AT528021A4

AT528021A4 - Batteriespeichergehäuse zur variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers und Verfahren hierzu

Info

Publication number: AT528021A4
Application number: ATA50431/2024A
Authority: AT
Inventors: Schmid Dipl -Ing Reinhard; Fürnhammer Dipl -Ing Thomas; Majovski Fabian
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-05-27
Filing date: 2024-05-27
Publication date: 2025-09-15
Also published as: WO2025245550A1; AT528021B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem ein Batteriespeichergehäuse (10) zur variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers (20) mit einem Innengehäuse (11), einer thermischen Isolationsschicht (12) und einem Außengehäuse (13). Erfindungsgemäß ist in der Isolationsschicht (12) wenigstens ein Freiraum (14) ausgebildet, der jeweils mit einer Fläche des Innengehäuses (11) und einer gegenüberliegenden Fläche des Außengehäuses (13) abschnittsweise in Kontakt stehen. Der wenigstens eine Freiraum (14) ist über einen Eingang (E) und einen Ausgang (A) medienführenden verbunden, für einen Medientransfer eines Wärmeaustauschmediums (M) durch den wenigstens einen Freiraum (14). Es werden ferner Systeme und ein Verfahren zur Umsetzung hydraulisch schaltbarer Isolationszustände vorgeschlagen.

Description

Batteriespeichers und Verfahren hierzu

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriespeichergehäuse zur variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers, ein hydraulisches Isolationssystem zur hydraulisch schaltbaren thermischen Isolation eines Batteriespeichers durch das Batteriespeichergehäuse, ein Temperierungssystem für einen Batteriespeicher mit einer hydraulisch schaltbaren thermischen Isolation durch das Batteriespeichergehäuse, sowie ein Verfahren zur Änderung einer variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers unter Verwendung des

Batteriespeichergehäuses.

Im Stand der Technik sind Konzepte für eine Kombination aus einer externen thermischen Isolation und einer internen thermischen Konditionierung von Batteriespeichern mit mehreren Batteriezellen oder Batteriemodulen durch eine Flüssigkeitskühlung bekannt, insbesondere aus dem Bereich der Elektromobilität. Der Vorteil einer Flüssigkeitskühlung (oft Wasser-Glykol Gemisch) im Vergleich zu einer Kühlung mittels Gasströmung ergibt sich, da das Produkt aus Massenstrom mit spezifischer Wärmekapazität vorteilhafte hohe Werte bei gängigen Durchströmungen aufweist und zudem die Baugröße in der Batterie minimiert werden kann. Ferner lässt sich die Wärmeabfuhr durch Regelung des zirkulierenden Massestroms an Temperaturschwankungen durch eine schwankende Leistungsdynamik in

verschiedenen Betriebszuständen leicht anpassen.

So sind verschiedene Aufbauten von Batteriespeichern mit flüssigkeitsführenden Kanälen bekannt, die einen indirekten Kontakt zwischen dem Medium und den Batteriezellen über einen oder mehreren Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit für einen Wärmeübergang bereitstellen. Zum anderen sind Aufbauten mit einer Immersionskühlung bekannt, die in einem geschlossenen Reservoir oder einem an eine Zirkulation angeschlossenen Tauchbad einen direkten Kontakt zwischen dem

Medium und den damit umspülten Batteriezellen herstellen.

Zudem ist der Einsatz einer thermischen Isolationsschicht an einer Außenseite des Batteriespeichers bekannt, die eine Innenseite und eine Außenseite desselben durch

eine geringe Wärmeleitfähigkeit passiv entkoppelt. Gerade in einem

beeinträchtigt werden kann.

In anderen Betriebssituationen hingegen, kann eine thermische Isolation des Batteriespeichers zur Unterbindung eines Wärmeaustauschs zwischen einem Batteriespeichergehäuse und der Umgebung wiederum nachteilhaft sein. Dies gilt zum einen nachteilig in Bezug auf einen höheren Bedarf an einer Kühlleistung, für die eine größere Leistungskapazität eines Temperierungssystems erforderlich ist. Zum anderen gilt dies auch nachteilig in Bezug auf eine Energieeffizienz des Temperierungssystems in verschiedenen temperaturabhängigen Betriebssituationen, was im Anwendungsfall eines Elektrofahrzeugs eine Verkürzung der Reichweite

bedeutet.

Somit gilt es bislang nach Erwägungen des Zielsystems und Anwendungsfalles des Batteriespeichers, insbesondere bei mobilen Anwendungen stets eine Entscheidung für oder gegen einen Einsatz einer äußeren, thermischen Isolationsschicht an einem Batteriespeicher zu treffen, oder die thermische Isolationsschicht entsprechend zu dimensionieren. Denn bislang sind kaum dezidierte Mittel oder Strukturen bekannt, die eine variable oder selektive Isolation in einem äußeren Bereich eines

Batteriespeichers zulassen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den genannten Nachteil aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu beheben. Ebenso besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Technik zu schaffen, die eine variable thermische Isolationseigenschaft eines Batteriespeichers ermöglicht, oder eine Herstellung

schaltbarer thermischer Isolationszustände unterstützt.

Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Batteriespeichergehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein dementsprechendes hydraulisches Isolationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 oder ein dementsprechendes Temperierungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und, unter dementsprechender Verwendung, ein Verfahren zur Änderung einer variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers mit den Schritten des Anspruchs 16.

der Beschreibung und den Zeichnungen.

Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriespeichergehäuse beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem hydraulischen Isolationssystem oder dem Temperierungssystem und diese wiederum auch im Zusammenhang mit dem Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den

einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.

Das erfindungsgemäße Batteriespeichergehäuse dient zur variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers und umfasst ein Innengehäuse, das eine Mehrzahl von Batteriezellenumschließt; und eine thermische Isolationsschicht, die das Innengehäuse zumindest abschnittsweise umschließt. Erfindungsgemäß umschließt ein Außengehäuse das Innengehäuse und die Isolationsschicht, wobei das Innengehäuse und das Außengehäuse jeweils aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sind. In der Isolationsschicht ist wenigstens ein Freiraum ausgebildet, und der wenigstens eine Freiraum steht mit einer Fläche des Innengehäuses und einer gegenüberliegenden Fläche des Außengehäuses abschnittsweise in Kontakt. Zudem ist der wenigstens eine Freiraum mit einem Eingang und mit einem Ausgang zu einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses medienführend verbunden, und der wenigstens eine Freiraum ist mittels des Eingangs und des Ausgangs mit einem Wärmeaustauschmedium befüllbar und

entleerbar ausgestaltet.

Darauf aufbauend dient das hydraulische Isolationssystem zur hydraulisch schaltbaren thermischen Isolation des Batteriespeichers. Hierzu umfasst das hydraulische Isolationssystem zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Batteriespeichergehäuse eine Hydraulikschaltung zum Medientransfer eines Wärmeaustauschmediums zu und aus dem Batteriespeichergehäuse, für eine hydraulische Erzeugung von Isolationszuständen. Die Hydraulikschaltung umfasst medienführenden Leitungen, die mit dem Eingang und dem Ausgang des wenigstens einen Transferkanals und/oder des wenigsten einen Freiraums in dem Batteriespeichergehäuse kommunizierend verbunden sind; einen Ausgleichsbehälter zur Speicherung eines Volumens des Wärmeaustauschmediums; eine Pumpe zur Förderung des Wärmeaustauschmediums zwischen dem Ausgleichsbehälter und

Alternativ dient darauf aufbauend ein Temperierungssystem für den Batteriespeicher zur hydraulisch schaltbaren thermischen Isolation des Batteriespeichers. Hierzu umfasst das Temperierungssystem zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Batteriespeichergehäuse einen Temperierungskreislauf, zur Temperierung von Batteriezellen durch eine Zirkulation eines Wärmeaustauschmediums, und eine Hydraulikschaltung zum Medientransfer des Wärmeaustauschmediums zu und aus dem Transferkanal und/oder dem wenigsten einen Freiraum in dem Batteriespeichergehäuse, für eine hydraulische Erzeugung von Isolationszuständen. Der Temperierungskreislauf umfasst medienführenden Leitungen, die mit einem Eingang und einem Ausgang des wenigstens einen Temperierungskanals in dem Batteriespeichergehäuse kommunizierend verbunden sind; wenigstens einen Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeaustauschmedium und einer Atmosphäre einer Systemumgebung; und eine Temperierungspumpe zur Zirkulation des Wärmeaustauschmediums in dem Temperierungskreislauf. Die Hydraulikschaltung umfasst medienführenden Leitungen, die mit dem Eingang und dem Ausgang des wenigstens einen Transferkanals und/oder des wenigsten einen Freiraums in dem Batteriespeichergehäuse kommunizierend verbunden sind; einen Ausgleichsbehälter zur Speicherung eines Volumens des Wärmeaustauschmediums; und wenigstens ein Ventil, das zwischen dem Batteriespeichergehäuse und dem Ausgleichsbehälter und/oder zwischen dem Batteriespeichergehäuse und der Temperierungspumpe angeordnet ist, zum Schalten zwischen Medientransfers des Wärmeaustauschmediums zur Befüllung, Entleerung und/oder Durchströmung des wenigstens einen Freiraums in dem Batteriespeichergehäuse. Der Temperierungskreislauf und die Hydraulikschaltung sind kommunizierend

miteinander verbunden.

Gleichermaßen dient ein Verfahren zur Änderung einer variablen thermischen

Isolation eines Batteriespeichers unter Verwendung des erfindungsgemäßen

Batteriespeichergehäuses. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Befüllen oder Durchströmen des wenigstens einen Freiraums in dem Batteriespeichergehäuse mit einem Wärmeaustauschmedium über den Eingang oder über den Eingang und den Ausgang mittels einer Hydraulikschaltung, zur Herstellung eines thermischen Isolationszustands mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses, und

- Entleeren des Wärmeaustauschmediums aus dem wenigstens einen Freiraum in dem Batteriespeichergehäuse über den Ausgang mittels der Hydraulikschaltung, zur Herstellung eines thermischen Isolationszustands mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses.

Nach Definition der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff Batteriespeicher insbesondere modular aufgebaute Batteriespeicher wie eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, die mehrere Batteriemodule mit Batteriezellen aufweist. Der Begriff Batteriespeicher umfasst jedoch auch Batteriespeicher die Batteriezellen ohne eine modulare Zwischenstruktur enthalten, oder auch Batteriespeicher, die selbst ein

Batteriemodul in einem modularen Batteriespeicher bilden.

Die Erfindung sieht erstmals einen flüssig befüllbaren Aufbau mit einem Freiraum oder mehreren verbundenen kammerartigen Freiräumen in einem isolierten Gehäusemantel für eine beeinflussbare, lokale Isolationseigenschaft an einem Batteriespeicher gegen äußere thermische Einflüsse vor.

