DE102013214112A1

DE102013214112A1 - Batterie mit Festkörperkühlung

Info

Publication number: DE102013214112A1
Application number: DE201310214112
Authority: DE
Inventors: Leonid C. Lev; Gregory P. Meisner; Nikolay Kondratyev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2014-01-30
Also published as: CN103579713B; CN103579713A; US20140030560A1

Abstract

Es wird eine Batterie mit einem Festkörper-Kühlmittel vorgesehen, so dass sie innerhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs arbeiten kann, wird beschrieben. Geeigneterweise kann eine solche Batterie eine Hochvolt/Hochstrom-Batterie sein, die zur Verwendung in einem Fahrzeug gedacht ist, das von einem Elektromotor angetrieben wird, etwa ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Mehrere thermoelektrische Baugruppen sind in Wärmekontakt mit den zusammengebauten Zellen und/oder Modulen, die die Batterie umfassen, positioniert. Diese Baugruppen können geeignet angetrieben werden, um als Reaktion auf mehrere Temperatursensoren, die einzelnen Zellen oder Modulen zugeordnet sind, Wärme von der Batterie zu pumpen, so dass die Batterietemperatur in dem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten wird. Die thermoelektrischen Baugruppen können auch angetrieben werden, um Wärme zu der Batterie zu pumpen, um ihre Temperatur unter Bedingungen niedriger Temperatur schneller zu dem vorbestimmten Betriebsbereich zu steigern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft das Kühlen von Batterien, insbesondere von Hochvolt/Hochstrom-Batterien, die aus einer Reihenbaugruppe von mehreren aufrechten, gleich geformten Modulen zusammengebauter Zellen bestehen, die zur Verwendung bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen geeignet sind, die einem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden. Insbesondere betrifft diese Offenbarung die Verwendung von relativ dünnen, plattenartigen Baugruppen von miteinander verbundenen thermoelektrischen Festkörpervorrichtungen, wobei die Baugruppen wie die Module geformt sind und zwischen ausgewählte Module zu deren Beheizen oder kühlen gesetzt sind, um sie in einem vorbestimmten Betriebstemperaturbereich zu halten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Darlegungen in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Es besteht steigendes Interesse an batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen. Diese Fahrzeuge können reine Elektrofahrzeuge, bei denen die alleinige Antriebsquelle eine Batterie ist, oder Hybridfahrzeuge, bei denen ein elektrisches Antriebssystem durch eine fahrzeugeigene Brennkraftmaschine oder IC-Maschine (IC kurz vom engl. Internal Combustion) unterstützt wird, sein.
Batterien für solche Fahrzeuge werden typischerweise aus mehreren einzelnen Zellen zusammengebaut, die entsprechend in Reihe oder parallel miteinander verbunden werden, um eine geeignete elektrische Spannung und Stromspeicherfähigkeit für ihre geplante Anwendung zu entwickeln. Sehr häufig werden einzelne Zellen zunächst zu kleineren Gruppierungen, die als Module bezeichnet werden, zusammengebaut, und dann wird eine Anzahl von Modulen entsprechend miteinander verbunden und verpackt, um die Batterie zu erzeugen. Häufig werden die Elektrode, der Elektrolyt und Separatorelemente der einzelnen Zellen in Form von relativ dünnen rechteckigen Formen (oder anderen geeigneten Formen) erzeugt. Eine Gruppierung solcher Zellen wird häufig zusammengebaut und elektrisch verbunden, um eine vorbestimmte elektrische Spannungs- und Stromleistung vorzusehen. Diese Gruppierung kann in einem weichen Polymerbeutel enthalten sein. Und mehrere Beutel können als Modul zusammengebaut und untereinander verbunden und in einem Kunststoff- oder Metallbehälter aufgenommen werden.
Zum Beispiel nutzt ein Elektrofahrzeug mit einer Batterie zu 24 kWh 192 Li-Ionen-Zellen mit weichen Seiten, die jeweils etwa 3,8 Volt erzeugen können. Diese Zellen werden nach dem folgenden Schema zu der Batterie zusammengebaut. Zwei dieser Zellen, die parallel verbunden sind, werden mit einem zweiten Paar von parallel verbundenen Zellen in Reihe verbunden und in einem Hartschalenmodul verpackt, das in etwa 7,6 Volt entwickelt. 48 dieser Module werden dann wiederum verbunden, um die Batterie mit einer Nennspannung von 360 Volt zu entwickeln. Die Module allein nehmen in etwa 4 Kubikfuß (0,11 m³) ein und können bei Einbau mit zugehöriger Ausrüstung wie etwa Steuerelektronik in einem Fahrzeug eine Stellfläche von etwa 3 Fuß (0,91 m) auf 2 Fuß (0,61 m) erfordern.
Sowohl bei Elektro- als auch bei Hybridfahrzeugen arbeiten die Batterien bei hohen elektrischen Spannungen und sind ausgelegt, um während Betrieb hohe elektrische Ströme zu liefern und während eines Batterieladens hohe Stromeingänge aufzunehmen. Da alle Batterien einen Innenwiderstand aufweisen, kann es während dieser Hochstromvorgänge zu einem merklichen Widerstandsheizen kommen. Die erzeugte Wärme kann, wenn sie nicht aus der Batterie heraus abgeführt wird, die Batterietemperatur anheben und einige der Batteriekomponenten beanspruchen.
Im Allgemeinen sind solche Batterien zur Verwendung bei Temperaturen, die von etwa –30°C bis etwa 40°C mit einem bevorzugten Betriebsbereich von 25°C bis 35°C reichen, gedacht. Selbst eine relativ mäßige Zunahme der Batteriebetriebstemperatur auf etwa 70°C bringt das Risiko einer Verschlechterung der Batterieleistung mit sich.
Um die bevorzugte Batteriebetriebstemperatur zu halten, umfassen die meisten batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge die eine oder andere Vorkehrung zum Batteriekühlen. Eine solche Kühlung kann aus einem Einzelsystem, das global für die gesamte Batterie verwendet wird, oder aus mehreren Kühleinheiten, die über die Batterie verteilt sind, bestehen. Solche Kühlsysteme können Flüssigkeitskühlung nutzen, die ein oder mehrere Pumpen und eine umfangreiche Verrohrung erfordert, um einen angemessenen Kühlmittelstrom zu allen Kühleinheiten in der Batterie sicherzustellen. Es versteht sich auch, dass eine Batterie mit einer großen Stellfläche signifikante Kühlmittelvolumina erfordert. Das Batteriekühlmittel-Umwälzsystem und das Kühlmittels selbst vergrößern beide die Masse der Elektrofahrzeuge, was deren Reichweite verringert und ihre Anziehungskraft bei potentiellen Käufern mindert.
Es besteht daher ungebrochenes Interesse an einem Batteriekühlungssystem, das gute Leistung bietet, ohne die Masse oder das Volumen der Batterie signifikant zu vergrößern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Hochspannungsbatterie für einen Fahrmotor in einem Fahrzeug wird häufig aus mehreren Niederspannungsmodulen zusammengebaut. Diese Module bestehen aus einem im Wesentlichen steifen geschlossenen Gehäuse, das jeweils mehrere einzelnen Batteriezellen enthält, die zwecks Raumeffizienz eng in das Gehäuse eingebaut sind. Module nutzen typischerweise eine gemeinsame Auslegung. Und sie sind wiederum ausgelegt und dafür gedacht, um zu einer kompakten, platzsparenden Baugruppe zusammengebaut zu werden. Die dicht aneinander gesetzten Zellen in jedem Modul sind einzeln verpackt und sind häufig in einem biegsamen Beutel mit Polymerwandung enthalten, der allgemein von rechteckigen Umriss und an den Beutelrändern abgedichtet ist. Im Fall von Lithiumionenbatterien wird eine solche Zelle als weiche prismatische Lithiumionenzelle bezeichnet.
Module sind im Allgemeinen auch in der Draufsicht rechteckig, und das Gehäuse umfasst typischerweise zwei eng beabstandete gegenüberliegende und flächengleiche rechteckige Flächen, die mit einem schmalen Materialstreifen abgedichtet sind, der sich um den Umfang der Flächen erstreckt, um das Gehäuse abzudichten und die Zellen vollständig aufzunehmen. Eine Batterie wird durch Stapeln von mehreren solcher gleich bemessener und geformter Modulgehäuse in einer Beziehung von Fläche zu Fläche und entsprechendes elektrisches Verbinden der jeweiligen Anschlüsse der Module zusammengebaut, so dass die zusammengebaute Batterie bei einer vorbestimmten elektrischen Spannung und einem vorbestimmten elektrischen Strom elektrische Energie liefern kann.
Module einer solchen Hochstrom/Hochvolt-Batterie können durch Integrieren von thermoelektrische Elemente umfassenden thermoelektrischen Baugruppen in die Batterie in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden. Die thermoelektrischen Baugruppen können mit den Modulen, insbesondere den Modulgehäusen, oder mit den Zellen in den Modulen, insbesondere den Zellenbeutelwänden, integriert werden. Thermoelektrische Elemente sind Festkörpervorrichtungen, die mit flachen, parallel gegenüberliegenden Flächen geformt sein können. Wenn die gegenüberliegenden Flächen einer Vorrichtung mit einer Gleichstrom(DC)-Stromquelle verbunden werden, entwickelt die Vorrichtung zwischen ihren Flächen einen Temperaturgradienten. Dieser Temperaturgradient kann wie hierin beschrieben genutzt werden, um Module einer zusammengebauten Batterie zu beheizen oder zu kühlen.
Die thermoelektrischen Elemente können in der Form von relativ dünnen quadratischen oder rechteckigen Körpern sein, die aus n-dotierten und p-dotierten Halbleitern hergestellt werden und an ihren Enden in gegenüberliegenden, elektrisch verbundenen Flächen enden. Eine Gruppierung solcher Elemente von gleicher oder komplementärer Form kann zur Positionierung von Heiz- und Kühlkörpern zwischen Modulen oder Zellen einer Batterie in plattenartigen Anordnungen zusammengebaut werden.
