CN111095665B - 用于对电池进行空气调节的控制模块 - Google Patents

Abstract

为了简化地实现电池的空气调节而提供一种控制模块（1），其具有冷却剂控制阀（2）、冷却剂温度传感器（3）和冷却剂泵（4）。冷却剂控制阀（2）、冷却剂温度传感器（3）和冷却剂泵（4）一体式地组装成所述控制模块。

Description

用于对电池进行空气调节的控制模块

技术领域

本发明涉及一种用于对电池进行空气调节（Klimatisierung）的控制模块，所述电池尤其用于驱动机动车。此外，本发明涉及一种用于机动车的冷却装置。

背景技术

电动车辆或混合动力车辆的电池和特别是锂离子电池由于使用寿命、容量和功率原因必须在限定的温度窗口中运行。此外，在充电和放电时电池中产生的热量必须可靠地散发。

迄今为止，这种功能通过单独的泵和阀以及所属的传感装置来完成。特别地，在此使用温度测量传感装置，以便控制或调节电池的调温。

迄今为止，电池的调温通常通过所谓的温度管理来进行。这种温度管理大多通过单个泵、阀和传感器来实施。这些组件以所期望的方式连接或夹紧到电池上。

在DE 10 2015 119 098 A1中描述了一种用于内燃机的能机械调节的冷却剂泵的调节装置。调节装置具有可调节的调节滑阀、调节泵、调节滑阀的第一压力室和电磁阀以及关闭元件，通过所述调节滑阀可调节在冷却剂泵叶轮的出口和周围的输送通道之间的环形间隙的通流横截面，通过所述调节泵可在流动通道中产生液压压力，所述第一压力室构造在调节滑阀的第一轴向侧上，所述电磁阀具有两个阀座和三个流动接头，所述关闭元件与电磁阀的衔铁连接并且可轴向运动。第一流动接头与调节泵的出口流体连接，并且第二流动接头与调节滑阀的第一压力室流体连接。为了尽可能快速地调节，第三流动接头与冷却剂泵的入口流体连接，其中，第一阀座构造在第一流动接头和第二流动接头之间，并且第二阀座构造在第二流动接头和第三流动接头之间。

此外，在文献DE 10 2014 225 212 A1中描述了一种用于电池的调温系统。用于电池、特别是用于车辆电池的调温系统具有至少一个流体系统和至少一个用于流量控制的调节元件，所述流体系统具有至少一个流体通道，所述调节元件布置在该流体系统中。该调节元件可以至少根据电池温度和/或环境温度被带入到至少一个打开位置和至少一个关闭位置，由此可以打开或关闭流体系统。

此外，文献DE 10 2014 113 753 A1公开了一种用于预测性地控制和/或调节车辆的加热/冷却装置的系统和方法。尤其提出一种用于预测性地控制和/或调节用于对车辆内室进行空气调节的加热/冷却装置的热控制系统。

此外，已知所谓的热管理模块或旋转滑阀系统，其在主冷却回路中通过刚性的轴驱动阀系统。这种热管理模块在链接http://m.schaeffler.de/content.mobile.products/de/products/automotive/engine/tmm/tmm _info.html中说明。

发明内容

本发明的任务在于，能够以简单的手段实现电池的热管理。

根据本发明，该任务通过根据本发明的控制模块来解决，该控制模块具有冷却剂控制阀，冷却剂温度传感器，和冷却剂泵，其中所述冷却剂控制阀、冷却剂温度传感器和冷却剂泵作为独立的构件组组装成所述控制模块，其中，所述冷却剂控制阀具有用于连接到第一冷却剂回路上的第一冷却剂输入端、用于连接到第二冷却剂回路上的第二冷却剂输入端和冷却剂输出端，并且所述冷却剂控制阀的冷却剂输出端与所述冷却剂泵直接经由冷却剂路径连接，并且其中，所述冷却剂温度传感器集成到所述冷却剂控制阀或所述冷却剂泵的壳体中。同样可以实现一种具有这种控制模块的用于机动车的冷却装置。

