DE102006001714A1 - Vorrichtung zur Erwärmung eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug, wobei erste Mittel zur Umsetzung von elektrische Energie in Wärmeenergie vorgesehen sind und wobei zweite Mittel zur Erfassung der aktuellen Temperatur des Energiespeichers vorhanden sind und in Abhängigkeit der erfassten Temperatur die ersten Mittel aus dem Energiespeicher elektrische Energie entnehmen, in Wärmeenergie umsetzen und den Energiespeicher erwärmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Energiespeichers zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, wobei erste Mittel zur Umsetzung von elektrischer Energie in Wärmeenergie vorgesehen sind.
• Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine ist in der Regel als Starter-Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter-Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine im Kraftfahrzeug. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d. h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie. Weiterhin weisen Hybridfahrzeuge mindestens einen Energiespeicher auf, insbesondere einen elektrischen Energiespeicher, vorzugsweise in Form einer Batterie. Die Energie aus dem Energiespeicher kann zum Starten des Verbrennungsmotors, für die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug und für Beschleunigungsvorgänge genutzt werden. Der Energiespeicher wird während der Fahrt über den Generator vom Verbrennungsmotor gespeist. Zusätzlich wird der Energiespeicher durch Energierückgewinnung beim Bremsen aufgeladen. Über eine Steuerelektronik werden die verschiedenen Modi gesteuert, unter anderem, ob dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
• Insbesondere hat sich, da die Energiedichte bei Energiespeichern für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybridfahrzeugen, deutlich erhöht hat, gezeigt, dass Energiespeicher mit Nickel-Metallhydrid-Zellen, im folgenden auch NiMH-Zellen bzw. NiMH-Batterien abgekürzt, bzw. Lithium-Ionen-Zellen, im folgenden auch Li-Ionen-Zellen genannt, zum Einsatz kommen.
• Nickel-Metallhydrid-Energiespeicher zeigen aufgrund der in der negativen Elektrode eingesetzten Wasserstoffspeicherlegierung auch Eigenschaften, die von der Umgebungstemperatur abhängig sind. Bei tiefen Temperaturen wird Wasserstoff mit einer schlechteren Aus- und Einbaukinetik von der negativen Elektrode abgegeben und aufgenommen. In Metall-Hydridspeichern, u. a. auch bei Nickel-Metall-Hydrid-Zellen, ist der Wasserstoff bei Raumtemperatur gut in der Wasserstoffspeicherlegierung gebunden, aber durch Wärmezufuhr wird er ausgetrieben. Bei tiefen Temperaturen hingegen ergibt sich eine schlechte Kinetik der Elektroden, so dass aus dem Energiespeicher mit NiMH-Batterien nur wenig Energie entnommen werden kann. Bei tiefen Temperaturen können daher Belastungen, die bei höheren Temperaturen kein Problem darstellen würden, die Gitterstruktur der nun kinetisch stark gehemmten Wasserstoffspeicherlegierung massiv schädigen.
• Bei Li-Ionen-Zellen treten ebenso kinetische Hemmungen der Interkalationselektroden bei tiefen Temperaturen auf. Hinzu kommt, dass ein organischer Elektrolyt verwendet wird, der bis zu drei Größenordnungen schlechter in der Leitfähigkeit ist als ein anorganischer wässriger Elektrolyt, wie er bei NiMH-Zellen eingesetzt wird.
• Aus der DE 199 10 387 A1 ist eine Brennstoffzellenbatterie mit Heizung zur verbesserten Kaltstartperformanz aufgezeigt. Hierbei wird zunächst die Heizung, wie beispielsweise ein Reformer gestartet, dessen Betriebswärme zum Aufheizen des Brennstoffzellentanks genutzt wird.