Da solche thermoelektrischen Elemente bei Leiten von elektrischem Strom an einer Fläche eine erhöhte Temperatur und an ihrer gegenüberliegenden Fläche eine verringerte Temperatur entwickeln, kann dieses Verhalten genutzt werden, um einen Körper, der mit den thermoelektrischen Elementen in Wärmekontakt steht, zu beheizen oder zu kühlen. Die Positionen der heißen und kalten Flächen können durch Umkehren der Richtung des Stromflusses umgekehrt werden, so dass ein einzelnes Element oder eine Gruppe von Elementen sowohl zum Beheizen als auch zum Kühlen des Körpers dienen kann.
Wie erwähnt werden solche thermoelektrischen Elemente häufig zu Baugruppen kombiniert, bei denen die thermoelektrischen Elemente des n-Typs und p-Typs elektrisch in Reihe und thermisch parallel verbunden werden, um eine verbesserte Wärmekapazität vorzusehen. Üblicherweise werden die Flächen der thermoelektrischen Elemente und ihre elektrischen Verbindungen zwischen zwei elektrisch nichtleitenden Substraten, die häufig aus Keramik gefertigt sind, sandwichartig eingeschlossen. Diese Substrate bieten der Baugruppe mechanische Lagerung, behindern aber einen Wärmestrom.
In einer Modulausführungsform können die thermoelektrischen Baugruppen eine Anordnung von Quadern von thermoelektrischen Bahnhalbleitern enthalten. Die Anordnung ist im Allgemeinen flächengleich mit der Modulgehäusefläche und kann die Modulgehäusefläche als Substrat oder Träger nutzen. In dieser Ausführungsform kann die thermoelektrische Baugruppe mit der Modulgehäusefläche verklebt werden. Das Nutzen der Modulgehäusefläche als Lagerung beseitigt die Notwendigkeit mindestens eines der nichtleitenden keramischen Substrate, die häufig verwendet werden, um die Baugruppe zu lagern, was einen verbesserten Wärmestrom ermöglicht und dadurch die Fähigkeiten der thermoelektrischen Baugruppe verbessert.
In einer alternativen und noch effektiveren Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente in der Modulwand eingebettet oder teilweise eingebettet werden. Ein solches Vorgehen ist nur bei Modulbehältern aus Polymer oder ähnlich nichtleitenden Materialien machbar. Aber durch Einbetten der thermoelektrischen Elemente in der Wand wird die erste Fläche bzw. das Ende der thermoelektrischen Elemente in noch größerer Nähe zu den Zellenbeuteln positioniert, die die Quelle eines Beheizens sind. Dadurch wird ein Widerstand gegenüber Wärmestrom, der durch die Wand induziert wird, proportional zu dem Ausmaß der Einbettung und der sich ergebenden Wanddicke bei den thermoelektrischen Elementen reduziert. Es versteht sich, dass die Zellen in dem Modulgehäuse in Beuteln enthalten sind und dass die Beutelwände die Zellenelektroden und den Elektrolyten enthalten und isolieren. Somit wird nicht ausgeschlossen, dass die thermoelektrische Baugruppe und ihre zugehörigen Elektroden sich zu der Innenfläche der Modulgehäusewand erstrecken. Der Fachmann auf dem Gebiet der Polymerformgebung wird erkennen, dass gut bekannte Überformungstechniken genutzt werden können, um den erforderlichen Grad an Einbettung zu erreichen.
Eine ähnliche Schlussfolgerung legt nahe, dass das Eliminieren des zweiten elektrisch nichtleitenden Substrats an den zweiten oder gegenüberliegenden Enden oder Flächen, d. h. den Enden oder Flächen, die nicht mit der Modulwand in Kontakt stehen, auch beim Verbessern der Wärmeübertragung effektiv sein würde. Das Eliminieren des zweiten Substrats würde erfordern, dass sich die thermoelektrische Baugruppe selbst trägt. Doch sind die thermoelektrischen Elemente steif und relativ kurz, mit einem Ausmaß von 5 Millimeter oder weniger, daher wird eine an ihrem ersten Ende gut an der steifen Gehäusefläche befestigte Baugruppe hinreichend gelagert. Wenn aber zirkulierendes Fluid verwendet wird, um Wärme zu oder weg von den thermoelektrischen Elementen zu befördern, kann ein Substrat, das ein Strömen von Fluid über beide Oberflächen zulässt, die Wärmeübertragung verbessern. Ferner kann durch eine geeignete Auslegung eines gegenüberliegenden Substrats, zum Beispiel durch Integrieren von Rippen, eine Wärmeübertragung von der zweiten Oberfläche zu einem Fluid, das mit der zweiten Oberfläche in Kontakt steht, verbessert werden. Somit sollte die das thermoelektrische Element kontaktierende Oberfläche eines zweiten steifen Substrats im Wesentlichen eben sein, doch seine gegenüberliegende Oberfläche kann geformt sein, um eine Wärmeübertragung zu einem über das Substrat strömenden Fluid zu optimieren. Solche Merkmale, die Rippen, Stifte oder andere Vorsprünge umfassen, sind dem Fachmann gut bekannt.
Die zweite Oberfläche des Substrats kann ebenfalls ausgelegt sein, um mit einer zweiten Oberfläche eines zweiten Substrats einer anliegenden thermoelektrischen Baugruppe in Eingriff zu treten, um zumindest dazu beizutragen, Baugruppen und Module fest zu verbinden.
Eine Einbettung der thermoelektrischen Baugruppe ist nur bei Polymer- oder anderen elektrisch nichtleitenden Modulgehäusen machbar. Eine Einbettung kann unter Verwendung herkömmlicher Überformungstechniken erreicht werden. Diese Techniken können das Haltern der Baugruppe erfordern, um der Baugruppe während des Strömens des Polymers in die Form eine zeitweilige Lagerung zu bieten. Wenn die thermoelektrische Baugruppe an der Gehäusefläche angebracht werden soll, können für elektrisch leitende und nichtleitende Flächen unterschiedliche Vorgehensweisen erforderlich sein. Das Anbringen der thermoelektrischen Baugruppe an einer Modulgehäusefläche oder an einem zweiten Substrat mit einer nicht elektrisch leitenden Polymerwand kann nur unter Verwenden von Klebstoff erfolgen. Geeignete Klebstoffe umfassen Silikon und Acryl. Ein ordnungsgemäßes Funktionieren der thermoelektrischen Vorrichtung erfordert ein organisiertes und geordnetes Fließen von elektrischem Strom durch die Vorrichtung. Daher muss eine thermoelektrische Baugruppe isoliert sein, wenn sie an einer elektrisch leitenden Oberfläche wie etwa einem Metall- oder Metallflächen-Modulgehäuse angebracht wird. Ähnliches gilt, wenn das zweite Substrat elektrisch leitend ist. Bei allen diesen Umständen kann eine Anbringung unter Verwenden einer dünnen, elektrisch isolierenden Polymerplatte mit Klebstoff auf beiden Seiten vorgenommen werden. Eine Polyimidplatte (üblicherweise als Kapton^® bekannt) mit einer Dicke von 13 oder 25 Mikrometer bietet geeignete elektrische Eigenschaften und kann durch sowohl Silikon- als auch Acrylklebstoffe bei Dicken von etwa 20 Mikrometer pro Seite erhalten werden. Die Polyimidplatte sieht eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen der thermoelektrischen Baugruppe und der elektrisch leitenden Modulgehäusefläche bzw. dem zweiten Substrat vor. Natürlich kann eine solche Klebeplatte auch auf nicht leitenden Körpern genutzt werden.
Zwischen und verschränkt mit den Batteriemodulen oder den Zellenbeuteln kann eine beliebige Anzahl solcher thermoelektrischer Baugruppen, die zum Halten der Batterietemperatur in ihrem bevorzugten Betriebsbereich erforderlich ist, eingesetzt werden. Die Positionierung der thermoelektrischen Baugruppen kann in der gesamten Batterie gleichmäßig sein oder selektiv nur an jenen Batteriestellen, die am ehesten zu Überhitzen neigen, verwendet werden. Die thermoelektrischen Elemente können wismuthaltige Halbleiterzusammensetzungen wie etwa Bi₂Te₃ (Wismuttellurid) und Bi₂Se₃ (Wismutselenid) u. a. umfassen.
Die thermoelektrischen Baugruppen können aus zusammengebauten vorgefertigten Elementen oder aus Elementen, die vor Ort unter Verwenden von Dünnschichtabscheidungsverfahren, wie etwa Dampfabscheiden, hergestellt werden. Eine solche Fertigung vor Ort wird am häufigsten bei der Zellenbeutelwandausführungsform verwendet, bei der die gegenüberliegenden Flächen der thermoelektrischen Elemente um nur etwa 100 oder 200 Mikrometer beabstandet sein können.
Diese thermoelektrischen Baugruppen können als steuerbare Wärmepumpen verwendet werden, um die Batterie thermisch zu regulieren. Durch Setzen solcher thermoelektrischen Baugruppen in Wärmekontakt mit Modulgehäuseflächen und Steuern der Größenordnung und Richtung des Stromflusses kann die Wärme der Batterie nach Bedarf entzogen oder zugeführt werden. Somit kann eine kalte Batterie schneller auf ihre bevorzugte Betriebstemperatur angehoben werden und eine heiße Batterie oder Batterie zu hoher Temperatur kann schneller abgekühlt werden, um ihre Temperatur in einem bevorzugten Betriebsbereich zu halten.
Da die thermoelektrischen Elemente und deren elektrische Verbindungen direkt an dem Zellenbeutel oder der Modulgehäusewand angebracht werden, können der Wärmewiderstand und die zugeordneten Temperaturgradienten, die dem Substrat zugeordnet sind, eliminiert werden. Somit dient die Modulgehäusefläche einem Doppelzweck, dem Aufnehmen der einzelnen Zellen bei gleichzeitigem Dienen als Substrat für die thermoelektrische Baugruppe und dadurch Integrieren der thermoelektrischen Baugruppe mit dem Batteriemodul.
Die selbst bei von der Auslegung her identischen Batteriezellen und Modulen entwickelte Temperatur kann schwanken. Die thermoelektrischen Elemente können auch als Temperatursensoren dienen, die die Batteriezellen- oder Modultemperatur überwachen. Daten, die während kurzer Zeiträume erfasst werden, in denen die thermoelektrischen Elemente abgeschaltet sind, können analysiert werden, um die Zellen- oder Modultemperatur zu extrahieren. Da jede Zelle oder jedes Modul mit mehreren thermoelektrischen Elementen, die auf einer Zellen- oder Moduloberfläche angeordnet sind, in Wärmekontakt steht, ist es machbar, die Temperatur in der Zelle oder dem Modul räumlich abzubilden. Daher ist es für jedes Modul, das einer solchen thermoelektrischen Abkühlung unterliegt, bevorzugt, die Betriebsbedingungen seiner thermoelektrischen Baugruppe einzeln anzupassen. Natürlich kann die Temperatur auch unter Verwendung dedizierter Temperatursensoren gemessen werden, wie etwa von Thermoelementen oder Thermistoren, die in Zellen oder Modulen eingebettet oder integriert sind.