Als ein großer Vorteil der Erfindung, ist im Vergleich zu einer permanent konstanten thermischen Isolationseigenschaft wie beispielsweise bei einer kontinuierlichen Hartschaumschicht, dass eine variable Isolation zeitweise herstellbar ist. Diese ermöglicht wiederum in Kombination mit einer darauf aufbauenden Technik, eine Selektion von Isolationszuständen, die vorzugsweise situationsbezogen steuerbar

sind.

Diese Eigenschaft wird in der technischen Umsetzung dadurch erzielt, dass eine

Isolationsschicht in einem Mantelabschnitt des Batteriespeichergehäuses

abschnittsweise durch eine Wärmeleitfähigkeit eines flüssigen

Wärmeaustauschmediums lokal überbrückt wird. Wenn das

Wärmeaustauschmedium wieder entfernt wird, wirkt ein entleertes Volumen, also ein

ersatzweises Gasvolumen aus Luft an derselben Stelle thermisch isolierend.

Vorteilhafterweise verschafft die Erfindung also einen variable Wärmeübergang zwischen den Batteriezellen und der Umgebung, der basierend auf einer Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen kammerartigen Aufbaus in dem Batteriespeichergehäuse beeinflussbar ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit über einen Befüllungszustand von Freiräumen einstellbar ist.

Als ein weiterer Vorteil sind ein lokaler Schwerpunkt, d.h. eine Begrenzung oder Verlauf, sowie eine gesamte Dimensionierung, d.h. eine maximale Wärmeaustauschleistung, des beschriebenen variablen Wärmeübergangs durch das Batteriespeichergehäuse hindurch je nach einer gewählten Anordnung und Flächenerstreckung des erfindungsgemäßen kammerartigen Aufbaus in einem Gehäusemantel wählbar. So sind diese Eigenschaften entweder über das Gehäusedesign vorgebbar oder aber auch technisch darauf aufbauend, noch während des Betriebs durch eine flächenbezogene, gezielte Befüllung von Freiräumen mittels weiterführender hydraulischer Mittel wie Kanäle und Aktorik einstellbar sein.

Globaler betrachtet, kann ein flächennormierter Maximalwert der Wärmeleitfähigkeit über eine Anzahl und Größe der befüllbaren Freiräume in der Isolationsschicht, also eine flächenbezogene Dichte einer solchen Kammerstruktur, ausgelegt werden. Diese Eigenschaft besteht bemerkenswerterweise trotz des Vorhandenseins einer Isolationsschicht, die für eine effektive Isolation sorgt, und deren Isolationseigenschaft durch die genannte Kammerstruktur, aufgrund des ebenfalls isolierenden Effektes von Luftpolstern in dem unbefüllten Zustand der Freiräume,

kaum beeinträchtig wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in der Isolationsschicht eine Mehrzahl von kammerartigen Freiräumen ausgebildet sein, und die kammerartigen Freiräume können jeweils mit einer Fläche des Innengehäuses und einer gegenüberliegenden Fläche des Außengehäuses abschnittsweise in Kontakt stehen. Dabei sind die Freiräume durch wenigstens einen medienführenden Transferkanal verbunden, für einen Medientransfer des Wärmeaustauschmediums durch die Freiräume, und der

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Massenträgheit des Flüssigkeitsvolumens entgegenwirken.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann sich die Mehrzahl von Freiräumen in der Isolationsschicht über wenigstens zwei verschieden ausgerichtete Flächenabschnitte des Innengehäuses und/oder des Außengehäuses erstrecken. Somit kann in einem Zustand, in dem der schaltbare Isolationszustand deaktiviert ist, ein aktive Fläche für den Wärmeübergang zwischen den Batteriezellen und der Umgebung vergrößert oder maximiert werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann wenigstens ein medienführender Temperierungskanal durch das Innengehäuse führen und vorzugsweise in einem thermischen Kontakt mit den Batteriezellen stehen, für eine Zirkulation des Wärmeaustauschmediums zur Temperierung der Batteriezellen. In diesem Zusammenhang kann ein Temperierungsmedium zugleich als das Wärmeaustauschmedium in den Freiräumen genutzt werden. Darüber hinaus ist eine Kombination mit einem separaten, herkömmlichen Temperierungssystem ebenfalls denkbar.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Leitungen der Hydraulikschaltung den Transferkanal und/oder den wenigsten einen Freiraum in dem Batteriespeichergehäuse, den Ausgleichsbehälter und die Pumpe zu einem Kreislauf verbinden, für einen zirkulierenden Medientransfer in der Hydraulikschaltung. Somit wird eine hydraulische Variante für einen unidirektionalen Transfer des Wärmeaustauschmediums durch die Freiräume von einem Eingangsanschluss zu