因此，根据本发明提供一种用于对电池进行空气调节的控制模块。这种控制模块用于控制或调节冷却剂，特别是冷却剂回路。冷却剂用于冷却或加热电池。电池优选是指牵引电池，例如用于电动车辆或混合动力车辆的锂离子电池。

控制模块具有冷却剂控制阀、冷却剂温度传感器和冷却剂泵。通过冷却剂控制阀来控制冷却剂流的方向和/或速度。冷却剂温度传感器允许测量冷却剂的温度。冷却剂泵根据操控信号来驱动冷却剂流。

根据本发明规定，冷却剂控制阀、冷却剂温度传感器和冷却剂泵作为独立的构件组或作为独立的构件必要时一件式地组装成控制模块。由此得到一种紧凑的模块，该模块在实体上形成一个单元并且可以作为单元与其它装置、例如电池组装。控制模块是本身能正常工作的单元，其中，冷却剂控制阀、冷却剂温度传感器和冷却剂泵在作用技术上、特别是也以流体的方式固定地相互连接。因此，不需要还将这三个组件例如借助于软管等彼此连接。相反，控制模块是本身紧凑的并且完全功能正常的多功能构件。因此，相应地可以提供一种用于对特别是牵引电池进行热管理的紧凑的控制模块。

根据一种改进方案规定，冷却剂控制阀具有用于连接到第一冷却剂回路上的第一冷却剂输入端、用于连接到第二冷却剂回路上的第二冷却剂输入端和冷却剂输出端，并且冷却剂控制阀的冷却剂输出端与冷却剂泵直接经由冷却剂路径相连接。控制模块因此具有至少两个输入端和至少一个冷却剂输出端，冷却剂可以流入到所述输入端中，冷却剂可以由控制模块从所述冷却剂输出端中流出。当然，流动方向也可以反转，从而先前提到的冷却剂输出端构成冷却剂输入端并且先前提到的冷却剂输入端分别构成冷却剂输出端。通常，下面也适用的是，在每条冷却剂路径或冷却剂回路中的流动方向能够任意地反转。

在另一种改进方案中可以规定，控制模块具有用于供电和/或通信的唯一的共同的电接口。因此，控制模块例如具有带有一个或多个触头的插座，以便确保控制模块的供电和/或通信。必要时，电接口具有一个或多个触头，以便从外部给冷却剂控制阀、冷却剂温度传感器和/或冷却剂泵供给能量。此外也可以规定，应该与控制模块交换控制或者数据信号。为此，电接口可以具有相应的数据触头或控制触头。

此外，冷却剂温度传感器可以集成到冷却剂控制阀或冷却剂泵的壳体中。在这种情况下，为冷却剂温度传感器没有设置自身的壳体。或者至少冷却剂温度传感器的壳体与冷却剂控制阀的或冷却剂泵的壳体一体地构成。优选地，控制模块的所有三个组件都具有共同的、一体的壳体。

根据控制模块的另一种设计方案，加热元件安装在冷却剂控制阀或冷却剂泵中或上。加热元件在此位于冷却剂控制阀或冷却剂泵的冷却剂路径中或上，以便能够相应地将热能输出到在冷却剂路径中的冷却剂。通过加热元件，控制模块获得也能够加热电池的附加功能。特别地，可以以期望的方式加热流入到电池中的冷却剂流。加热元件可以是正温度系数PTC加热元件。

根据另一种实施方式，控制模块可以具有控制装置，利用该控制装置可以自主地控制或调节控制模块。该控制装置必要时根据冷却剂温度传感器的信号来控制冷却剂控制阀和/或冷却剂泵。因此，例如当从外部以简单的控制信号、如“接通”或“断开”来操控控制模块时，就足够了。控制模块借助于控制装置本身承担另外的、更为复杂的控制。必要时，也可以利用控制装置实现调节，例如当控制模块具有上述加热元件时。

