühlt wird. Die DE 10 2008 039 908 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie eines Fahrzeuges, die von einem Kühlmittel durchströmbar ist, wobei eine Kühlmittelpumpe das Kühlmittel innerhalb eines Kühlmittelkreislaufes fördert und der Kühlmittelkreislauf über einen Wärmetauscher mit einem Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine thermisch gekoppelt ist. Die DE 10 2008 059 954 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung zum Temperieren von Batteriezellen. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Wärmetauscher, der eine Kühlplatte und wenigstens ein mäanderartig geformtes und von dem Kühlmittel durchströmbares Kühlrohr auf- weist.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen ist, dass das Kühlmedium systembedingt die Temperatur der Umgebungsluft aufweist oder die Wärmeübertragung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Kühlmedium über sepa- rate Wärmetauscher erfolgt.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühlvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik einen vereinfachten Aufbau und eine effizientere Kühlung des elektrischen Energiespeichers ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der elektrische Energiespeicher so innerhalb des Kältemittelkreislaufes angeordnet ist, dass der Energiespeicher zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zu dem Kältemittel steht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des elektrischen Energiespeichers innerhalb des Kältemittelkreislaufes wird die in oder an dem elektrischen Energiespeicher entstehende Wärme direkt und ohne zusätzlichen Wärmetauscher an das den Energiespeicher umströmende Kältemittel der Kältemaschine abgegeben. Durch den Wegfall eines zusätzlichen Wärmetauschers vereinfacht sich der Aufbau der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Gleichzeitig werden durch den direk- ten Kontakt des Energiespeichers zu dem Kältemittel die Wärmeübertragung und damit die Effizienz der Kühlvorrichtung deutlich verbessert. Zudem kann die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in vorteilhafter Weise schneller auf eine Temperaturerhöhung des elektrischen Energiespeichers reagieren als dies mit einer Kühlvorrichtung mit einem zwischengeschalteten Wärmetauscher möglich wäre.
Der Kältemittelkreislauf kann einen Kompressor, ein Wärmeübertragungselement (insbesondere einen Verflüssiger, Kondensator oder Gaskühler) für die Wärmeabgabe und ein Verdampferelement für die Wärmeaufnahme aufweisen. Der Kältemittelkreislauf kann ferner ein Expansionselement (Ventil, Drossel oder Expander-Kompressor) aufweisen. Als alternatives Expansionselement kann eine sogenannte Expansionsturbine (insbes. für den Betrieb im überkritischen Bereich bei C02-Kältemaschinen) und eine zweistufige Verdichtung vorgesehen sein, wobei ein Verdichter allein von der Expansionsturbine angetrieben wird und die zusätzlich benötigte Verdichterarbeit ein zweiter Verdichter liefert. Der elektrische Energiespeicher ist vorzugsweise im Niederdruckbereich (auch Niederdruckseite oder Saugdruckseite genannt) des Kältemittelkreislaufes in Kreisprozessrichtung zwischen dem Wärmeüberträgerelementausgang und dem Kompressoreingang, insbesondere innerhalb des Verdampferelements angeordnet. Die Anordnung des elektrischen Energiespeichers innerhalb des Verdampferelementes ermöglicht es, die Kühlvorrichtung kompakt aufzubauen, da das Verdampferelement in diesem Fall eine Doppelfunktion übernimmt und zum einen den elektrischen Energiespeicher kühlt und zum anderen weitere Kühlleistung zur z.B. Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes abzugeben vermag. Durch die Zusammenfassung mehrerer Funktionen wird so vorhandener Bauraum besonders vorteilhaft mehrfach genutzt. Vorzugsweise wird als Kältemittel C02 eingesetzt. C02 als Kältemittel wird auch unter der Bezeichnung R744 vertrieben. Der Vorteil beim Einsatz von C02 als Kältemittel liegt darin begründet, dass dieses Gas sehr reaktionsträge ist und somit keine bzw. nur eine unwesentliche Wechselwirkung mit dem elektrischen Energiespeicher eingeht. Kohlendioxid (C02) zeichnet sich zudem durch eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung aus und be- sitzt einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Generell meint ein Kältemittel ein Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kältemaschine eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen. Weitere Kältemittel können Ammoniak (R717) oder fluorierte Kohlenwasserstoffen (z.B. R404A) oder Stickstoff (R728) oder 2,3,3,3-Tetrafluoropropen (HFC-1234yf) oder 1 ,3,3,3- Tetrafluoropropen (HFC-1234ze) oder Nichthalogenierte brennbare Kohlenwasserstoffe wie Butan (R600/R600a) oder Propan (R290) sein.