Hydraulikschaltung geschaffen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Leitungen der Hydraulikschaltung den Transferkanal und/oder den wenigsten einen Freiraum in dem Batteriespeichergehäuse und den Ausgleichsbehälter jeweils zu einer Seite der Pumpe in einer Strecke verbinden, für einen bidirektionalen Medientransfer in der Hydraulikschaltung. Somit wird eine alternative, später nicht weiter im Einzelnen diskutierte, hydraulische Variante ermöglicht, in der ein bidirektionaler Transfer des Wärmeaustauschmediums durch die Freiräume über einen gemeinsamen Eingangs/Ausgangsanschluss des Transferkanals in Verbindung mit der Hydraulikschaltung

erfolgt. Hierzu sind weitere Mittel zur Be- und Entlüftung der Freiräume erforderlich.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Ventil wenigstens ein schaltbares Ventil zur Selektion zwischen hydraulischen Zuständen der thermischen Isolation umfassen, das mit dem Transferkanal und/oder dem wenigsten einen Freiraum in dem Batteriespeichergehäuse kommunizierend verbunden ist, wobei eine SchlieRposition des wenigstens einen schaltbaren Ventils ein Füllungsvolumen des Wärmeaustauschmediums in dem wenigstens einen Freiraum absperrt, und eine Öffnungsposition des wenigstens einen schaltbaren Ventils eine Entleerung des Wärmeaustauschmediums aus dem wenigstens einen Freiraum freigibt. Somit werden Mittel zur schaltungstechnische Unterstützung bei der Einleitung und Aufrechterhaltung von hydraulischen Vorgängen bei der Herstellung thermischer

Isolationszustände in dem Batteriespeichergehäuse bereitgestellt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Ventil wenigstens ein Rückschlagventil umfassen, wobei eine Öffnungsrichtung desselben eine Richtungsvorgabe in einem Medientransfer des Wärmeaustauschmediums und/oder eine Sperrrichtung einer Aufrechterhaltung eines Rückstaus des Wärmeaustauschmediums bewirkt. Somit werden weitere Mittel zur schaltungstechnischen Unterstützung bei der Einleitung und Aufrechterhaltung von hydraulischen Vorgängen bei der Herstellung thermischer Isolationszustände in dem

Batteriespeichergehäuse bereitgestellt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die in dem Temperierungssystem integrierte Hydraulikschaltung zusätzlich eine eigene Pumpe zur unabhängigen Förderung des Wärmeaustauschmediums zwischen dem Ausgleichsbehälter und

unabhängig von einem Betrieb des Temperierungssystems realisiert werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine in dem Temperierungskreislauf angeordnete Heizvorrichtung zur elektrischen Beheizung des Wärmeaustauschmediums vorgesehen sein. Somit kann insbesondere zu Beginn eines Betriebs sowie bei niedrigen Außentemperaturen aktiv zugeheizt werden und

eine Zielwerttemperatur schneller erreicht werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine in dem Temperierungskreislauf angeordnete Kältemaschine zur thermodynamischen Kühlung des Wärmeaustauschmediums vorgesehen sein. Somit kann bei hoher Leistung und hoher Außentemperatur aktiv gekühlt werden, um eine Zielwerttemperatur schneller

oder überhaupt zu erreichen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein an einer Außenseite des Batteriespeichers oder in einer Systemumgebung angeordneter Temperatursensor zur Erfassung einer Außentemperatur vorgesehen sein. Somit wird eine Steuerung

für die Isolationszustände durch im System erzeugte Messwerte unterstützt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein in dem Batteriespeicher angeordneter Temperatursensor zur Erfassung einer Batterietemperatur vorgesehen sein. Auch dieser Sensor unterstützt durch im System erzeugte Messwerte eine Steuerung für

die Isolationszustände.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale und Ausführungsformen jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination

erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Abschnittes eines Batteriespeichergehäuses mit hydraulisch variabler Isolation durch einen kammerartigen Aufbau in

einem Gehäusemantel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

integrierten Hydraulikschaltung für das Batteriespeichergehäuse, und

Fig. 3 ein Blockschaltdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Kombination aus einem Temperierungssystem und einem funktional unabhängigen hydraulischen Isolationssystem mit einer

Hydraulikschaltung für das Batteriespeichergehäuse.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gehäusemantel eines mehrteiligen Batteriespeichergehäuses 10 eines Batteriespeichers 20, das aus einem Innengehäuse 11, einem Außengehäuse 13 und einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht 12, welche zur thermischen Entkoppelung zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses 10 dient, besteht. Das äußere Gehäuse 13 umschließt im Wesentlichen vollständig die Isolationsschicht 12 und das Innengehäuse 11, wobei die Isolationsschicht 12 zumindest abschnittsweise das Innengehäuse 11 umschließt. Das Innengehäuse 11 und das Außengehäuse 13 sind aus einem Werkstoff mit gehobener Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise einem metallischen oder keramischen Werkstoff oder einem Verbundwerkstoff gefertigt. Die Isolationsschicht 12 besteht beispielsweise aus einem polymerbasierten Hartschaum mit einer gashaltigen Porenstruktur und niedriger Wärmeleitfähigkeit. Somit entsteht für den Gehäusemantel eine Sandwichstruktur, die zu einer Innenseite und einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses 10 eine thermisch leitfähige Struktur und Oberfläche

bereitstellt, sowie im Kern eine thermische Isolation aufweist.

In der rechts dargestellten Abbildung ist eine beispielgebende, medienführende Kanalstruktur eines Temperierungskanals 16 gezeigt, die durch einen Bodenabschnitt des Innengehäuses 16 führt, um die darin aufgenommenen Batteriezellen 22 des Batteriespeichers 20 zu temperieren. Alternativ kann sich eine Kanalstruktur des Temperierungskanals 16 auch durch eine Aufnahmekammer des Innengehäuses 11 hindurch direkt zu den Batteriezellen 22 erstrecken oder mit einem Immersionsvolumen im Innengehäuse 11 kommunizieren, um einen direkten thermischen Kontakt zwischen dem Wärmeaustauschmedium M und den Batteriezellen 22 herzustellen. Funktional wesentlich ist, dass der

Temperierungskanal 16, zweckmäßigerweise mit einer verzweigenden Kanalstruktur

22 mit dem Wärmeaustauschmedium M zu temperieren.