根据另一种设计方案，在冷却剂控制阀的第一开关状态中，仅第一冷却剂输入端形成用于冷却剂至控制模块的输入端，并且在第二开关状态中，仅第二冷却剂输入端形成用于冷却剂至控制模块的输入端。冷却剂控制阀因此能够将输入端从第一冷却剂输入端切换到第二冷却剂输入端并且反之亦然。于是，在第一开关状态中，仅第一冷却剂输入端与冷却剂输出端在流动技术上连接，而在第二开关状态中仅第二冷却剂输入端与冷却剂输出端在流动技术上连接。替代地，冷却剂控制阀也可以构造为混合阀。

此外，还设置有一种用于具有上述控制模块的用于机动车的冷却装置。冷却装置具有如下电池，该电池在输入端侧连接到冷却剂泵的冷却剂输出端上。这意味着，电池的冷却剂输入端直接与冷却剂泵的冷却剂输出端连接。此外，冷却装置具有第一冷却剂回路，其一部分从电池的第一冷却剂输出端通过热交换器延伸至冷却剂控制阀的第一冷却剂输入端。该第一冷却剂回路可以是单独设置用于冷却电池的冷却回路。热交换器集成在该第一冷却剂回路中，该热交换器可以排出由电池吸收的热量。特别地，冷却装置具有与第一冷却剂回路分开的第二冷却剂回路，热交换器也集成到该第二冷却剂回路中。因此，热量可以从第一冷却剂回路通过热交换器到达第二冷却剂回路。该第二冷却剂回路例如可以是用于冷却机动车的乘客车厢的冷却剂回路。

此外，冷却装置具有第三冷却剂回路，其一部分从电池的第二冷却剂输出端的一部分延伸至冷却剂控制阀的第二冷却剂输入端，以便对电池调温。必要时，电池冷却器装入到第三冷却剂回路中，以便冷却电池。但是在某些情况下，第三冷却剂回路也可以用于加热或加温电池。以简单的方式通过控制模块实现将三条冷却剂回路相互组合，以便实现对电池的有意义的冷却。

在具有控制模块的冷却装置的一种改进方案中可以规定，冷却剂控制阀在低于预先给定的温度的情况下切换到第二开关状态中并且在高于预先给定的温度的情况下切换到第一开关状态中。这意味着，当电池的温度仍然相对较低时，冷却剂控制阀例如仅引导第三冷却剂回路通过电池，而不引导第一冷却剂回路。然而，如果电池的温度超过预先给定的温度值，则冷却剂控制阀切换到第一开关状态，在该第一开关状态下，冷却剂仅从第一冷却剂回路被输送通过电池。在该第一开关状态中，例如借助于第一冷却剂回路更有效地冷却电池。

在冷却装置的另一种设计方案中，第一冷却回路延伸穿过至少一个用于机动车的驱动组件。例如，第一冷却回路延伸穿过电动机和/或用于电动机或电池的电子器件（例如转换器或充电器）。换句话说，第一冷却剂回路被引导通过动力传动系的至少一个组件。以这种方式可以节省用于电池的单独的冷却回路。

上述结合控制模块所提及的优点和改进方案也可以应用于冷却装置中。由此在这里也得到相应的优点。

附图说明

现在借助附图对本发明进行详细说明，其中示出：

图1示出了根据本发明的用于对电池进行空气调节的控制模块的透视图；并且

图2示出了具有多条冷却剂回路的示意性冷却装置，根据本发明的控制模块集成到所述冷却剂回路中。

具体实施方式

下面详细描述的实施例是本发明的优选的实施方式。

图1示出了用于对电池（未示出）进行空气调节的控制模块的具体示例。电池优选是机动车的牵引电池并且优选是锂离子电池。

在图1中示出的控制模块1是独立的构件组并且具有冷却剂控制阀2、冷却剂温度传感器3和冷却剂泵4。这三个组件2、3和4固定地连接成独立的单元并且形成一种模块、即控制模块。控制模块1具有用于冷却剂流的第一冷却剂输入端5、第二冷却剂输入端6和冷却剂输出端7。这意味着，冷却剂分别从冷却剂输入端5和6流到冷却剂输出端7。如上所述，冷却剂流也可以在其方向上相反。这对于图1的具体情况意味着，被称为冷却剂输出端的冷却剂接口于是变成冷却剂输入端，并且两个被称为冷却剂输入端5和6的冷却剂接口则变成冷却剂输出端。然而在下文中，这些接口独立于流动方向被称为冷却剂输入端5和6或冷却剂输出端7。