• Aus der DE 102 02 807 A1 ist ein System zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen offenbart. Zur Heizung oder Kühlung sind die in einem geschlossenen Gehäuse angebrachten Zellen der Batterie mit Kanälen versehen, durch die ein wärmetransportierendes Medium strömt. Über ein Leitungssystem wird das wärmetransportierende Medium zu einer außerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Heiz-/Kühleinrichtung geleitet. Eine Zirkulation kann durch eine Pumpe oder über Konvektion erfolgen. Für eine Steuerung der Heiz- bzw. Kühlleistung ist ein Regler vorgesehen, der in Abhängigkeit der über einen Temperaturfühler gemessenen Temperatur der Zellen die Heiz-/Kühlleinrichtung und evtl. vorhandene Pumpen oder Lüfter steuert.
• Nachteilig bei den genannten Verfahren und Vorrichtungen ist, dass stets eine eigene Energieversorgung vorgesehen werden muss, mittels welcher die Energiespeichereinheit aufgewärmt wird bzw. gekühlt wird. Im Weiteren handelt es sich hierbei zumeist um komplex aufgebaute Kühlsysteme.
• Weiterhin ist es bekannt, eine Eigenheizung einer Batterie vorzusehen. Diese ist jedoch für den genannten Einsatzzweck in Kraftfahrzeugen völlig ungeeignet, da trotz niedriger Temperaturen über den auf Leistungsabgabe optimierten niedrigen Batterie-Innenwiderstand eine zu geringe interne Verlustleistung produziert würde.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Alternative zur Erwärmung des elektrischen Energiespeichers im Fahrzeug bei niedrigen Temperaturen aufzuzeigen.
• Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Ansprüche, der weiteren Beschreibung sowie der beigefügten Figur.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt die vorhandene und verfügbare Leistung des Energiespeichers effektiv in Wärmeleistung um. Es heizt sich somit der Energiespeicher quasi selbst. Bei Energiespeichertypen, wie beispielsweise NiMH-Batterien bzw. Lithium-Ionen-Zellen nimmt die Leistungsabgabe mit sinkender Temperatur ab. Daher ist es zweckmäßig, die Temperatur des Energiespeichers zu erhöhen und in einen Bereich zu verbringen, in welchem die elektrische Leistungsabgabe des Energiespeichers verbessert ist. Vorteilhaft haben sich Temperaturbereiche von über 10° C erwiesen. Um den Energiespeicher zu erwärmen, ist ein externer Verbraucher vorhanden, welcher die dem Energiespeicher entnommene elektrische Leistung zu einem hohen Prozentsatz in Wärmeleistung umsetzt. Dieser externe Verbraucher ist optimal auf Umformung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ausgelegt. Der externe Verbraucher ist derart verschaltet, dass er auch über die Lichtmaschine bzw. der Starter-Generator des Hybridfahrzeuges mit Energie versorgt werden kann und diese Energie effektiv zur Erwärmung des Energiespeichers, bei geringer Umgebungstemperatur, einsetzt. Dies ist insbesondere auch dann notwendig, wenn der Energiespeicher bei niedrigen Umgebungstemperaturen geladen werden soll.
• In vorteilhafter Weise wird der externe Verbraucher im Luftansaugtrakt des Fahrzeuges angeordnet. Die Zuluft, d. h. die dem externen Verbraucher zur Erwärmung zugeführte Luft wird dem Fahrzeuginnenraum entnommen, was zur Folge hat, dass bereits teilweise erwärmte Luft zugeführt wird. In Weiteren hat es sich als vorteilhaft aufgezeigt, ein PTC-Element als externen Verbraucher vorzusehen. Dieses PTC-Element, welches quasi als Heizer fungiert, ist im Luftansaugtrakt angeordnet und wird durch die Zuführung von elektrischer Energie erwärmt. Um einen Luftstrom zu erzeugen, ist ein Lüfter vorhanden, der die Luft ansaugt, am PTC-Element vorbeiführt und dem Energiespeicher zuführt. Hierbei ist sowohl denkbar, dass der Lüfter vor dem PTC-Element oder nach dem PTC-Element angeordnet ist.