In der Isolationsschicht 12 ist eine kammerartige Struktur aus Freiräumen 14 ausgebildet. Die Freiräume 14 sind als Durchbrüche, also als Ausnehmungen über die gesamte Materialstärke der Isolationsschicht 12 hindurch ausgeformt, sodass über einen flächenbezogen Abschnitt in Bezug auf zumindest einem Teil der Außenseite des Innengehäuses 11 und zumindest einem Teil der Innenseite des Außengehäuses 13 in den Freiräumen 14 kein Material der Isolationsschicht 12 zwischen dem Innengehäuse 11 und dem Außengehäuse 13 verbleibt. Ähnlich wie die medienführende Kanalstruktur des Temperierungskanals 16 in dem Innengehäuse 11, werden auch die Freiräume 14 als medienführende Kanalstruktur oder medienführende Kammerstruktur genutzt, wobei die einzelnen Freiräume 14 zusätzlich über eine Kanalstruktur eines Transferkanals 15 medienkommunizierend miteinander verbunden sein können. Der Transferkanal 15 dient funktional zur Befüllung oder Durchströmung der Freiräume 14 mit dem Wärmeaustauschmedium M sowie zur Entleerung der Freiräume 14, wobei der Transferkanal 15 hierzu einen Eingang E und einen Ausgang A zu einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses

10 umfasst.

Alternativ kann anstelle einer Mehrzahl von Freiräumen 14, die durch den Transferkanal 15 verbunden sind, lediglich ein durchgängiger Freiraum 14 ausgebildet sein, der den Eingang E und den Ausgang A zur Außenseite des Batteriespeichergehäuses 10 umfasst oder direkt mit diesen kommunizierend

verbunden ist.

Das Wärmeaustauschmedium M ist ein flüssiges, wasser- oder ölbasiertes Medium, das eine hohe, zumindest eine höhere Wärmeleitfähigkeit und in flüssiger Phase einen besseren Wärmeübergang als das Feststoffmaterial der Isolationsschicht 12 bietet. Wenn die Freiräume 14 mit einem ausreichenden Füllvolumen des Wärmeaustauschmediums M befüllt sind, schließt das Wärmeaustauschmedium M in jedem Freiraum 14 eine thermisch leitfähige Strecke von einer Fläche des Innengehäuses 11 bis zur Fläche des Außengehäuse 13. Je nach Temperaturverhältnis oder Richtung bilden die Freiräume 14 in dem Batteriespeichergehäuse 10 demzufolge Wärmebrücken oder Kältebrücken zwischen dem Innengehäuse 11 und dem Außengehäuse 13, die jeweils in Bezug auf eine

Bei einer horizontalen Orientierung der Sandwichstruktur der Gehäusehülle wie in einem Gehäusedeckel, bewirkt ein Luftspalt, der in einem nicht befüllten obenliegenden Abschnitt des Freiraums 14 entsteht, eine Unterbrechung des Wärmeübergangs. Bei einer vertikalen Orientierung der Sandwichstruktur der Gehäusehülle wie bei einer Seitenwand, bewirkt der nicht befüllte obenliegende Abschnitt des Freiraums 14 eine proportionale Verringerung der aktiven Fläche des Wärmeübergangs. Durch eine Dimensionierung, Anordnung der kammerartigen Freiräume 14 sowie durch eine Kombination von unterschiedlich orientierten Abschnitten der Gehäusehülle mit denselben, kann eine thermische Leistung des Wärmeübergangs und ein Verhalten desselben in Bezug auf einen hydraulischen Vorgang zur Befüllung oder Durchströmung und Entleerung mit dem

Wärmeaustauschmedium M modellspezifisch ausgelegt werden.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm von dem Temperierungssystem 200 für den Batteriespeicher 20, in dem eine Hydraulikschaltung 30, als funktional

wesentliches Fragment aus dem hydraulischen Isolationssystem 100 des

Temperierungspumpe 42.

Hierbei wird aus der Zirkulation des Wärmeaustauschmediums M in dem Temperierungskreislauf 40 ein im Vergleich zum Gesamtstrom der Temperierung eher geringer Teilstrom für hydraulische Zwecke abgezweigt. Ein mittels Steuerung schaltbares Wegeventil 37 mit zwei Stellungen führt wahlweise in einer Stellung, für die zuvor beschriebenen hydraulischen Vorgänge der Isolation, den abgezweigten Teilstrom in die Hydraulikschaltung 30 und über den Transferkanal 15 durch die Freiräume 14. Somit sind die Freiräume 14 vollständig befüllt und durchströmt und

die hydraulisch schaltbare Isolationseigenschaft ist deaktiviert.