冷却剂泵4具有冷却剂输入端8，该冷却剂输入端通过冷却剂控制阀2与冷却剂输入端5和6以流动技术的方式或以流体的方式连接。在此，要么仅控制模块1的冷却剂输入端5与冷却剂泵4的冷却剂输入端8以流动技术的方式连接，要么仅控制模块1的冷却剂输入端6与冷却剂泵4的冷却剂输入端8以流动技术的方式连接。替代地，冷却剂控制阀2也可以是混合阀，从而两个冷却剂输入端5和6也可以与冷却剂泵4的冷却剂输入端8处于贯通连接之中。冷却剂温度传感器3可以布置在控制模块3的冷却剂输入端8或冷却剂输出端7上。它提供关于在相应位置处的冷却剂的温度值的相应的温度信号。

控制模块1的单个组件，即冷却剂控制阀2、冷却剂温度传感器3和冷却剂泵4可以共同安置在一体的壳体中，由此产生具有多个集成的功能的独立的模块。替代地，组件2、3或4中的每一个也可以分别或成组地具有单个壳体。在这种情况下，这些单个壳体彼此固定地连接成控制模块1。

冷却剂控制阀2可以具有电的阀接口9，冷却剂温度传感器3可以具有电的传感器接口10并且冷却剂泵4可以具有电的泵接口11。通过这些接口9、10和11可以控制或供应单个组件。但通过电接口必要时也可以输入和输出数据或测量信号。在一种改进方案中，所有的接口9、10和11组合成单个共同的电接口。

冷却剂泵4例如是电动水泵。与此无关地，冷却剂温度传感器3可以构造为低温传感器，其仅可以测量低于150摄氏度的温度（与针对具有直至1000摄氏度的废气的高温传感器相反）。与此无关地，冷却剂控制阀2也可以是所谓的CFCV（冷却剂流控制阀）。

冷却剂控制阀2、冷却剂温度传感器3和冷却剂泵4组合成用于对电池进行空气调节的控制模块具有如下优点，即可以取消泵和控制阀之间的管线布设。此外，温度传感器也可以有利地集成在控制模块中。

图2示出了如下冷却装置，控制模块1集成到该冷却装置中。控制模块1以集成的方式包括冷却剂控制阀2、冷却剂温度传感器3和冷却剂泵4。第一冷却剂输入端5和第二冷却剂输入端6位于冷却剂控制阀2上。集成到控制模块中的冷却剂温度传感器3位于冷却剂控制阀的下游，冷却剂泵4进一步位于下游并且在冷却剂输出端7的控制模块1的输出端处进一步位于下游。

控制模块1的冷却剂输出端7与电池、特别是HV电池（例如锂离子电池）12的冷却剂输入端在流动技术上连接。在本示例中，电池12具有第一冷却剂输出端13和第二冷却剂输出端14。两个冷却剂输出端13、14可以位于电池12的前面板上。

在图2的示例中，电池12的第一冷却剂输出端13经由热交换器15与冷却剂控制阀2的第一冷却剂输入端5连接。由此得到第一冷却剂回路16，其优选在流动方向上如下延伸：冷却剂控制阀2的第一冷却剂输入端5、冷却剂温度传感器3、冷却剂泵4、控制模块1的冷却剂输出端7、电池、电池的第一冷却剂输出端13和热交换器15返回到第一冷却剂输入端5。