Als Reaktion auf die gemessene Temperatur jedes Moduls kann ein Steuergerät die Polarität und Größenordnung des Stromflusses durch die thermoelektrische Baugruppe nach einem gewissen geeigneten Algorithmus anpassen, um die Modultemperatur und damit die Batteriegesamttemperatur in ihrem bevorzugten Bereich zu halten. Jedes Modul kann durch ein dediziertes Steuergerät gesteuert werden, doch im Hinblick auf die relativ kleine Anzahl an zu steuernden Einheiten kann Multiplexing genutzt werden, so dass ein einziges Steuergerät jeden Sensor abtastet und den an der thermoelektrischen Baugruppe angelegten elektrischen Strom etwa alle paar Sekunden geeignet anpasst. Eine solche häufige Anpassung der Betriebsbedingung der thermoelektrischen Vorrichtungen steht mit dem relativ langen Zeitrahmen (in der Größenordnung von Sekunden oder Zehntelsekunden) in Einklang, über dem sich eine Modultemperatur ändern kann.
Die der Batterie und ihren Bestandteilen zugeführte oder entzogene Wärme kann von dem Model übertragen und über die Dicke der thermoelektrischen Baugruppe zu der Fläche befördert werden, die nicht in Kontakt mit der Batterie steht. Diese Wärme kann durch Leiten eines Fluidmediums über die zweite Oberfläche des Substrats, das an den gegenüberliegenden Flächen der thermoelektrischen Elemente angebracht ist, durch Konvektion entzogen werden. Bevorzugt kann Luftkühlung verwendet werden, doch kann auch Flüssigkeitskühlen unter Verwenden eines geringeren Kühlmittelvolumens als bei herkömmlichen Vorgehensweisen genutzt werden, sofern das Kühlmittel elektrisch nichtleitend oder von der thermoelektrischen Baugruppe elektrisch isoliert ist.
Es kann konvektives Luftkühlen genutzt werden, insbesondere wenn die Kühlkanäle für vertikale Luftströmung ausgelegt sind, doch ist typischerweise Zwangsluftkühlung bevorzugt. Eine solche Zwangsluftkühlung kann unter Verwenden von mehreren Gebläsen erreicht werden. Bevorzugter kann aber nur ein einziges Gebläse verwendet werden. Ein solches einzelnes Gebläse kann Umgebungsluft von der Umgebung des Fahrzeugs ansaugen und es in einen Krümmer leiten, der mehrere Kanäle umfasst, die so angeordnet sind, dass sie Kühlluft über jede der thermoelektrischen Baugruppen befördern. Bevorzugt wird das Gebläse durch einen Elektromotor betrieben, so dass das Steuergerät die Gebläsemotorleistung proportional zur Batterietemperatur anpassen kann. Es wird bevorzugt, die kalten Enden der thermoelektrischen Elemente nahe der Umgebungstemperatur, bevorzugt innerhalb etwa 5°C der Umgebungstemperatur, zu halten. Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur der Fläche oder Umgebung, die ein Fahrzeug umgibt. Ein geeigneter Betriebsbereich von Umgebungslufttemperaturen kann sich von etwa –30°C bis etwa 35°C erstrecken. Geeignete Algorithmen, die auf Experimenten, Theorie oder Modellierung beruhen, können entwickelt werden, um Batterietemperatur und die erforderliche Gebläsemotordrehzahl zu korrelieren, um die erwünschte kalte Endtemperatur des thermoelektrischen Elements zu erreichen.
Bei Implementierung unter Regelung kann ein solches System für ein Fahrzeug bei Einsatz wie folgt betrieben werden:

a) Messen, wenn die Batterie einen Verbraucher versorgt, der Batterietemperatur und Vergleichen der gemessenen Batterietemperatur mit einem bevorzugten Batterietemperaturbereich; und
b) wenn die Batterietemperatur innerhalb des bevorzugten Batteriebereichs liegt, Wiederholen von Schritt a); oder
c) wenn die Batterietemperatur außerhalb des bevorzugten Bereichs liegt, Anlegen in einer geeigneten Richtung eines geeigneten Gleichstromflusses, um die Batterietemperatur so abzuwandeln, dass die Batterietemperatur in ihren bevorzugten Betriebsbereich gebracht wird, um eine kalte Batterie zu beheizen oder eine heiße Batterie zu kühlen; und
d) Wiederholen der Schritte a) bis c), solange die Batterie den Verbraucher versorgt.

Es gibt klimatische Bedingungen, bei denen die Batterietemperatur ihren bevorzugten Bereich selbst im geparkten Zustand überschreiten kann. Unter Wüstenbedingungen können sich aufgrund von hohen Sonnenexpositionen und hohen Umgebungstemperaturen übermäßige Batterietemperaturen einstellen. Bei extrem kaltem Klimazonen kann die Batterietemperatur unter ihrer bevorzugte Mindesttemperatur fallen. Unter diesen Umständen kann eine analoge Steuerstrategie befolgt werden, auch wenn die Fahrbatterie nicht im Einsatz ist.
In einer zweiten Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente und deren zugehörige elektrische Verbindungen an einzelnen Zellen angebracht werden. Die Wand des biegsamen Polymerbeutels der Zelle ist häufig von mehrschichtigem Aufbau und kann mehrere Plattenpolymere enthalten, die zu einer Verbundplatte, die weniger als 300 Mikrometer dick ist, verbunden sind. Die äußere Schicht, an der die thermoelektrischen Elemente und zugeordneten Verbindungen angebracht werden können, ist häufig elektrisch nicht leitendes Polyethylenterephthalat (PET).
Das Anbringen der thermoelektrischen Baugruppe an der Beutelwand kann unter Verwenden nur von Klebstoff erfolgen. Da PET ein Polymer niedriger Oberflächenenergie ist, kann das Erreichen einer starken Klebeverbindung vor dem Auftragen des Klebstoffs eine chemische Vorbehandlung oder Plasmavorbehandlung erfordern. Das Anbringen des gegenüberliegenden Endes der Baugruppe an einem nicht elektrisch leitenden zweiten Substrat kann analog nur unter Verwenden von Klebstoff erfolgen. Die Verwendung eines metallischen oder elektrisch leitenden Substrats erfordert das Verbinden unter Verwenden einer dünnen, elektrisch isolierenden Polymerplatte mit Klebstoff an beiden Seiten. Wiederum kann eine geeignete Wahl eine Polyimidplatte (üblicherweise als Kapton^® bekannt), mit einer Dicke von 13 oder 25 Mikrometer, mit sowohl Silikon- als auch Acrylklebstoffen bei Dicken von etwa 20 Mikrometer pro Seite sein.
Bei Beuteln ist ein zweites steifes Substrat erforderlich, um sicherzustellen, dass ein Biegen der Beutelwand nicht zu Kontakt und elektrischen Kurzschlüssen zwischen benachbarten thermoelektrischen Elementen führt. Das steife Substrat dient zum Durchsetzen einer Trennung zwischen benachbarten thermoelektrischen Elementen und Verbindungen. Dadurch werden in dem biegsamen Beutelwandsubstrat auftretende Durchbiegungen und Verlagerungen nicht auf die Elemente übertragen. Wenn eine weitere Verstärkung erforderlich ist, können die thermoelektrischen Elemente in einem geeigneten, elektrisch nicht leitenden Material wie etwa einem Epoxid verkapselt werden.
In einer dritten Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente in die Zellenwände integriert werden. Dies kann am einfachsten durch Abscheiden der thermoelektrischen Zusammensetzungen verwirklicht werden, doch können auch dünne vorgefertigte Elemente verwendet werden. Typischerweise besteht eine Zellenwand aus gestapelten Schichten von Polymerplattenmaterial, die miteinander verbunden sind. Ein geeignetes Innenpolymer, das mit dem Zellenelektrolyten in Kontakt steht, ist Polypropylen mit einer Dicke, die 100 Mikrometer nahe kommt. Auf dieses wird typischerweise Nylon, mit einer Dicke im zweistelligen Mikrometerbereich, gelegt, auf welches wiederum die vorstehend beschriebene Schicht aus PET, wiederum mit einer Dicke oder zweistelligen Mikrometerbereich, gelegt wird. Bei Integrieren in die Zellenwände werden die thermoelektrischen Vorrichtungen in Kontakt mit der Polyethylenschicht gesetzt, in geeigneter Weise elektrisch miteinander verbunden und mit den Nylon- und PET-Schichten belegt. In dieser Ausführungsform können sich die thermoelektrischen Elemente in einer Dimension erstrecken, so dass die p-n-Kombination die Form einer Rippe haben kann. Solche Rippen können geeigneterweise an anliegenden Zellen voneinander seitlich beabstandet sein, um Kanäle für das Strömen eines Kühlfluids zu bilden.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus einer detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht schematisch in Perspektivansicht mehrere Batteriemodule, die zu einer Batterie angeordnet sind. Die Batterie enthält einen Einlass, einen Auslass und (nicht sichtbare) Innendurchlässe für das Umwälzen von Fluid durch die Batterie. 1B zeigt in geschichtetem Freischnitt Batteriebeutel, die in einem Batteriemodul enthalten sind, wobei die Modulwand eine thermoelektrische Baugruppe aufweist, die aus thermoelektrischen Elementen und elektrischen Verbindungen besteht.
2A zeigt schematisch in Perspektivansicht eine thermoelektrische Baugruppe, die für die Umsetzung der Erfindung geeignet ist. In 2B ist ein Vergleichsbeispiel einer handelsüblichen thermoelektrischen Vorrichtung gezeigt.
3A veranschaulicht schematisch im Querschnitt zwei Konfigurationen einer thermoelektrischen Baugruppe, die für die Steuerung von Modultemperatur mit einem Batteriemodul in Wärmekontakt stehen. In einer Ausführungsform ist die Batteriemodulwand 56' ein formbares Polymer. In einer zweiten Ausführungsform ist die Modulwand 56 ein Metall. 3B und 3C zeigen in der Ausführungsform, in der die Modulwand ein Metall ist, Einzelheiten der Anbringung der thermoelektrischen Elemente und zugehörigen Elektroden an den Modulwänden.