In der anderen Stellung führt das Wegeventil 37 wahlweise den abgezweigten Teilstrom über einen Bypass an dem Batteriespeichergehäuse 10 vorbei in den Ausgleichbehälter 31 und zurück zur Temperierungspumpe 42. Ohne Zufuhr des Wärmeaustauschmediums M seitens der Temperierungspumpe 42 stromaufwärts in den Transferkanal 15, fliest eine gegebenenfalls vorhandene Befüllung der Freiräume 14 mit Wärmeaustauschmedium M in den Ausgleichbehälter 31 ab. Somit sind die Freiräume 14 entleert und die hydraulisch schaltbare Isolationseigenschaft

ist aktiviert.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform mit zwei miteinander verbundenen medienführenden Systemen, einem hydraulischen Isolationssystem 100 für das Batteriespeichergehäuse 10 aus Fig. 1 und einem Temperierungssystem 200 für den Batteriespeicher 20. Das Batteriespeichergehäuse 10, das in Fig. 1 in einem Querschnitt dargestellt ist, ist in den Fig. 2 und 3 in einem Längsschnitt dargestellt. Das Isolationssystem 100 und das Temperierungssystem 200 sind medienkommunizierend miteinander verbunden, d.h. sie werden mit demselben Wärmeaustauschmedium M gemeinsam betrieben, jedoch können beide Systeme über eigene Pumpen, d.h. eine Pumpe 32 und eine Temperierungspumpe 42, funktional unabhängig voneinander angetrieben werden.

Dabei kommt das hydraulische Isolationssystem 100 mit wesentlich geringeren

Volumina und einer erheblich geringeren Fördermenge als das

Temperierungssystem 200 aus.

Das Temperierungssystem 200 entspricht weitgehend einem bekannten Kühlkreislauf für eine Batterie. Das Wärmeaustauschmedium M zirkuliert unter einem Förderdruck der Temperierungspumpe 42 in einem Temperierungskreislauf 40 durch den Temperierungskanal 16 des Batteriespeichergehäuses 10 und durch einen Umgebungs-Wärmetauscher 41. Je nach thermischer Gesamtsituation im Hinblick auf eine Temperatur in dem Batteriespeicher 22 und einer Außentemperatur, kann der Wärmetauscher 41 mittels eines schaltbaren Wegeventils 45 auch über einen Bypass umgangen werden. Ferner sind in dem Temperierungskreislauf 40 eine Heizvorrichtung 43 und eine Kältemaschine 44 angeordnet. Durch diese kann das Wärmeaustauschmedium M zusätzlich aktiv beheizt oder gekühlt werden, falls das für eine korrekte Temperierung der Batteriezellen 22 erforderlich wird. Eine Regelung des Temperierungssystems 200 erfolgt ausschließlich oder überwiegend in Abhängigkeit einer Aufrechterhaltung eines Zielbereichs der Betriebstemperatur der Batteriezellen 22 im Batteriespeicher 20, um eine hohe Leistungsfähigkeit zur Leistungsaufnahme und Abgabe sowie eine geringe Alterung und eine lange Lebensdauer sicherzustellen.

Das hydraulische Isolationssystem 100 ist an einen Eingang und einen Ausgang des Transferkanals 15 in dem Batteriespeichergehäuse 10 angeschlossen. Das Wärmeaustauschmedium M zirkuliert unter dem Förderdruck der Pumpe 32 in einer Hydraulikschaltung 30, die in dieser Ausführungsform als Kreislauf konfiguriert ist, durch den Transferkanal 15 und die Freiräume 14 in dem Batteriespeichergehäuse 10 und durch einen Ausgleichsbehälter 31. Die Rückschlagventile 34, 35 und 36 geben dabei eine Richtung der Zirkulation von der Pumpe 32 zu dem Transferkanal 15 vor. Der Transferkanal 15 umfasst eine in dem gezeigten Längsschnitt des Batteriespeichergehäuses 10 nicht weiter dargestellte verzweigte Kanalstruktur, die sämtliche Freiräume 14 miteinander verbindet. Insbesondere steht die Kanalstruktur des Transferkanals 15 sowohl von einer Seite stromaufwärts in Bezug auf die Zirkulationsrichtung der Pumpe 32 als auch von einer Seite stromabwärts mit jedem Freiraum 14 in Verbindung. Auf der Seite stromabwärts führt der Transferkanal 15 über ein schaltbares Ventil 33 zu einem Ausgleichbehälter 31. Das Ventil 33 kann

durch ein Stellglied von einer Steuerung betätigt werden.

vorgesehen sein.

In einer geöffneten Position des Ventils 33 fließt das Wärmeaustauschmedium M aus den Freiräumen14 in den Ausgleichbehälter 31 ab. Solange die Pumpe 32 weiterhin eine Zirkulation zuführt, werden die Freiräume 14 unter Beaufschlagung des Förderdrucks durchströmt. Somit kann eine vollständige Befüllung aller Freiräume 14 und somit auch ein unterbrechungsfreier Wärmeübergang ohne Luftspalt, selbst in einer horizontalen Orientierung der Sandwichstruktur der Gehäusehülle wie in dem Gehäusedeckel sichergestellt werden. In diesem Zustand weist das Batteriespeichergehäuse 10 die höchste Wärmeleitfähigkeit auf, d.h. die hydraulisch

schaltbare thermische Isolationseigenschaft ist deaktiviert.

Wenn die Pumpe 32 nicht weiter fördert, fließt die Befüllung des Wärmeaustauschmediums M aus den Freiräumen über das geöffnete Ventil 33 ab und sammelt sich in dem Ausgleichbehälter 31. Nachdem die Freiräume 14 entleert sind und sich ersatzweise mit Luft gefüllt haben, sind die Wärmeübergänge durch die Freiräume 14 durch Luftpolster aufgehoben. In diesem Zustand weist das Batteriespeichergehäuse 10 die geringste Wärmeleitfähigkeit auf, d.h. die

hydraulisch schaltbare thermische Isolationseigenschaft ist aktiviert.