热交换器15与第一冷却剂回路16分开地连接到第二冷却剂回路17上，从而不能实现直接的、但间接的从第一冷却剂回路16到第二冷却剂回路17的热传递。热交换器15可以是板式热交换器。热交换器15与压缩机18连接。在此，必要时用于控制或调节第二冷却剂回路或整个冷却装置的传感装置19位于压缩机的下游。在本示例中，空调设备冷凝器20再次位于下游，膨胀阀21另一方面连接到该空调设备冷凝器上。后者又连接到热交换器15上。与膨胀阀23串联的空调设备蒸发器22可以相对于与膨胀阀21串联的热交换器15并联地设置。空调设备蒸发器22和必要时膨胀阀23也可以位于乘客车厢24中，以用于冷却机动车的乘客车厢。因此，第二冷却剂回路17优选地在流动方向上如下产生：热交换器15、压缩机18、传感装置19、空调设备冷凝器20和膨胀阀21返回到热交换器15。第二冷却剂回路17的一个并联支路从空调设备冷凝器20经过膨胀阀23和空调设备蒸发器22延伸至压缩机18。空调设备蒸发器22可选地配备有通风器27。

电池12的第二冷却剂输出端14通过电池冷却器25与控制模块1的或者说冷却剂控制阀2的第二冷却剂输入端6连接。因此，第三冷却剂回路26优选沿流动方向如下产生：冷却剂控制阀2的第二冷却剂输入端6、冷却剂温度传感器3、冷却剂泵4、控制模块1的冷却剂输出端7、电池12、电池的冷却剂输出端14、电池冷却器25并且返回到第二冷却剂输入端6。电池冷却器25可选地配备有通风器27。

在运行期间，控制模块因此可以通过第一冷却剂输入端5经由热交换器15被供给冷却水。冷却剂控制阀2的第二冷却剂输入端6必要时向控制模块1供给热水。冷却剂控制阀2可实施为混合阀并且因此实现对于电池12的最优的调温，因为来自两个入口的冷却水可被混合。电池12的冷却剂输出端13和14用于连接到热交换器15上或连接到散热器上。

冷却装置的运行可以如下进行：首先，电池12是冷的并且该电池通过控制模块1的第二冷却剂输入端6必要时利用热水加热，该热水在第二冷却剂输出端14处又离开电池12。随着电池12的温度升高，必要时以相应的转速接入通风器27。优选地，电池12应当例如在20摄氏度和40摄氏度之间的温度范围内运行。如果冷却剂温度传感器3例如测量35摄氏度，则相应的测量信号可以用于切换冷却剂控制阀2，以便现在可以更有效地通过第一冷却剂回路16冷却电池。为此，冷却剂控制阀2打开第一冷却剂输入端5。在混合阀运行中，第二冷却剂输入端6可以同时打开，以便混合来自两条冷却剂回路16和26的冷却剂，以用于最佳地对电池12进行调温。在第一冷却剂回路也不再能够充分地冷却电池12的极端情况下，冷却剂温度传感器3的测量信号可以用于逐步地切断电池12。

在一种有利的实施方式中，局部的控制单元（智能控制中心）集成到控制模块中。因此，子功能“对电池进行调温”可以在基于服务器的架构中或者结合控制ECU（电子控制单元）实现。

在另一种有利的实施例中，加热元件集成到控制模块中。因此，例如PTC（正温度系数）加热器被集成到控制模块中以加热电池。该加热器可以在第二冷却剂输入端6之前被接入。

在另一种实施方式中，实现了电池12的第一冷却剂输出端13到动力传动系的冷却剂回路上的连接，该冷却剂回路用于冷却电动机和/或电子器件（直流变换器或充电器）。这将具有可以利用这些组件的废热来加热电池的优点。在这种情况下，在系统中将不会包含自身的电池冷却器。