Der Kältemittelkreislauf kann zusätzlich einen Kältemitteltrockner aufweisen, so dass die Korrosionsgefahr durch vorhandene Restfeuchte innerhalb des verwendeten Kältemittels reduziert bis ausgeschlossen wird.
Dem Kältemittel können Schmierstoffe zugesetzt sein. Ferner können Schmierstoffrück- transportsysteme vorgesehen sein, die die Schmierstoffe vor dem Expansionselement bzw. vor dem Verdampfer aufnehmen und an den Kompressor rückführen. Alternativ bzw. er- gänzend kann ein doppeltes Schmiermittelabscheidesystem mit Abscheidesystemen sowohl in der Saugdruckseite als auch der Hochdruckseite der Kältemaschine vorgesehen sein. Als Schmierstoffe eignen sich z. B. Mineralöle, Polyolefine, Alkylbenzole,
Polyalkylenglykole oder esterbasische Schmierstoffen, wie z. B. Polyolester.
Zur Messung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers kann wenigstens ein Temperaturmessfühler an diesem angebracht sein. Ferner kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Energiespeichers mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Maximalwertes eine Erhöhung der Kälteleistung der Kältemaschine zu veranlassen. Durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist somit ermöglicht, dass kurzfristig an dem elektrischen Energiespeicher auftretende Temperaturerhöhungen, d.h. entstehende Wärme detektiert und innerhalb kürzester Zeit die Temperatur gesenkt, d.h. die entstehende Wärmemenge über das Kältemittel abgeführt werden kann. Die erfindungsgemäße Kühlvorrich- tung kann in vorteilhafter Weise sehr rasch auf entstehende Temperaturerhöhungen an dem elektrischen Energiespeicher reagieren.
Der Kältemittelkreislauf kann einen absperrbaren Bypass aufweisen. Vorzugsweise ist der elektrische Energiespeicher im Inneren des Bypasses angeordnet. Für den Fall, dass keine Temperierung des elektrischen Energiespeichers erforderlich ist, insbesondere bei winterlichen Außentemperaturen, kann es sinnvoll sein, dass der elektrische Energiespeicher in einem absperrbaren Bypass des Kältemittelkreislaufes angeordnet ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass der elektrische Energiespeicher vom Kältemittelkreislauf getrennt werden kann, um die Kältemaschine allein zur Lufttrocknung oder Klimatisierung nutzen zu können.
Der elektrische Energiespeicher kann eine Sodium-Sulfur-Batterie oder eine Lithium-Luft- Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Polymer-Lithium-Ionen-Batterie oder eine Na/NiCI2-Batterie oder ein Superkondensator sein.
Es können mindestens zwei elektrische Energiespeicher vorgesehen sein, wobei die Energiespeicher so zueinander angeordnet sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels zwischen den Energiespeichern größer ist als zwischen den äußeren Energiespeichern und einer nächstliegenden Wandung des Kältemittelkreislaufes. Insbesondere kann die freie Strömungsquerschnittsfläche zwischen den Energiespeichern größer sein als die freie Strömungsquerschnittsfläche zwischen den äußeren Energiespeichern und einer nächstliegenden Wandung des Kältemittelkreislaufes. Da bei einer gleichmäßigen Erwärmung aller elektrischen Energiespeicher die entstehende Wärme zwischen zwei benachbarten Energiespeichern aufgrund der Tatsache, dass zwei Wärmequellen gegeneinander arbeiten, sehr viel langsamer aufgenommen bzw. abgebaut werden kann ist eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Energiespeichern von Vorteil. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist erreicht, dass die Energie bzw. entstehende Wärme gleichmäßig bzw. im Wesentlichen gleichmäßig von dem Kältemittel aufgenommen und abtransportiert wird.