Alternativ kann in den Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 anstelle der Mehrzahl von kammerartigen Freiräumen 14 und dem Transferkanal 15 lediglich ein einziger und ggf. entsprechend größerer Freiraum 14 in dem Batteriespeichergehäuse 10 ausgebildet sein, der über den Eingang E und den Ausgang A befüllt und entleert

oder durchströmt wird.

Zustände in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit hervorruft.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu

verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Batteriespeichergehäuse 11 Innengehäuse

12 Isolationsschicht

13 Außengehäuse

14 Freiräume

15 Transferkanal

16 Temperierungskanal 20 Batteriespeicher

22 Batteriezellen

30 Hydraulikschaltung 31 Ausgleichsbehälter 32 Pumpe

33 schaltbares Ventil

17 34 Rückschlagventil 35 Rückschlagventil 36 Rückschlagventil 37 Wegeventil mit zwei Schaltzuständen 40 Temperierungskreislauf 41 Wärmetauscher 42 Temperierungspumpe 43 Heizvorrichtung 44 Kältemaschine 45 Wegeventil mit zwei Schaltzuständen 100 hydraulisches Isolationssystem 200 Temperierungssystem E Eingang E Ausgang M Wärmeaustauschmedium

Claims

Patentansprüche

1. Batteriespeichergehäuse (10) zur variablen thermischen Isolation eines

Batteriespeichers (20), aufweisend:

ein Innengehäuse (11), das eine Mehrzahl von Batteriezellen (22) umschlieRt; und

eine thermische Isolationsschicht (12), die das Innengehäuse (11) zumindest

abschnittsweise umschließt; dadurch gekennzeichnet, dass

ein Außengehäuse (13) das Innengehäuse (11) und die Isolationsschicht (12) umschließt, wobei das Innengehäuse (11) und das Außengehäuse (13) jeweils

aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sind; wobei

in der Isolationsschicht (12) wenigstens ein Freiraum (14) ausgebildet ist, und der wenigstens eine Freiraum (14) mit einer Fläche des Innengehäuses (11) und einer gegenüberliegenden Fläche des Außengehäuses (13)

abschnittsweise in Kontakt steht; und wobei

der wenigstens eine Freiraum (14) mit einem Eingang (E) und mit einem Ausgang (A) zu einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses (10) medienführend verbunden ist, und der wenigstens eine Freiraum (14) mittels des Eingangs (E) und des Ausgangs (A) mit einem Wärmeaustauschmedium

(M) befüllbar und entleerbar ausgestaltet ist.

2. Batteriespeichergehäuse (10) nach Anspruch 1, wobei in der Isolationsschicht (12) eine Mehrzahl von kammerartigen Freiräumen (14) ausgebildet ist, und die kammerartigen Freiräume (14) jeweils mit einer Fläche des Innengehäuses (11) und einer gegenüberliegenden Fläche des Außengehäuses (13)

abschnittsweise in Kontakt stehen; und wobei

die Freiräume (14) durch wenigstens einen medienführenden Transferkanal (15) verbunden sind, für einen Medientransfer des Wärmeaustauschmediums (M) durch die Freiräume (14), und der wenigstens eine Transferkanal (15) den Eingang (E) und den Ausgang (A) zu der Außenseite des

Batteriespeichergehäuses (10) umfasst, wobei die Freiräume (14) mittels des

Wärmeaustauschmedium (M) befüllbar und entleerbar ausgestaltet sind.

3. Batteriespeichergehäuse (10) nach Anspruch 2, wobei sich die Mehrzahl von Freiräumen (14) in der Isolationsschicht (12) über wenigstens zwei verschieden ausgerichtete Flächenabschnitte des Innengehäuses (11) und/oder des

Außengehäuses (13) erstrecken.

4. Batteriespeichergehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend wenigstens einen medienführenden Temperierungskanal (16), der durch das Innengehäuse (11) führend und vorzugsweise in einem thermischen Kontakt mit den Batteriezellen (22) stehend angeordnet ist, für eine Zirkulation des

Wärmeaustauschmediums (M) zur Temperierung der Batteriezellen (22).

5. Hydraulisches Isolationssystem (100) zur hydraulisch schaltbaren thermischen

Isolation eines Batteriespeichers (20), aufweisend: das Batteriespeichergehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und

eine Hydraulikschaltung (30) zum Medientransfer eines Wärmeaustauschmediums (M) zu und aus dem Batteriespeichergehäuse (10), für eine hydraulische Erzeugung von unterschiedlichen Isolationszuständen,

mit:

medienführenden Leitungen, die mit dem Eingang (E) und dem Ausgang (A) des wenigstens einen Transferkanals (15) und/oder des wenigsten einen Freiraums (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10)

kommunizierend verbunden sind,

einem Ausgleichsbehälter (31) zur Speicherung eines Volumens des Wärmeaustauschmediums (M),

einer Pumpe (32) zur Förderung des Wärmeaustauschmediums (M) zwischen dem Ausgleichsbehälter (31) und dem Batteriespeichergehäuse (10), und

wenigstens einem Ventil (33, 34, 35, 36), das zwischen dem Batteriespeichergehäuse (10) und dem Ausgleichsbehälter (31) und/oder

zwischen dem Batteriespeichergehäuse (10) und der Pumpe 32 in der

in dem Batteriespeichergehäuse (10).

6. Hydraulisches Isolationssystem (100) nach Anspruch 5, wobei die Leitungen der Hydraulikschaltung (30) den Transferkanal (15) und/oder den wenigsten einen Freiraum (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10), den Ausgleichsbehälter (31) und die Pumpe (32) zu einem Kreislauf verbinden, für einen zirkulierenden Medientransfer in der Hydraulikschaltung (30).