4 zeigt im Querschnitt den zwischen zwei benachbarten Batteriemoduleinheiten gebildeten Kontakt, der im Wesentlichen wie in 3A gezeigt ist, mit Merkmalen zum lösbaren Anbringen der Batteriemodule aneinander und zum Integrieren einer geteilten Stromschiene zur Zufuhr elektrischen Stromes zu den thermoelektrischen Baugruppen.
5 zeigt in unvollständiger Perspektivansicht einen Beutel mit weichen Seiten, der eingebettete thermoelektrische Elemente enthält.
6 zeigt in unvollständiger Perspektivansicht zwei Beutel mit weichen Seiten mit eingebetteten thermoelektrischen Elementen, wie in 5 gezeigt, mit einem Eingriff von Fläche zu Fläche, wobei die Art und Weise gezeigt wird, in der sie in Eingriff treten, um Fluidumwälzdurchlässe zu bilden.
7 zeigt in unvollständiger Perspektivansicht eine andere Ausführungsform eines Beutels mit weichen Seiten mit eingebetteten thermoelektrischen Elementen, der integrale Fluidumwälzdurchlässe integriert.
8 zeigt ein repräsentatives Steuerschema zur Steuerung einer Batteriezellen- oder Modultemperatur.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Nutzungen nicht beschränken.
Auch wenn Hochleistungsbatterien wie etwa Li-Ionen-Batterien, die in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet werden, Umgebungstemperaturen von etwa –30°C bis etwa 40°C ausgesetzt werden, ist es bevorzugt, solche Batterien bei etwa 25°C bis etwa 35°C zu betreiben. Hohe Temperaturen sind insbesondere problematisch, da Temperaturen, die weiter über diesem Bereich liegen, die Batterielebensdauer und -leistung verringern können.
Um einen Betrieb in diesem bevorzugten Temperaturbereich sicherzustellen, enthalten die meisten solcher Hochleistungs/Hochvolt-Batterien eine gewisse Vorkehrung zum Regulieren von Batterietemperatur, vorrangig zum Kühlen der Batterie während eines Betriebs unter Bedingungen einer längeren Forderung nach hoher Leistung. Üblicherweise ist eine aktive Kühlung bevorzugt, und ein geeignetes Fluid kann durch und um die Batterie umgewälzt werden. Das Kühlmittel kann wasserbasiert sein, mit nennenswerten Konzentrationen von Zusätzen, zum Beispiel u. a. zum Verhindern oder Mindern von Korrosion und Hemmen von Algenwachstum. Da eine Hochspannungsbatterie mehrere einzelne Zellen umfassen kann und ein Volumen von mehreren Kubikfuß einnehmen kann, kann das Verteilen des Kühlfluids im gesamten Körper der Batterie ausgedehnte Strömungskanäle und ein beträchtliches Kühlmittelvolumen erfordern. Diese Anforderungen können das Gesamtvolumen des Fahrzeugs, das für das Unterbringen der Batterie vorgesehen ist, steigern und die gesamte Batteriemasse bei Betrieb beträchtlich erhöhen.
In 1 ist ein Beispiel einer Batterie 10 gezeigt. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind mehrere gestapelte und miteinander verbundene Module 12 durch einen Montagerahmen 18 befestigt. Die Batterie 10 enthält eine Vorkehrung für das Umwälzen eines Fluids, das durch einen Einlass 14 eingeleitet und an einem Auslass 16 endet. Mit einer geeigneten Abdichtung kann Fluid, das an dem Einlass 14 forciert durch eine (nicht gezeigte) Pumpe in den Modulstapel eindringt, entlang der Länge des Stapels ohne Leck verteilt werden. In ähnlicher Weise wie bei der Einlassströmung wird die Auslassströmung in dem Batterievolumen eingeschlossen und aus dem Batterieauslass 16 abgelassen. Das Umwälzen kann im geschlossenen oder offenen Regelkreis erfolgen. Bei einem geschlossenen Regelkreissystem, das typischerweise bei Flüssigkeiten verwendet wird, kann aus dem Auslass 16 abgelassenes Fluid durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher geleitet und auf Umgebungs- oder nahezu auf Umgebungstemperatur zurückgeführt werden, bevor es wiederum in den Einlass 14 gepumpt wird. Bei einem offenen Regelkreissystem, wie etwa bei Verwenden von Luft als Betriebsfluid, wird das Fluid am Auslass 16 einfach abgelassen und geeignet dispergiert.
Luftkühlung ist bevorzugt, da sie die Masse der zirkulierenden Flüssigkeit und die zusätzlichen Komponenten, die bei einem Umwälzsystem erforderlich sind, eliminiert. Der Wärmeübertragungskoeffizient (h) von Luft beträgt aber nur 1/10 oder 1/20 des eines wasserbasierten Fluids. Nach dem Fourierschen Gesetz wird die Rate des Wärmeverlusts Q . in einem Kanal, der ein strömendes Fluid enthält, erhalten durch:

• Q . = –h·AΔT Gl. 1

Somit ist die Rate des Wärmeentzugs für ein Fluid wesentlich größer als bei Luft bei ähnlicher Kühlkanalgeometrie.
Es ist aber klar, dass eine Zunahme von ΔT ein reduziertes h anheben kann. Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Hochleistungsluftkühlung zu ermöglichen, die durch eine als Wärmepumpe funktionierende thermoelektrische Baugruppe erleichtert wird. Eine solche Wärmepumpe dient zum Steigern von ΔT und ermöglicht somit ein gesteuertes Kühlen oder Beheizen von Batteriezellen und/oder Modulen unter Verwenden von Luft durch Steigern der Effizienz, mit der der Batterie Wärme entzogen werden kann.
1B zeigt in geschichtetem Freischnitt ein Modul, das eine solche thermoelektrische Baugruppe enthält. Modul 12 enthält eine Reihe von Beutelzellen 20, die so gestapelt und positioniert sind, dass sie das Innenvolumen des Modulgehäuses 19 dicht füllen. Jede der Beutelzellen 20 ist in einem biegsamen polymerbasierten Beutel 17 eingeschlossen, der an seinen Rändern 15 abgedichtet ist. Jeder der Beutel 20 enthält mindestens eine Zelle, die einen Minusstromabnehmer 21, einen Plusstromabnehmer 23 umfasst, wobei die Stromabnehmer durch einen elektrisch nicht leitenden Separator 22 getrennt und in einen (nicht gezeigten) Elektrolyten eingetaucht sind. Jeder der Stromabnehmer 21, 23 ist mit seiner jeweiligen Lasche 25, 24 verbunden, und alle der mehreren jeweiligen Laschen sind untereinander verbunden. Eine Verbindung untereinander, wie sie hier dargestellt wird, ergibt sich aus dem Anbringen jeder der einzelnen Laschen an einer gemeinsamen jeweiligen Stromschiene, Stromschienen 27 und 26, doch ist eine solche Konstruktion lediglich veranschaulichend und es können ohne Einschränkung andere Konfigurationen übernommen werden. Jede der Stromschienen 27, 26 ist wiederum mit einem entsprechenden Steckverbinder 29, 28 verbunden, der durch das Modulgehäuse 19 tritt, um einen Außenanschluss an die Zellen zu ermöglichen.
Eine Anordnung von beabstandeten elektrischen Verbindungen 32 ist in Kontakt mit der Fläche 56 des Gehäuses 19 positioniert. Thermoelektrische Elemente 42 und 44, die wechselnde thermoelektrische p-Typ-Halbleiterelemente (42) und thermoelektrische n-Typ-Halbleiterelemente (44) sein können, werden auf Verbindungen 32 positioniert, so dass eine erste Fläche jedes der thermoelektrischen Elemente mit der Verbindung in elektrischem Kontakt steht. Über den thermoelektrischen Elementen liegend und mit einer zweiten Fläche der thermoelektrischen Elemente in elektrischem Kontakt stehend befindet sich eine zweite elektrische Verbindung 34. Die Verbindungen 32 und 34 sind so angeordnet, dass sie eine Reihenschaltung aller thermoelektrischen Elemente ermöglichen und eine kontinuierliche elektrische Schaltung zwischen elektrischen Außenkontakten 54, 55 ermöglichen, wie in 2A deutlicher gezeigt ist. Die thermoelektrische Baugruppe kann an einer oder beiden von gegenüberliegenden Flächen 56 des Modulgehäuses positioniert sein und kann sich an einigen oder allen der Module 12 befinden, die eine Batterie 10 bilden, wie in 1A gezeigt ist.
2A zeigt die thermoelektrische Baugruppe von 1B in größerem Detail, wobei sie deutlich die abwechselnde Anordnung von thermoelektrischen Elementen des p-Typs und des n-Typs veranschaulicht und besser zeigt, wie die Verbindungen 32, 34 zusammenwirken, um eine Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente sicherzustellen. Schemenhaft ist ein Substrat 51 gezeigt, das mit der Oberfläche der Verbindung 34, die nicht mit den thermoelektrischen Elementen in Kontakt steht, in Kontakt steht und an dieser anhaftet. Das Substrat 51 ist optional, wenn die thermoelektrischen Elemente an einem steifen Substrat, wie etwa der Modulwand 56, montiert werden, sind aber für eine strukturelle Stabilität erforderlich, wenn die thermoelektrische Anordnung dieser Ausführungsform an ein biegsames Substrat wie etwa eine Beutelwand montiert wird.
2B veranschaulicht ein herkömmliches handelsübliches thermoelektrisches Heizelement/Kühlelement 40. Bei einer solchen Vorrichtung werden tragende Substrate 48 und 51 genutzt, wobei eines an jeder der Verbindungen 32 und 34 angebracht ist. Diese Substrate, die 0,3 bis 0,8 Millimeter dick sind, bestehen üblicherweise aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik, häufig Al₂O₃ oder AlN. Diese Keramiksubstrate bringen somit eine Wärmebarriere zwischen dem thermisch regulierten Gegenstand und den thermoelektrischen Elementen ein und verringern damit die Effizienz der thermoelektrischen Vorrichtung.