Die Wandung bzw. Wandungen des Kältemittelkreislaufes können mindestens eine druckdichte Unterbrechung aufweisen, insbesondere als Durchführung mindestens einer elektrischen Verbindung und/oder Steuerleitung und/oder Regelleitung und/oder Messleitung. Die druckdichte Unterbrechung der Wandung des Kältemittelkreislaufes gewährleistet so, dass auf einfache Weise der elektrische Strom bzw. die elektrische Energie der elektrischen Energiespeicher entnommen werden kann, ohne einen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der Kältemaschine zu nehmen. Gleiches gilt für eventuell vorhandene Steuer- und/oder Regel- und/oder Messleitungen. Weiterhin Teil der Erfindung ist ein elektrisch betreibbares Fahrzeug, wobei zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeuges eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen ist.
Das elektrisch betreibbare Fahrzeug kann zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeuges eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisen, sowie einen Luft-Wärmetauscher und ein Gebläse-Lüftungssystem, wobei der Luft-Wärmetauscher von dem Kältemittel der Kühlvorrichtung durchströmbar oder wärmeleitend mit dem Verdampferelement der Kühlvorrichtung verbunden sein kann und das Gebläse-Lüftungssystem eingerichtet ist, die bei Durchströmung des Luft-Wärmetauschers abgekühlte Luft in den Innenraum des Fahrzeuges zu lenken.
Ferner Teil der Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung mindestens eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeuges mit einer Kühlvorrichtung, aufweisend eine Kältemaschine mit einem in einem Kältemittelkreislauf umlaufenden Kältemit- tel, wobei der elektrische Energiespeicher so innerhalb des Kältemittelkreislaufes angeord- net wird, dass der Energiespeicher zumindest bereichsweise im direkten Kontakt zu dem Kältemittel steht und durch das Kältemittel gekühlt, insbesondere direkt gekühlt wird.
Der vorgenannte Energiespeicher ist vorzugsweise aus einer Kombination einzelner Ener- giespeicherzellen aufgebaut. Der Energiespeicher kann eine, lediglich einen Stützmantel bildende, Energiespeicherwandung aufweisen.
Der Verdampferraum der Kältemaschine kann durch ein Karosserieteil und/oder ein Verkleidungsteil und/oder ein Innenraumteil gebildet sein. Vorzugsweise ist das Karosseriebau- teil eine Tür oder ein I-Tafelträger oder eine A-Säule oder eine B-Säule oder eine C-Säule oder eine D-Säule oder ein Schweller oder ein Unterboden oder eine Dachstruktur. Weiter vorzugsweise ist das Verkleidungsteil eine Türverkleidung oder eine Cockpitverkleidung oder eine Fußbodenabdeckung oder ein Dachhimmel. Weiterhin kann das Innenraumteil ein Fahrzeugsitz, ein Mitteltunnel, ein Fußboden oder ein Dachhimmel sein. Das Karosse- rieteil oder das Verkleidungsteil oder das Innenraumteil kann eine thermische Isolierung auf der dem Innenraum des Fahrzeuges abgewandten Seite des entsprechenden Teils aufweisen.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher
Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit einem absperrbaren
Bypass innerhalb des Kältemittelkreislaufes
Fig. 3 eine Detaildarstellung eines Verdampferraumes einer erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung
Fig. 4 eine weitere Darstellung eines Verdampferraumes einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung Fig. 5 bis 7 diverse Anordnungen der elektrischen Energiespeicher innerhalb des Kältemittelkreislaufes.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Kühlvorrichtung für elektrische Energiespeicher 1 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeuges (hier nicht näher dargestellt), aufweisend eine Kältemaschine 2 mit einem in einem Kältemittelkreislauf 3 umlaufenden Kältemittel 4, wobei die elektrischen Energiespeicher 1 so innerhalb des Kältemittelkreislaufes 3 angeordnet sind, dass die Energiespeicher 1 zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zu dem Kältemittel 4 stehen. Die elektrischen Energiespeicher 1 sind so innerhalb des Kältemittelkreislau- fes 3 angeordnet, dass die elektrischen Energiespeicher 1 von dem in dem Kältemittelkreislauf 3 umlaufenden Kältemittel 4 direkt umspült werden. Der Kältemittelkreislauf 3 weist einen Kompressor 5, eine Wärmeüberträgerelement 6 für die Wärmeabgabe und ein Verdampferelement 7 für die Wärmeaufnahme auf. Die elektrischen Energiespeicher 1 sind im Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufes 3 in Kreisprozessrichtung (symbolisiert durch Pfeil 18) zwischen dem Wärmeüberträgerelementausgang 6a und dem
Kompressoreingang 5a innerhalb des Verdampferelementes 7 angeordnet. Der Kältemittelkreislauf 3 bzw. die Kältemaschine 2 weist daneben einen Kältemitteltrockner 19 zur Entfernung von Restfeuchte innerhalb des Kältemittels 4 auf. Ferner ist ein Expansionselement 15 in Kreisprozessrichtung 18 zwischen Wärmeüberträgerelementausgang 6a und dem Verdampferelement 7 angeordnet. Als Kältemittel 4 ist C02 eingesetzt. Ein Temperaturmessfühler 8 zur Messung der Temperatur der elektrischen Energiespeicher 1 ist an diesen angebracht. Der Temperaturmessfühler 8 überträgt seine Messwerte per Funk an eine hier nicht näher dargestellte Steuer- und / oder Regeleinrichtung, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur der Energiespeicher 1 mit einem vorgegebenen Maximalwert zu ver- gleichen und bei Überschreiten des Maximalwertes eine Erhöhung der Kälteleistung der Kältemaschine 2 zu veranlassen. Die elektrischen Energiespeicher 1 sind durch Zellen einer Lithium-Ionen-Batterie gebildet. Die einzelnen Zellen sind dabei elektrisch miteinander verschaltet. Die Wandung 11 bzw. die Wandungen 11 des Kältemittelkreislaufes 3 weisen druckdichte Unterbrechungen 2a und 12b auf. Die druckdichten Unterbrechungen 12a und 12b dienen zur Durchführung elektrischer Verbindungen 13a und 13b, über die die elektrische Energie der Energiespeicher 1 an den Elektromotor 16 des elektrisch betreibbaren Fahrzeuges übertragen wird. Die elektrischen Energiespeicher 1 sind so innerhalb des Kältemittelkreislaufes 3 angeordnet worden, dass die Energiespeicher 1 zumindest bereichsweise im direkten Kontakt zu dem Kältemittel 4 stehen und durch das Kältemittel 4 gekühlt, insbesondere direkt gekühlt werden. Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, wobei der Kältemittelkreislauf 3 einen absperrbaren Bypass 10 aufweist und die elektrischen Energiespeicher 1 im Inneren des Bypasses 10 angeordnet sind. Die Wandung 11 des Kältemittelkreislaufes 3 weist im Bereich des Bypasses 10 druckdichte Unterbrechung 12a und 12b auf, die als Durchführungen elektrischer Verbindungen 13a und 13b zur Verbindung der elektrischen Energiespeicher 1 mit einem Elektromotor 16 des elektrisch betreibbaren Fahrzeuges vorgesehen sind. Zur Absperrung des Bypasses 10 weist der Kältemittelkreislauf 3 Absperrelemente 17a, 17b und 17c auf. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Bypasses 10 kann das in dem Kältemittelkreislauf 3 umlaufende Kältemittel 4 nur bedarfweise in den Bypass 10 mit den darin befindlichen elektrischen Energiespeichern 1 umgeleitet bzw. parallel geschaltet werden.