7. Hydraulisches Isolationssystem (100) nach Anspruch 5, wobei die Leitungen der Hydraulikschaltung (30) den Transferkanal (15) und/oder den wenigsten einen Freiraum (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10) und den Ausgleichsbehälter (31) jeweils zu einer Seite der Pumpe (32) in einer Strecke verbinden, für einen bidirektionalen Medientransfer in der Hydraulikschaltung (30).

8. Hydraulisches Isolationssystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das wenigstens eine Ventil wenigstens ein schaltbares Ventil zur Selektion zwischen hydraulischen Zuständen der thermischen Isolation umfasst, das mit dem Transferkanal (15) und/oder dem wenigsten einen Freiraum (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10) kommunizierend verbunden ist, wobei eine Schließposition des wenigstens einen schaltbaren Ventils ein Füllungsvolumen des Wärmeaustauschmediums (M) in dem wenigstens einen Freiraum (14) absperrt, und eine Öffnungsposition des wenigstens einen schaltbaren Ventils eine Entleerung des Wärmeaustauschmediums (M) aus dem wenigstens einen

Freiraum (14) freigibt.

9. Hydraulisches Isolationssystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das wenigstens eine Ventil wenigstens ein Rückschlagventil umfasst, wobei eine Öffnungsrichtung desselben eine Richtungsvorgabe in einem Medientransfer des Wärmeaustauschmediums (M) und/oder eine Sperrrichtung einer Aufrechterhaltung eines Rückstaus des Wärmeaustauschmediums (M) bewirkt.

hydraulisch schaltbaren thermischen Isolation, aufweisend: das Batteriespeichergehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4;

einen Temperierungskreislauf (40), zur Temperierung von Batteriezellen (22) durch eine Zirkulation eines Wärmeaustauschmediums (M), mit:

medienführenden Leitungen, die mit einem Eingang und einem Ausgang des wenigstens einen Temperierungskanals (16) in dem

Batteriespeichergehäuse (10) kommunizierend verbunden sind,

wenigstens einen Wärmetauscher (41) für einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeaustauschmedium (M) und einer Atmosphäre einer

Systemumgebung, und

einer Temperierungspumpe (42) zur Zirkulation des

Wärmeaustauschmediums (M) in dem Temperierungskreislauf (40);

eine Hydraulikschaltung (30) zum Medientransfer des Wärmeaustauschmediums (M) zu und aus dem Transferkanal (15) und/oder dem wenigsten einen Freiraum (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10), für

eine hydraulische Erzeugung von Isolationszuständen, mit:

medienführenden Leitungen, die mit dem Eingang (E) und dem Ausgang (A) des wenigstens einen Transferkanals (15) und/oder des wenigsten einen Freiraums (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10)

kommunizierend verbunden sind,

einem Ausgleichsbehälter (31) zur Speicherung eines Volumens des

Wärmeaustauschmediums (M), und

wenigstens einem Ventil (33), das zwischen dem Batteriespeichergehäuse (10) und dem Ausgleichsbehälter (31) und/oder zwischen dem Batteriespeichergehäuse (10) und der Temperierungspumpe (42) angeordnet ist, zum Schalten zwischen Medientransfers des Wärmeaustauschmediums (M) zur Befüllung, Entleerung und/oder Durchströmung des wenigstens einen Freiraums (14) in dem

Batteriespeichergehäuse (10); wobei

11. Temperierungssystem (200) nach Anspruch 10, wobei die Hydraulikschaltung (30) zusätzlich eine Pumpe (32) zur unabhängigen Förderung des Wärmeaustauschmediums (M) zwischen dem Ausgleichsbehälter (31) und dem

Batteriespeichergehäuse (10) umfasst.

12. Temperierungssystem (200) nach Anspruch 10 oder 11, aufweisend eine in dem Temperierungskreislauf (40) angeordnete Heizvorrichtung (43) zur elektrischen Beheizung des Wärmeaustauschmediums (M).

13. Temperierungssystem (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, aufweisend eine in dem Temperierungskreislauf (40) angeordnete Kältemaschine (44) zur

thermodynamischen Kühlung des Wärmeaustauschmediums (M).

14. Temperierungssystem (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, aufweisend einen an einer Außenseite des Batteriespeichers (20) oder in einer Systemumgebung angeordneten Temperatursensor zur Erfassung einer

Außentemperatur.

15. Temperierungssystem (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, aufweisend einen in dem Batteriespeicher (20) angeordneten Temperatursensor zur Erfassung einer Batterietemperatur.

16. Verfahren zur Änderung einer variablen thermischen Isolation eines Batteriespeichers (20) unter Verwendung des Batteriespeichergehäuses (10)

nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten:

- Befüllen oder Durchströmen des wenigstens einen Freiraums (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10) mit einem Wärmeaustauschmedium (M) über den Eingang (E) oder über den Eingang (E) und den Ausgang (A) mittels einer Hydraulikschaltung (30), zur Herstellung eines thermischen Isolationszustands mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses (10), und

- Entleeren des Wärmeaustauschmediums (M) aus dem wenigstens einen

Freiraum (14) in dem Batteriespeichergehäuse (10) über den den Ausgang

(A) mittels der Hydraulikschaltung (30), zur Herstellung eines thermischen Isolationszustands mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit zwischen einer

Innenseite und einer Außenseite des Batteriespeichergehäuses (10).