Das Leiten von Gleichstromelektrizität durch die Baugruppe induziert einen Temperaturgradienten und ermöglicht Wärmestrom, hier sowohl in 2A als auch 2B durch Pfeile 52 von einer Fläche der thermoelektrischen Elemente zu der anderen angedeutet. Somit kann durch Setzen einer Oberfläche der thermoelektrischen Baugruppe, sagen wir Oberfläche 57 (2B) des Substrats 48, in Wärmekontakt mit einem (nicht gezeigten) Körper dem Körper Wärme entzogen und zur anschließenden Übertragung zu einem geeigneten Fluidmedium und schließlich Ablassen zu der Oberfläche 50 des Substrats 51 befördert werden. Es versteht sich, dass die Richtung des Wärmestroms bei Umkehren der Richtung des Stromflusses durch Umkehren der Polarität der Verbindungen umgekehrt werden kann.
Die Größenordnung des Temperaturgradienten, die über einem thermoelektrischen Element gehalten werden kann, hängt von dem durch die Baugruppen geleiteten elektrischen Strom ab. Typischerweise kann bei einer auf einer Wismutzusammensetzung beruhenden thermoelektrischen Baugruppe eine maximale Temperaturdifferenz von bis zu etwa 80°C bei einer maximalen Stromentnahme hergestellt werden. Der beste Ausgleich zwischen Temperaturdifferenz und Wärmeentzugsrate ergibt sich aber bei einer niedrigeren Temperaturdifferenz von etwa 40°C. Wenn daher die 'kalte' Seite der thermoelektrischen Baugruppe bei dem bevorzugten Batteriebetriebstemperaturbereich zwischen 25°C und 35°C gehalten wird, liegt die heiße Seite der Baugruppe bei einer Temperatur zwischen 65°C und 75°C. Es ist aber wiederum zu beachten, dass bei herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtungen (2B) jedes der Substrate 48, 51 über seine Dicke einen Temperaturgradienten beibehalten wird. Daher wird bei dem Substrat 48 zum Beispiel die Oberfläche 57 eine höhere Temperatur aufweisen als die Oberfläche 53.
Wenn von der heißen Seite der Baugruppe auf strömende Luft Wärme zu übertragen ist, legt die erhöhte Temperaturdifferenz, die durch die thermoelektrische Wärmepumpe ermöglicht wird, durch Gleichung 1 eine Zunahme um einen Faktor von etwa 4 bis 9 der Wärmeverlustrate an die strömende Luft nahe. Diese Zunahme gleicht teilweise den niedrigeren Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten von Luft relativ zu Wasser aus und ermöglicht mit einer nur mäßigen Zunahme der Kanalfläche selbst bei leistungsstarken Batterien eine Luftkühlung. Die Verwendung solcher thermoelektrischer Wärmepumpen ist natürlich vorteilhaft, selbst wenn ein Flüssigkeitskühlen bevorzugt wird, da die durch solche Wärmepumpen ermöglichte verbesserte Effizienz auch Flüssigkeitskühlleitungen kleineren Durchmessers ermöglichen und damit die gesamte Kühlmittelmasse reduzieren würde.
3A veranschaulicht in unvollständiger Schnittansicht zwei repräsentative Konfigurationen für ein Batteriemodul, das mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe in Wärmeverbindung steht. In dem Gehäuse 62 ist ein Batteriemodul 60 (Einzelheiten nicht gezeigt) eingeschlossen. Das Gehäuse 62 ist in einem bestimmten Abschnitt mit einer Metallmodulgehäusewand 56 und in einem bestimmten Abschnitt mit einer Polymermodulgehäusewand 56' gezeigt. In manchen Batterieausführungsformen kann die Modulgehäusewand 56' ein formbares Polymer sein. Der elektrisch nichtleitende Charakter von Polymeren ermöglicht das Einbetten von thermoelektrischen Elementen 42, 44 und eines ihrer zugehörigen leitenden Kontaktfleckens 46 in der Polymermodulgehäusewand 56'. Diese Vorgehensweise vereinfacht den Einbau der thermoelektrischen Elemente und dient zum Minimieren von Wärmegradienten. Es versteht sich, dass die Batteriezellen, die das Batteriemodul 60 umfassen, in Beuteln oder ähnlichen Behältern enthalten sind, wie in 1B gezeigt ist, so dass es keine Möglichkeit einer Reaktion zwischen dem Zellenelektrolyten und einem der thermoelektrischen Elemente 42, 44 oder dem leitenden Kontaktflecken 46 gibt. In dem Abschnitt von Modul 60 mit der Polymerwand 56' sind die thermoelektrischen Elemente an ihren zweiten Flächen durch einen leitenden Kontaktflecken/leitende Kontaktflecken 46' verbunden, es wird aber kein Substrat, wie etwa 51 in 2A und 2B, genutzt.
Doch kann die Modulgehäusewand auch aus einem Metall bestehen, zum Beispiel Aluminium. Eine solche Metallgehäusewand 56 verbietet ein Einbetten der thermoelektrischen Elemente, da die Metallwand Elektrizität leitet und das ordnungsgemäße Fließen von elektrischem Strom von einem thermoelektrischen Element zu dem nächsten unterbricht. Bei diesem Umstand können die thermoelektrischen Elemente 42, 44 und ihre zugehörigen leitenden Kontaktflecken 46 unter Verwenden einer zweiseitigen klebenden Polymerfolie, die so gewählt wird, dass sie wie in 3B gezeigt gute elektrische Isolierungseigenschaften aufweist, an der Wand 56 befestigt werden. Die Folie 156, die geeigneterweise ein Polyimid sein kann, ist auf jeder Seite mit flächengleichen Klebeschichten 154, 158 beschichtet. Geeignete Klebstoffe umfassen Silikone und Acryle. Die Klebeschicht 154 verbindet die thermoelektrischen Elemente mit der Fläche der Wand 56, und die Folie 156 isoliert die Wand 56 elektrisch von den thermoelektrischen Elementen 42, 44. Daher kann die Wand 56 zusätzlich zum Halten der Beutelzellen die gleiche Funktion wie die Platte 48 erfüllen (2B). Wie in 1B gezeigt kann die thermoelektrische Baugruppe mit dem (Batterie-)Modul integriert werden, was die Notwendigkeit des separaten, eine Wärmeübertragung unterbindenden, nicht leitenden Substrats 48 eliminiert (2B). Wie gezeigt kann ein 'Substrat', das ebene Bereiche 65 und aufrechte Bereiche 67 umfasst, einen ähnlichen Zweck erfüllen wie das zweite Substrat 51 oder kann völlig oder selektiv eliminiert werden, wie in Verbindung mit der an der Wand 56' gezeigten Konfiguration gezeigt ist.
Geeigneterweise kann die Polyimidschicht von etwa 13 bis 25 Mikrometer Dicke reichen, während die Klebeschichten etwa 20 Mikrometer dick sein können. Das Eliminieren der Substrate 48, 51 dient dazu, Temperaturgradienten zu reduzieren und die Leistung der thermoelektrischen Baugruppe zu verbessern. Wenn die Modulwand elektrisch nichtleitend ist, ist nur Klebstoff erforderlich. Wiederum können Silikon- oder Acrylklebstoffe bei einer Dicke von etwa 20 Mikrometer oder dergleichen verwendet werden, doch können Polymeroberflächen niedriger Oberflächenenergie wie zum Beispiel PET, Polypropylen, thermoplastische Polyolefine (TPO) und Polyethylen eine Plasmavorbehandlung oder chemische Vorbehandlung erfordern, um ein geeignetes Anhaften zu erhalten. Der Montagerahmen 26 (1A) erleichtert neben dem Befestigen der Batteriemodule durch Ausüben von Druck ein gutes Anhaften und einen guten Wärmekontakt zwischen der thermoelektrischen Baugruppe/den thermoelektrischen Baugruppen und dem Batteriemodul/den Batteriemodulen. Ein elektrischer Gleichstrom wird zu der thermoelektrischen Baugruppe an Elektroden 54, 55 befördert, die von Wänden 62 durch Isolatoren 354, 355 geeignet isoliert sind, und fließt durch jedes der thermoelektrischen Elemente des p-Typs 42 und des n-Typs 44, was durch die elektrisch leitenden Kontaktflecken 46, 46' erleichtert wird.
Ein bei 3C gezeigtes ähnliches Schema wird genutzt, um die thermoelektrische Baugruppe an einer Oberfläche eines Gehäuseendverschlusses 64 zu befestigen, der wiederum aus Metall sein kann und als zweites Substrat für die thermoelektrische Baugruppe dient. Diese Vorgehensweise beseitigt vorteilhafterweise die Probleme der Wärmegradienten, die durch herkömmliche Keramiksubstrate erzeugt werden. Der Gehäuseendverschluss 64 kann auch eine geformte Außenfläche aufweisen, die zum Beispiel Aussparungen 65 und rippenartige Vorsprünge 67 zum Verbessern der Wärmeübertragung von dem Endverschluss 64 zu einem benachbarten Fluid umfassen, wie nachstehend näher beschrieben wird.
Durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Stroms und einer geeigneten elektrischen Spannung kann eine Temperaturdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der thermoelektrischen Elemente entwickelt werden, um eine bevorzugte Temperaturdifferenz zwischen der Fläche der Wand 56 und dem Gehäuseendverschluss 64 zu entwickeln. Somit kann Wärme aus dem Batteriemodul 60 zu einer ausgesparten Oberfläche 65 und Vorsprüngen 67 des Endverschlusses 64 befördert werden.