Die Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung eines Verdampferelementes 7 mit innerhalb des Verdampferelementes 7 angeordneten elektrischen Energiespeichern 1. Die elektrischen Energiespeicher sind durch sog. Coffee Bags, d.h. im Wesentlichen flächig und rechteck- förmig ausgebildeten Einzelzellen, gebildet. Die Energiespeicher 1 sind so zueinander angeordnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels 4 zwischen den Energiespeichern 1 größer ist als zwischen den äußeren Energiespeichern 1 und einer nächstlie- genden Wandung 1 1 des Kältemittelkreislaufes 3. Dabei ist die freie
Strömungsquerschnittsfläche A zwischen den Energiespeichern 1 größer als die freie Strömungsquerschnittsfläche B zwischen den äußeren Energiespeichern 1 und den nächstliegenden Wandungen 1 1 des Kältemittelkreislaufes 3. Innerhalb des
Verdampferelementes 7 sind Fluidleitelemente 20, 21 bzw. Kältemittelleitelemente 20, 21 angeordnet, welche für eine gleichmäßige Durchströmung des Verdampferelementes 7 mit dem Kältemittel 4 sorgen. Beispielhaft weist einer der elektrischen Energiespeicher 1 einen Temperaturmessfühler 8 zur Messung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers 1 auf. Ferner ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 27 vorgesehen, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Energiespeichers 1 mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Maximalwertes eine Erhöhung der Kälteleistung der Kältemaschine 2 zu veranlassen. Die Wandung 11 des Kältemittelkreislaufes 3 weist eine druckdichte Unterbrechung 26 auf, die als Durchführung einer Steuerleitung 28 bzw. einer Messleitung 28 dient, welche den Temperaturmessfühler 8 mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 27 verbindet. Die Fig. 4 zeigt eine weitere Detaildarstellung eines Verdampferelements 7. Innerhalb des Verdampferelementes 7 ist ein von einer Energiespeicherwandung 22 umgebener elektrischer Energiespeicher 1 so innerhalb des Kältemittelkreislaufes 3 angeordnet, dass der Energiespeicher 1 in direktem Kontakt zu dem Kältemittel 4 steht. Der Energiespeicher 1 ist aus einer Kombination einzelner Energiespeicherzellen aufgebaut. Der Abstand der Energiespeicherwandung 22 zu der Wandung 11 des Kühlmittelkreislaufes 3 ist zumindest im Wesentlichen gleich, so dass eine gleichmäßige freie Strömungsquerschnittsfläche C in alle Raumrichtungen gebildet ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass der elektrische Energiespeicher 1 gleichmäßig von dem Kältemittel 4 umströmt wird. Mit dem
Verdampferelement 7 ist ein Luft-Wärmetauscher 23 wärmeleitend verbunden. Ferner ist ein Gebläse-Lüftungssystem 24, 24a vorgesehen, welches eingerichtet ist, die bei Durchströmen des Luft-Wärmetauschers 23 abgekühlte Luft in den Innenraum 25 eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeuges zu lenken. Der Luft-Wärmetauscher 23 bezieht seine Luft dabei entweder von außerhalb des Fahrzeuges (gestrichelt angedeuteter Pfeil) oder von dem Innenraum 25 (gepunkteter Pfeil angedeutet) des Fahrzeuges.
Die Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von elektrischen Energiespeichern 1 , die so innerhalb eines Kältemittelkreislaufes 3 angeordnet sind, dass die Energiespeicher 1 in direktem Kontakt zu dem innerhalb des Kältemittelkreislaufes 3 umlaufenden Kältemit- tel 4 stehen. Der Kältemittelkreislauf 3 ist Teil einer Kältemaschine 2. Die Energiespeicher 1 sind so zueinander angeordnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels 4 zwischen den Energiespeichern 1 größer ist als zwischen den äußeren Energiespeichern 1 und einer nächstliegenden Wandung 11 des Kältemittelkreislaufes 3. Dabei ist die freie Strömungsquerschnittsfläche A zwischen den Energiespeichern 1 größer als die freie Strömungsquerschnittsfläche B zwischen den äußeren Energiespeichern 1 und den nächstliegenden Wandungen 11 des Kältemittelkreislaufes 3. Ferner ist eine Stützelementstruktur 29 vorgesehen, welche die elektrischen Energiespeicher 1 in einer zentralen Position innerhalb des Kältemittelkreislaufes 3 hält, so dass die elektrischen Energiespeicher 1 allseitig umströmbar gehaltert sind.