上述用于对电池进行空气调节的控制模块具有的优点是具有带有高集成密度的小尺寸。特别地，相对于传统的结构方式，连接软管的数量能够减少。通过紧凑的结构，局部的控制单元可以形成电池温度调节的功能，而不连接至中央控制单元。此外，可以取消用于冷却回路的附加的旁路阀。此外，可以以有利的方式将控制模块直接装配到待冷却的电池上。必要时也设置唯一的电接口以用于更简单的操作。当在控制模块中集成有自身的控制装置，从而能够进行自主诊断并且可能仅须从外部输入简单的控制信号时，得到自主的冷却的特别的优点。

附图标记列表

1 控制模块

2 冷却剂控制阀

3 冷却剂温度传感器

4 冷却剂泵

5 第一冷却剂输入端

6 第二冷却剂输入端

7 冷却剂输出端

8 冷却剂输入端

9 阀接口

10 传感器接口

11 泵接口

12 电池

13 第一冷却剂输出端

14 第二冷却剂输出端

15 热交换器

16 第一冷却剂回路

17 第二冷却剂回路

18 压缩机

19 传感装置

20 空调设备冷凝器

21 膨胀阀

22 空调设备蒸发器

23 膨胀阀

24 乘客车厢

25 电池冷却器

26 第三冷却剂回路

27 通风器。

Claims (8)

1.一种用于对电池（12）进行空气调节的控制模块（1），其特征在于

- 冷却剂控制阀（2），

- 冷却剂温度传感器（3），和

- 冷却剂泵（4），其中

- 所述冷却剂控制阀（2）、冷却剂温度传感器（3）和冷却剂泵（4）作为独立的构件组组装成所述控制模块（1），

其中，所述冷却剂控制阀（2）具有用于连接到第一冷却剂回路（16）上的第一冷却剂输入端（5）、用于连接到第二冷却剂回路（17）上的第二冷却剂输入端（6）和冷却剂输出端（7），并且所述冷却剂控制阀（2）的冷却剂输出端（7）与所述冷却剂泵（4）直接经由冷却剂路径连接，

并且其中，所述冷却剂温度传感器（3）集成到所述冷却剂控制阀（2）或所述冷却剂泵（4）的壳体中。

2.根据权利要求1所述的控制模块（1），其具有用于供电和/或通信的唯一的共同的电接口。

3.根据权利要求1或2所述的控制模块（1），其中，加热元件安装在所述冷却剂控制阀（2）或所述冷却剂泵（4）中或上。

4.根据权利要求1或2所述的控制模块（1），所述控制模块具有如下控制装置，利用所述控制装置能够自主地控制或调节所述控制模块（1）。

5.根据权利要求1或2所述的控制模块（1），其中，在所述冷却剂控制阀（2）的第一开关状态中，仅所述第一冷却剂输入端（5）形成用于冷却剂至所述控制模块（1）的输入端，并且在第二开关状态中，仅所述第二冷却剂输入端（6）形成用于冷却剂至所述控制模块（1）的输入端，或者所述冷却剂控制阀（2）构造为混合阀。

6.一种用于机动车的冷却装置，其具有

- 根据权利要求1至5中任一项所述的控制模块（1），

- 电池（12），其在输入端侧连接到所述冷却剂泵（4）的冷却剂输出端（7）上，

- 第一冷却剂回路（16），其一部分从电池（12）的第一冷却剂输出端（13）穿过热交换器（15）延伸到冷却剂控制阀（2）的第一冷却剂输入端（5），

- 与第一冷却剂回路分开的第二冷却剂回路（17），热交换器（15）同样集成到所述第二冷却剂回路中，和

- 第三冷却剂回路（26），其一部分从电池（12）的第二冷却剂输出端（14）延伸到冷却剂控制阀（2）的第二冷却剂输入端（6），以用于冷却该电池（12）。

7.根据权利要求6所述的冷却装置，其具有根据权利要求5所述的控制模块（1），其中，所述冷却剂控制阀（2）在低于预先给定的温度的情况下切换到第二开关状态中并且在高于预先给定的温度的情况下切换到第一开关状态中。

8.根据权利要求6或7所述的冷却装置，其中，所述第一冷却剂回路（16）延伸穿过至少一个用于机动车的驱动组件。