4 veranschaulicht im Querschnitt zwei der Batteriemoduleinheiten mit thermoelektrischen Elementen, die in 3A gezeigt sind. Der Einfachheit halber werden die Einzelheiten der Anbringung der thermoelektrischen Elemente in 4 nicht gezeigt, doch ist die Vorgehensweise mit Klebstoff oder dem klebstoffbeschichteten Isolierband, die in Verbindung mit 3 beschrieben wird, gleichermaßen auf die in 4 gezeigte Anordnung übertragbar. Die in 3 gezeigten Module wurden aber angepasst, um weitere Merkmale zu umfassen, die sie sowohl aneinander befestigen sollen als auch ein Versorgen der thermoelektrischen Elemente von Batterieeinheiten durch eine teilbare Stromschiene ermöglichen sollen. Die Endverschlüsse 64 und 64' können wiederum der Funktion des Substrats 51 von 2A und B sowie zum Herstellen einer geeigneten Geometrie für die Übertragung von Wärme von der thermoelektrischen Baugruppe auf ein Fluid dienen. Wenn die Module 60, 60', die in beabstandeter Beziehung gezeigt sind, in Kontakt gebracht werden, bilden ihre entsprechenden Endverschlüsse 64, 64' eine Reihe von Kanälen 78, die sich in die und aus der Ebene des Papiers und durch die Dicke des Moduls erstrecken. Die Kanäle 78, die durch ausgesparte Oberflächen 65, 65' und durch Vorsprünge 67, 67' begrenzt sind, sind mit der Batteriebaugruppe statt des separaten Wärmemanagementsystems, das in 1 gezeigt ist, integral. Somit kann zum Beispiel Luft entlang jedes der Kanäle 78 zum Beispiel durch ein Gebläse geleitet werden, um eine Zwangskonvektion zu ermöglichen und die zu den Endverschlüssen 64, 64' beförderte Wärme abzulassen. Es kann auch ein rückströmendes wasserbasiertes Fluid verwendet werden, doch können zusätzliche Abdichtungs- und Dichtungsmerkmale (nicht gezeigt) erforderlich sein, um sicherzustellen, dass kein Lecken von Kühlfluid auftritt. Es versteht sich, dass die Darstellung von Endverschlüssen 64, 64' veranschaulichend und nicht einschränkend ist und dass ihre Auslegung nach Bedarf abgewandelt werden kann, um eine bevorzugte Auslegung für die Kanäle 78 oder eine beliebige andere geeignete Konfiguration zu erreichen. Zum Beispiel können die Endverschlüsse 64, 64' zusätzliche nicht kontaktierende Rippen oder andere geometrische Merkmale enthalten, die eine Wirbelströmung und/oder eine effizientere Wärmeübertragung fördern sollen.
In Eingriff bringbare Merkmale 70, 72 sollen die Module 60, 60' zeitweilig aneinander befestigen, während sie bei Bedarf deren Trennen zu einem künftigen Zeitpunkt zulassen. Ein nachgiebiger Arm 70 kann bei gemeinsamen Vorbewegen der Module 60, 60' durch Eingriff einer Rampe 75 mit einer Rampe 73 eines Verriegelungsmerkmals 72 elastisch verformt und von dem Gehäuse 62 weggebogen werden. Bei fortgesetztem Vorbewegen greift das Eingriffmerkmal 75 am äußersten Ende des nachgiebigen Arms 70, gezwungen durch die gespeicherte elastische Energie des nachgiebigen Arms 70, mit einer komplementären Aussparung 74 in dem Verriegelungsmerkmal 72, was die Module aneinander befestigt. Die mit 70', 72', 73', 74' und 75' bezeichneten Merkmale ermöglichen es, die Module an einer zweiten Stelle ähnlich befestigen zu lassen, und bei Bedarf können noch weitere Verriegelungsmerkmale von ähnlicher oder anderer Auslegung enthalten sein. Diese Verriegelungseingriffmerkmale können die durch den Verriegelungsrahmen 18 (1) auferlegten Beschränkungen ersetzen oder ergänzen und weiterhin einen guten Wärmekontakt zwischen der thermoelektrischen Baugruppe und den Batteriekomponenten sicherstellen.
In 4 ist auch ein Paar von geteilten Stromschienenbaugruppen mit isolierten (Isolierung nicht gezeigt) Drahtleitern 154; 254 gezeigt, die in das Gehäuse 62 integriert sind. Jeder der Leiter Drahtleiter 154, 254 endet an einem Ende in einer Steckbuchse 155, 255, die in dem Gehäuse 62 ausgespart ist, und an seinem anderen Ende einem Leiterprofil 154', 254', das über das Gehäuse 62 hinaus ragt. Wenn die Gehäuse von 62 der Module 60, 60' kontaktieren und die Eingriffmerkmale in Eingriff treten, treten somit die abstehenden Profile 154', 254' in Eingriff mit den Stechbuchsen 155, 255, um zwischen den zwei Modulen eine durchgehende Stromschiene zu bilden. Durch die Verbindungen 54 und 54', die geeignet verbunden sind, um die thermoelektrische Baugruppe zu versorgen und das erwünschte Temperaturmanagement zu erreichen, kann elektrischer Strom zu und von den Stromschienen 154' und 254' befördert werden. Es lässt sich feststellen, dass die gezeigte Konfiguration narrensicher ausgelegt wurde, so dass es unmöglich ist, die Module unsachgemäß zusammenzubauen und die elektrische Verbindungen zu den thermoelektrischen Baugruppen umzukehren.
Die Verwendung einer Stromschiene vereinfacht die elektrischen Verbindungen zu den thermoelektrischen Baugruppen, die spezifischen Zellen/Modulen zugeordnet sind, kann aber die Möglichkeit einschränken oder beseitigen, die Kühlleistung einzelner thermoelektrischer Baugruppen zu ändern, um eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in dem Batterievolumen anzugehen. Wenn die Temperaturänderung in der Batterie übermäßig ist, kann es erforderlich sein, einzeln verdrahtete thermoelektrische Baugruppen zu nutzen, wie die in 3A gezeigte. Bei einer geringeren und systematischeren Temperaturänderung kann es aber bevorzugt sein, mehrere Module zu einer Gruppe zusammenzubauen und per Stromschiene zu verbinden und dann die Batterie aus diesen Gruppen zusammenzubauen, so dass eine Temperaturänderung von Gruppe zu Gruppe unabhängig angegangen werden kann.
Auch wenn die Anwendung der Erfindung bezüglich Batteriemodulen beschrieben wurde, die in elektrisch leitenden Metallgehäusen eingebaut sind, versteht sich, dass sie problemlos bei elektrisch nichtleitenden Modulgehäusen verwendet werden kann. Ferner ist die Erfindung bei einzelnen prismatischen weichseitigen Zellen oder Beutelzellen anwendbar, bei denen die äußerste Schicht des Beutels ein Polymer ist. Der Hauptunterschied bei diesen Situationen ist, dass die thermoelektrischen Elemente und Verbinder direkt mit der Modulwand verklebt werden können, da die Bindungsfläche des Moduls oder der Zelle elektrisch nichtleitend ist. Wenn der Beutel oder das Gehäuse eine Polymerverbindungsfläche niedriger Oberflächenenergie aufweist, wie etwa zum Beispiel PET, kann aber eine gewisse Oberflächenbehandlung, chemisch oder durch Plasma, erforderlich sein, um eine geeignet empfängliche Oberfläche für den Klebstoff zu erzeugen.
Es versteht sich, dass ein Modul oder genauer gesagt ein Modulgehäuse im Allgemeinen gegenüberliegende Flächen aufweist, die häufig von rechteckiger oder mehreckiger Form sind, die an ihren Umfängen durch einen im Wesentlichen durchgehenden schmalen Materialstreifen begrenzt sind, um ein dünnes scheibenartiges Element zu bilden, wie es in der beispielhaften Ausführungsform von 1 dargestellt ist. Modulgehäuse werden mit ihren Flächen in Kontakt positioniert, wie in 1 gezeigt ist, und daher sollte für maximales Kühlen die thermoelektrische Baugruppe im Allgemeinen flächengleich mit den Modulgehäuseflächen sein. Wie in 4 gezeigt können Module von einer oder beiden Flächen gekühlt werden. Hier weist die Fläche 80' des Moduls 60' einen zugeordneten thermoelektrischen Kühler auf, so dass das Modul 60' von zwei Seiten gekühlt werden kann. Die Fläche 80 von Modul 60 steht dagegen mit dem Modul 160 in direktem Kontakt und wird daher nur von einer Seite gekühlt. Die Fläche gegenüber Fläche 80 von Modul 160 (nicht gezeigt) könnte eine thermoelektrische Kühlung enthalten, um wie Modul 60 ein einseitiges Kühlen zu ermöglichen. Ein solches einseitiges Kühlen kann, wenn es ausreicht, um den Wärmeanforderungen der Batterie gerecht zu werden, einen Batteriezusammenbau erleichtern, da zwei Module fest angebracht werden können, was die Anzahl an Zellen- oder Moduleinheiten verringert, die gehandhabt und zusammengebaut werden müssen.
Unabhängig von der Implementierung würde die Gesamtkonfiguration der Batterie aber mehrere plattenartige Module aufweisen, die mit ihren Gehäusen in Kontakt von Fläche zu Fläche gestapelt sind, wobei mindestens ein thermoelektrisches Kühlmodul selektiv zwischen den anliegenden Flächen von zwei Modulgehäusen gesetzt sind und Vorkehrung für das Leiten eines Kühlfluids über eine Seite der thermoelektrischen Kühlbaugruppe getroffen ist.
Alternative Ausführungsformen der Erfindung, die zur Verwendung mit weichseitigen Beuteln geeignet sind, sind in 5, 6 und 7 gezeigt. Ein Wandfragment einer Zelle 300, die für thermoelektrisches Kühlen gemäß den Methoden dieser Erfindung ausgelegt ist, ist in 5 gezeigt. Wie allgemein gebräuchlich umfasst die Wand drei Polymerschichten. Eine erste Schicht, häufig aus Polypropylen, mit einer Dicke von 50 bis 100 Mikrometer, in Kontakt mit dem Elektrolyten. Diese erste Schicht ist überlagert von einer zweiten Polymerschicht, die häufig Nylon umfasst, die wiederum von einer dritten Polymerschicht, üblicherweise aus PET, überlagert ist. Die zweite und dritte Schicht sind allgemein ein paar Zehntel Mikrometer, etwa 10–30 Mikrometer, dick. Dieses herkömmliche Schema ist an die abgewandelte Beutelwandstruktur angepasst, die einen in 5 gezeigten thermoelektrischen Kühler enthält.