Die Fig. 6 zeigt eine Anordnung von elektrischen Energiespeichern 1 innerhalb eines Kältemittelkreislaufes 3, wobei die elektrischen Energiespeicher 1 an einer Wandung 1 1 des Kältemittelkreislaufes 3 angeordnet stehen und an dieser Wandung 11 festgelegt sind. Die Fig. 7 zeigt eine Anordnung von elektrischen Energiespeichern 1 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs 3, welche bereichsweise in direktem Kontakt zu dem innerhalb des Kältemittelkreislaufes 3 umlaufenden Kältemittel 4 stehen. Die Kontaktierbereiche der elektrischen Energiespeicher 1 liegen außerhalb des Kältemittelkreislaufes 3. Die dargestellte Anordnung eignet sich insbesondere für Kältemaschinen 2 die mit einer geringen Druckdifferenz zwischen dem Kältemittelkreislauf 3 und der umgebenden Atmosphäre arbeiten.

Claims

Patentansprüche
Kühlvorrichtung für mindestens einen elektrischen Energiespeicher (1) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, aufweisend eine Kältemaschine (2) mit einem in einem Kältemittelkreislauf (3) umlaufenden Kältemittel (4), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) so innerhalb des Kältemittelkreislaufes (3) angeordnet ist, dass der Energiespeicher (1) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zu dem Kältemittel (4) steht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (3) einen Kompressor (5), ein Wärmeübertragungselement (6) für die Wärmeabgabe und ein Verdampferelement (7) für die Wärmeaufnahme aufweist und der elektrische Energiespeicher (1) im Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufes (3) in Kreisprozessrichtung zwischen dem Wärmeüberträgerelementausgang (6a) und dem Kompressoreingang (5a), insbesondere innerhalb des Verdampferelementes (7), angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel C02 (4) eingesetzt ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperaturmessfühler (8) zur Messung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers (1) an diesem angebracht ist und, dass eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (27) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Energiespeichers (1) mit einem vorgegebenen Maximalwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Maximalwerts eine Erhöhung der Kälteleistung der Kältemaschine (2) zu veranlassen.
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (3) einen absperrbaren Bypass (10) aufweist und der elektrische Energiespeicher (1) im Inneren des Bypasses (10) angeordnet ist.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektrische Energiespeicher (1) vorgesehen sind, wobei die Energiespeicher (1) so zueinander angeordnet sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels (4) zwischen den Energiespeichern (1) größer ist als zwischen den äußeren Energiespeichern (1) und einer nächstliegenden Wandung (11) des Kältemittelkreislaufes (3).
7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die freie
Strömungsquerschnittsfläche (A) zwischen den Energiespeichern (1) größer ist als die freie Strömungsquerschnittsfläche (B) zwischen den äußeren Energiespeichern (1) und einer nächstliegenden Wandung (11) des Kältemittelkreislaufes (3).
8. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (11) bzw. Wandungen (11) des Kältemittelkreislaufes (3) mindestens eine druckdichte Unterbrechung (12a, 12b, 26) aufweist bzw. aufweisen, insbesondere als Durchführung mindestens einer elektrischen Verbindung (13a, 13b) und/oder Steuerleitung (28) und/oder Regelleitung (28) und/oder Messleitung (28).
9. Elektrisch betreibbares Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers (1) des Fahrzeugs eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen ist.
10. Elektrisch betreibbares Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft-Wärmetauscher (23) und ein Gebläse-Lüftungssystem (24, 24a) vorgesehen ist, wobei der Luft-Wärmetauscher (23) von dem Kältemittel (4) der Kühlvorrichtung durchströmbar oder wärmeleitend mit dem Verdampferelement (7) verbunden ist und das Gebläse-Lüftungssystem (24, 24a) eingerichtet ist, die bei Durchströmen des Luft- Wärmetauschers (23) abgekühlte Luft in den Innenraum (25) des Fahrzeuges zu lenken.
11. Verfahren zur Kühlung mindestens eines elektrischen Energiespeichers (1) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeuges mit einer Kühlvorrichtung, aufweisend eine Kältemaschine (2) mit einem in einem Kältemittelkreislauf (3) umlaufenden Kältemittel (4), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1) so innerhalb des Kältemittelkreislaufes (3) angeordnet wird, dass der Energiespeicher (1) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt zu dem Kältemittel (4) steht und durch das Kältemittel (4) gekühlt, insbesondere direkt gekühlt wird.
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