Die erste Polymerschicht 302, die mit dem Zellenelektrolyten in Kontakt steht, ist herkömmlich. Über die erste Polymerschicht 302 sind aber eine Reihe von diskreten beabstandeten Elektroden 310 gelegt. Die Elektroden können entweder kupfer- oder aluminiumbasiert sein und weisen im Allgemeinen eine Dicke von etwa 40 Mikrometer auf und erstrecken sich seitlich zwischen abwechselnden thermoelektrischen Elementen 316 und 318 des p-Typs und n-Typs. Die Elektroden 310 und die thermoelektrischen Elemente erstrecken sich jeweils längs im Wesentlichen über den Verlauf des Beutelmaßes, das hier als 'L' gezeigt ist. Die thermoelektrischen Elemente 316, 318 erstrecken sich auch längs entlang der Länge des Beutelmaßes 'L', weisen aber viel kleinere seitliche und vertikale Maße auf, so dass sie die Form von prismenartigen länglichen Stäben haben. Die thermoelektrischen Elemente sind in eng beabstandeten Paaren 315 angeordnet. Diese Paare sind bei einem Abstand beabstandet, der mit dem seitlichen Verlauf 'd' des Paars thermoelektrischer Elemente vergleichbar ist. Über die Elektroden 310 und um die thermoelektrischen Elemente ist eine Schicht aus elektrisch und thermisch isolierendem Schaumstoff 314 gelegt. Der Schaumstoff kann so geformt sein, dass er diesem Schaumstoffbereich, der mit den Außenflächen 317, 319 der Elemente in Kontakt steht, eine zulaufende oder geneigte Wand verleiht.
Eine Elektrode 312 überbrückt den Spalt zwischen den Elementen 316, 318 eines Elementpaars 315 und ist auf isolierendem Schaumstoff 314 gelagert. Damit ermöglicht die Kombination aus Elektrode 310, thermoelektrischen Elementen 316, 318 und Elektrode 312 ein kontinuierliches Einrichten eines elektrischen Schaltkreises, wobei wie zuvor ein Temperaturgradient zwischen den Enden der thermoelektrischen Vorrichtungen vorliegt. Wie bei einer herkömmlichen Beutelwand ist diese Struktur von zwei dünnen Polymerschichten 304, 306 überlagert, die eine Beutelwandgeometrie erzeugen, die aus parallelen abwechselnden gratartigen 322 und talartigen 324 Merkmalen besteht. Entlang der Länge der thermoelektrischen Strukturen kann wie durch Strömungspfeil 320 angedeutet ein Kühlfluid geleitet und gelenkt werden.
Bei Betrieb können Beutel in ein Modulgehäuse, etwas durch die Modulgehäusewände beschränkt und in engem Kontakt mit anderen Beuteln in dem Gehäuse, gesetzt werden. Im Gegensatz zu Modulgehäusen, die Verriegelungs- und Ausrichtungseigenschaften wie die vorstehend beschriebenen enthalten können, fehlen Weichwandbeuteln im Allgemeinen Fixierungs- oder Positionierungsmerkmale. Die ”gerippte” Struktur der in 5 gezeigten Beutelwände sieht aber die Möglichkeit für einen mechanischen Eingriff zwischen anliegenden Beuteln vor. Dies kann genutzt werden, um die Beutel in einer kompakten Anordnung zu positionieren, was immer noch wie in 6 gezeigt ein freies Strömen von Kühlfluid ermöglicht.
6 zeigt Teile von zwei kontaktierenden Beutelwänden, die so positioniert sind, dass der Grat 322' eines zweiten Beutels 300' (der Deutlichkeit halber schematisch gezeigt) mit dem Tal 324 des ersten Beutels 300 greift. Die jeweiligen Formen und Maße des Grats und Tals werden so gewählt, dass es zu keinem vollständigen Eingriff kommt, was einen Spalt 'h” zwischen der Spitze des Grats und dem Boden des Tals belässt. Dieser Spalt ermöglicht es der Kühlfluidströmung 320, die Wände der Beutel 300 und 300' zu erreichen. Die Kühlströmung 320 kann somit von den Enden der thermoelektrischen Elemente, die mit der ersten Polymerschicht der Zellwand in Kontakt stehen, transportierte Wärme zu dem den Grat bildenden Ende abführen.
In 7 ist eine abgeleitete Beutelwandstruktur gezeigt. Wie zuvor ist ein Paar 315 von thermoelektrischen Elementen 316, 318, die im Wesentlichen in einem geformten, elektrisch und thermisch isolierenden Schaumstoff 314 eingeschlossen sind, mit einem Ende in Kontakt mit beabstandeten Elektroden 310 positioniert, die an der ersten Polymerschicht 302 positioniert sind. Die zweiten Enden der thermoelektrischen Elemente stehen aber mit einem rechteckigen Schlauch 326 in Kontakt. Der rechteckige Schlauch 326 ist elektrisch leitend und komplettiert den in Betrieb befindlichen elektrischen Schaltkreis für die thermoelektrische Vorrichtung und lenkt auch Fluid, das als Strömung 320' gezeigt ist, direkt an dem zweiten Ende der thermoelektrischen Elemente vorbei. Durch Festlegen des Außenmaßes des Schlauchs 326, das als 'a' gezeigt ist, gleich der Breite der Aussparung 324, die gleichfalls als 'a' gezeigt ist, können zwei Beutel eng zusammenpassen und außer durch die Schläuche 326 eine Fluidströmung ausschließen. Wie zuvor sind diese Elemente von zwei Polymerbeschichtungen überlagert, die hier als zusammengesetzte Beschichtung 304/306 gezeigt sind. In diesem Beispiel ist der geformte isolierende Schaumstoff 314 allgemeiner verteilt als in dem vorherigen Beispiel. Insbesondere erstreckt sich der Schaumstoff in ebene Aussparungen 324, wo er nachgiebig eine geringfügige maßliche Schwankung von Beutel zu Beutel ausgleichen und einen Eingriff von Beutel zu Beutel erleichtern kann, um eine kompakte Baugruppe zu bilden.
In 8 ist ein Schema zum Steuern der Temperatur einer Hochvolt/Hochstrom-Batterie gezeigt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Batterie eine Fahrbatterie 100 zum Antreiben mindestens eines Elektromotors in einem Fahrzeug, und das Steuergerät 110 befindet sich an Bord des Fahrzeugs. Die Fahrbatterie 100 steht mit mehreren thermoelektrischen Baugruppen 124 in Wärmeverbindung und kann von diesen gekühlt werden. Das Steuergerät 110 nimmt mehrere Eingaben auf, welche folgendes umfassen können: die Fahrbatterietemperatur von einem Sensor 104; die Stromentnahme von der Fahrbatterie von einem Amperemeter 102; und den elektrischen Strom, gemessen mit dem Amperemeter 112, der die mehreren thermoelektrischen Baugruppen 124 antreibt. Die Sensoren können jeder Sensor sein, der zum Messen des interessierenden Parameters und Darstellen der Messung als elektrisches Signal geeignet ist, das von dem Steuergerät 110 interpretiert werden kann. Zum Beispiel können geeignete Temperatursensoren u. a. Thermoelemente, Thermistoren oder Platin-Widerstandsthermometer umfassen.
Alternativ können die thermoelektrischen Vorrichtungen selbst als Temperatursensoren dienen. Thermoelektrische Vorrichtungen können als Thermoelement arbeiten. Der Spannungsabfall über einem thermoelektrischen Element, wenn dieses von einem externen Strom angetrieben wird, umfasst sowohl eine ohmsche Verteilung (Verteilung durch Widerstandsheizen) als auch eine Peltier-Verteilung (Verteilung durch thermoelektrisches Koppeln/Heizen). Durch Abschalten der externen Leistung lässt sich der reine Peltier-Beitrag aufzeichnen. Aufgrund des Temperaturgradienten in dem thermoelektrischen Element fällt die Peltier-Spannung mit der Zeit ab. Die relevante Peltier-Spannung ist die Spannung zum Zeitpunkt, da das thermoelektrische Element von der externen Energiequelle getrennt wurde. Dies kann durch Extrapolation ermittelt werden.
Die Peltier-Spannung ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen den kalten und beheizten Enden des thermoelektrischen Elements. Bei dem thermoelektrischen Element, das dem Kühllufteinlass am nächsten ist, hat das kalte Ende des Elements im Wesentlichen Umgebungstemperatur, und daher kann durch Kennen der Umgebungslufttemperatur die Batterietemperatur geschätzt werden. Bei Bedarf kann auch die Temperatur der Kühlluft stromabwärts des Einlasses unter Verwenden eines stromabwärts befindlichen thermoelektrischen Elements geschätzt werden. Eine Temperaturdifferenz kann wiederum geschätzt werden, doch hier hat die Kühlluft, die durch das Strömen über die stromaufwärts befindlichen thermoelektrischen Elemente erwärmt wird, relativ zur Umgebungstemperatur eine bestimmte erhöhte Temperatur. Durch Annehmen, dass die Batterietemperatur, die von dem thermoelektrischen Element des Einlasses geschätzt wird, konstant ist, kann aber die Kühllufttemperatur geschätzt werden. Eine überhohe Kühllufttemperatur stromabwärts des Einlasses kann eine Notwendigkeit signalisieren, die Strömung von Kühlluft zu steigern, um die Batterietemperatur innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.
Wie dargestellt wird eine Kommunikation zwischen dem Steuergerät 110 und diesen Sensoren durch verdrahtete Verbindungen 116, 118, 120 bewirkt, doch können drahtlose, optische oder andere Kommunikationsmittel ohne Verlust der Allgemeingültigkeit genutzt werden. Das Steuergerät 110 kann zumindest auf Batterietemperatur und Stromeingänge der thermoelektrischen Baugruppe ansprechen, um ein Steuersignal 114 durch den Verbinder 122 zu dem Stromeinsteller 108 zu übermitteln, um den durch die Gleichstrom-Energiequelle 106 gelieferten thermoelektrischen Strom zu steuern. Während bei vielen Fahrzeuganwendungen eine Gleichstrom-Energiequelle eine Batterie mit nominell 12 Volt sein kann, die Fahrzeugnebenaggregate antreiben soll, versteht sich, dass bei manchen Umsetzungen, einschließlich Fahrzeuganwendungen, die Fahrbatterie 100 auch als Energiequelle 106 dienen kann. Die Steuerung kann unter Verwenden eines Systemmodells oder unter Verwenden eines modellunabhängigen Steuerschemas wie etwa u. a. einer Proportionalsteuerung, einer Proportional-Integral(PI)-Steuerung oder einer Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuerung vorgenommen werden. Die Kenntnis der momentanen Stromentnahme 102 von der Fahrbatterie 100 kann einige vorausschauende Steuerstrategien ermöglichen, um die Fehlerbehebungsvorgehensweise einer PID-Steuerung und andere Steuerstrategien zu unterstützen, um ein Temperaturüberschwingen und eine Forderung nach kühlendem elektrischen Strom zu minimieren. Es wird erwartet, dass die gesamte Modellierung, sofern verwendet, und Rechenaufgaben relativ zu den vorstehenden Steueraufgaben unabhängig von der Art der Implementierung von dem Steuergerät 110 durchgeführt werden können, es können aber zusätzliche Rechenvorrichtungen nach Bedarf genutzt werden. Das Überwachen und die Steuerung können kontinuierlich durchgeführt werden oder Daten können bei typischerweise regelmäßigen Intervallen abgetastet werden, welche das Anpassen der Reaktionszeit des Steuergeräts an die erwartete Änderungsrate der Batterietemperatur ermöglichen. Typischerweise ist eine Abtastrate zwischen 1 und 5 Abtastungen pro Sekunde geeignet.
Die signifikanteste Anforderung an thermoelektrische Baugruppen 124 ist das Begrenzen der maximalen Batterietemperatur auf ihren bevorzugten Temperaturbereich, doch kann es in kalten Klimazonen auch bevorzugt sein, in das Steuergerät und die Steuerhardware der Batterie 106 eine Vorkehrung zum Umkehren der Polarität des der Fahrbatterie 100 gelieferten elektrischen Stroms aufzunehmen. Mit dieser Funktion können die Stellen der heißen und kalten Enden der thermoelektrischen Elemente umgekehrt werden, so dass das heiße Ende mit der Zelle/dem Modul in Wärmekontakt steht. Damit können kalte Batterien, etwa solche bei etwa unter –10°C, schneller auf ihre bevorzugte Betriebstemperatur erwärmt werden.
Aufgrund der Notwendigkeit, Batterieleistung zu steuern, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, erfolgt ein solches Batterietemperaturmanagement normalerweise nur, wenn das Fahrzeug betrieben wird. Es gibt aber klimatische Bedingungen, bei denen die Batterietemperatur ihren bevorzugten Bereich selbst im geparkten Zustand überschreiten kann. Zum Beispiel können in Wüsten und anderen Umgebungen mit hoher Sonnenexposition insbesondere unter hoher Umgebungstemperatur übermäßige Batterietemperaturen auftreten. In nördlichen Breitengraden, die zu extrem kaltem Klima neigen, kann die Batterietemperatur unter ihrer bevorzugte Mindesttemperatur fallen. Unter diesen Umständen kann eine analoge Steuerstrategie befolgt werden, auch wenn die Fahrbatterie nicht im Einsatz ist. Typischerweise wäre ein Batterietemperaturmanagement, das durchgeführt wird, wenn ein Fahrzeug nicht im Einsatz ist, hochkonservativ, um die dualen Ziele des Haltens eines hohen Batterieladezustands bei gleichzeitigem Halten der Batterietemperatur in einem zulässigen Bereich geeignet abzuwägen. Somit kann der Schwellenwert zum Einleiten des Batterietemperaturmanagementvorgehens merklich höher als unter Betriebsbedingungen sein.
Die vorstehenden Beschreibungen von Ausführungsformen der Erfindung sollen die Erfindung veranschaulichen und nicht den beanspruchten Schutzumfang der Erfindung beschränken.

Claims

Elektrochemische Einheit zum Zusammenbau mit gleichen Einheiten beim Herstellen einer Fahrzeugbatterie, wobei die elektrochemische Einheit umfasst: einen Beutel, der mindestens einen Satz von Elektroden und einen Elektrolyten umfasst, wobei der Beutel und sein Inhalt als zweiseitige Einheit mit gegenüberliegenden Flächen für einen Kontakt im Allgemeinen von Fläche zu Fläche beim Zusammenbau mit gleichen Beuteleinheiten geformt sind, wobei die elektrochemische Einheit während ihres Betriebs ein Heizen oder Kühlen erfordert, wobei jede Fläche des Beutels durch eine erste Schicht einer ersten Polymerzusammensetzung, die von mindestens einer zweiten Polymerschicht einer zweiten Polymerzusammensetzung überlagert ist, festgelegt ist, wobei die erste Polymerschicht in engem Kontakt mit dem Elektrolyten und mit mindestens einer Elektrode steht; wobei die elektrochemische Einheit weiterhin umfasst: mehrere beabstandete, gleich geformte, abwechselnde thermoelektrische Halbleiter-Elemente eines n-Typs und p-Typs, jedes mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Flächen, wobei die ersten Flächen von benachbarten Elementen elektrisch verbunden sind, um einen ersten Übergang zu bilden, wobei die zweiten Flächen von benachbarten Elementen elektrisch verbunden sind, um einen zweiten Übergang zu bilden, wobei die ersten und zweiten Übergänge ausgelegt sind, um eine Reihenschaltung der mehreren Elemente zu ermöglichen, wobei die Elemente und ihre zugehörigen Übergänge im Allgemeinen flächengleich mit der ersten Polymerschicht sind, von dieser gelagert werden und an dieser angebracht sind, um eine zusammengebaute thermoelektrische Vorrichtung integral mit der Beutelstruktur zu bilden, wobei die Vorrichtung durch Leiten eines elektrischen Gleichstroms aktivierbar sind, um eine kühlende oder eine heizende Fläche in Kontakt mit der Beutelfläche zu erzeugen; wobei die thermoelektrische Vorrichtung im Wesentlichen von der zweiten Polymerschicht bedeckt ist.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 1, welche weiterhin eine geformte isolierende Schicht, die einen zwischen der ersten Polymerschicht und der mindestens einen überlagernden Polymerschicht positionierten Polymerschaum umfasst, wobei die überlagernde Polymerschicht der Oberflächenform der geformten isolierenden Schicht entspricht, so dass die Beutelfläche für den Eingriff mit der Fläche einer gleichen Einheit geeignet konturiert ist, wobei die Beutelfläche so konturiert ist, dass sie mindestens einen Kanal, der über die Beutelfläche durchgehend ist, bildet, wenn zwei Beutel während des Zusammenbaus zu der Fahrzeugbatterie in Kontakt von Fläche zu Fläche gesetzt werden.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 1, bei welcher die Beutelflächen im Allgemeinen rechteckig und von Paaren von gegenüberliegenden Rändern begrenzt sind und die thermoelektrischen Einheiten längliche Rechtecke sind, die im Allgemeinen parallel zu einem ersten Paar von gegenüberliegenden Rändern liegen und eine Länge aufweisen, die ausreicht, um sich im Wesentlichen von einem ersten Rand des zweiten Paars von Rändern zu einem zweiten Ende des zweiten Paars von Rändern zu erstrecken.
Modul für den Zusammenbau mit gleichen Modulen beim Herstellen einer Fahrzeugbatterie, wobei das Modul eine Fähigkeit zum Kühlen und Beheizen des Moduls aufweist, wobei das Modul umfasst: ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse, das mindestens eine elektrochemische Einheit enthält, die einen Beutel, der Elektroden und einen Elektrolyten enthält, umfasst, wobei die elektrochemische Einheit ausgelegt ist, auf Anforderung Elektrizität aufzunehmen, zu speichern und abzugeben, wobei das Modulgehäuse als zweiseitige Einheit mit flächengleichen gegenüberliegenden Flächen für einen Kontakt im Allgemeinen von Fläche zu Fläche beim Zusammenbau mit gleichen Modulen geformt ist, wobei die Gehäuseflächen jeweils eine Dicke und eine Innen- und eine Außenfläche aufweisen, wobei die Flächen einen Umfang aufweisen, wobei die Flächen mit einem Streifen mit Rändern verbunden sind, wobei jeder Streifenrand an einem der Flächenumfänge der gegenüberliegenden Flächen angebracht ist, um das Gehäuse festzulegen; und mehrere gleich geformte, beabstandete, abwechselnde thermoelektrische Halbleiter-Elemente eines n-Typs und p-Typs mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Flächen, wobei die ersten Flächen von benachbarten Elementen elektrisch verbunden sind, um einen ersten Übergang zu bilden, wobei die zweiten Flächen von benachbarten Elementen elektrisch verbunden sind, um einen zweiten Übergang zu bilden, wobei die ersten und zweiten Übergänge ausgelegt sind, um eine elektrische Reihenschaltung der mehreren Elemente zu ermöglichen, wobei die Elemente und ihre zugehörigen Übergänge im Allgemeinen flächengleich mit einer Fläche des Gehäuses sind, von dieser gelagert werden und an dieser angebracht sind, um eine zusammengebaute thermoelektrische Vorrichtung integral mit dem Modulgehäuse zu bilden, wobei die Vorrichtung durch Leiten eines elektrischen Gleichstroms aktivierbar sind, um eine kühlende. oder eine heizende Fläche in Kontakt mit der Modulfläche zu erzeugen.
Modul nach Anspruch 4, bei welchem die thermoelektrische Vorrichtung an der Außenfläche einer Gehäusefläche unter Verwenden von Klebstoff angebracht ist oder in der Gehäusefläche eingebettet ist.
Modul nach Anspruch 5, bei welchem die ersten Übergänge der Vorrichtung komplanar mit der Innenfläche des Moduls sind und mit einer Beutelfläche in Wärmeverbindung stehen.
Modul nach Anspruch 5, bei welchem der erste Übergang der Vorrichtung mit dem Modul in Wärmeverbindung steht und der zweite Übergang mit einem strömenden Fluid in Wärmeverbindung steht.
Modul nach Anspruch 7, welches weiterhin eine Struktur umfasst, die Rippen umfasst, die an dem zweiten Übergang angebracht sind, um einen verbesserten Wärmestrom zu fördern.
Modul nach Anspruch 4, bei welchem die Flächen von anliegenden Modulen ausgelegt sind, um Durchlässe für die Strömung von Fluid über deren Flächen zu bilden, wenn die anliegenden Modulflächen in Kontakt gebracht werden, und die Module weiterhin eine elektrische Stromschiene umfassen, um Elektrizität zum Antreiben der thermoelektrischen Anordnung von einem ersten Modul zu einem anliegenden Modul zu befördern.
Batterie, welche mehrere Module nach Anspruch 9 umfasst, wobei mindestens eines der Module einen Temperatursensor umfasst, wobei die Module in einer Beziehung von Fläche zu Fläche gesichert und untereinander geeignet elektrisch verbunden sind, um bei einem vorbestimmten elektrischen Strom und einer vorbestimmten elektrischen Spannung elektrische Energie zu liefern.