• In vorteilhafter Weise kann auch ein bereits im Kraftfahrzeug vorhandener Lüfter verwendet werden. Hierbei ist es von Vorteil, als Lüfter den bereits im Kraftfahrzeug zur Kühlung des Verbrennungsmotors vorgesehenen Lüfter zu verwenden und dessen Luftstrom dem PTC-Element zuzuführen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass dann bereits die durch die Verbrennungskraftmaschine erwärmte Luft über das PTC-Element, welches ebenfalls erwärmt ist, geführt wird.
• Die Luftführung durch den Energiespeicher selbst ist ehedem bereits auf eine gleichmäßige Kühlung optimiert. Daher stellt es keine große Schwierigkeit dar, anstatt Kühlluft nunmehr erwärmte Luft bei kühlen Außentemperaturen durchzuleiten. In vorteilhafter Weise erfolgt somit auch eine gleichmäßige Erwärmung des gesamten Energiespeichers.
• Durch den geringen resultierenden Bauteilaufwand, eben nur durch eine zusätzliche Wärmequelle, das PTC-Element, ergibt sich eine kostengünstige Alternative. Im Weiteren ist am PTC-Element oder zum PTC-Element ein Schalter angeordnet, in Form eines selbstregelnden PTC-Elementes, welches die Leistung zu- und abschaltet, je nachdem, ob Wärme benötigt wird oder nicht.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, ein selbstregelndes Heizband, welches um die einzelnen Zellen des Energiespeichers gelegt ist, zu verwenden. Durch diesen Einsatz ist die Verlustwärme, welche an sonstige weitere vorhandenen Teile abzugeben ist oder erfolgt, relativ gering, da durch die Anordnung des elektrischen Heizbandes mit dem direkten Kontakt zu den Zellen ein guter thermischer Kontakt gegeben ist und ein geringer thermischer Widerstand vorhanden ist.
• Eine schnelle Erwärmung des Energiespeichers bei niedrigen Temperaturen hat eine deutliche lebensverlängernde Wirkung des Energiespeichers zufolge und damit eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Lebenszeit und Leistungsabgabe für die geforderten Fahrbetriebsmodi bei Hybridfahrzeugen. Die vorgegebene Erfindung ermöglicht es, die vollständige Umsetzung der Leistung des Energiespeichers in Heizleistung, so dass über den externen Verbraucher der Energiespeicher in die Lage versetzt wird, in einen optimalen Temperatur-Arbeitsbereich zu gelangen und somit schnell und kurzfristig einsatzbereit zu sein.
• In vorteilhafter Weise hat sich ergeben, dass die Heizung des Energiespeichers dann erfolgt, wenn ein vorgegebener Temperatur-Schwellwert unterschritten wird, um eine Schädigung des Energiespeichers zu vermeiden. Als vorteilhaft hat sich erwiesen die Selbstheizung vorzunehmen, wenn der Temperaturwert im Energiespeicher unter 10° C fällt. Die Erfassung der aktuellen Temperatur des Energiespeichers kann dabei z. B. durch einen Temperatursensor erfolgen.
• Im Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, um die Leistung des Energiespeichers zu erhöhen, bei niedrigen Umgebungs-Temperaturen die Selbstheizung vorzunehmen, sobald das Fahrzeug aufgeschlossen wird oder wenn eine Tür des Fahrzeugs geöffnet wird und die Temperatur im Energiespeicher unter einer definierten Temperatur liegt. Es ist dann davon auszugehen, dass in Kürze eine Inbetriebnahme des Fahrzeugs erfolgt.
• Durch die Dimensionierung des PTC-Elementes in ein mehrstufiges Element kann je nach Bedarf die Aufwärmung der Temperatur des Energiespeichers in kurzer Zeit, oder über einen längeren Zeitraum erfolgen, je nachdem, welcher Einsatz geplant ist.
• In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
• 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• In 1 ist eine Batterie 1, ein Heizelement 2, sowie die Führung 3 des Luftstroms aus dem Fahrzeuginnerraum 5 exemplarisch dargestellt. Es ist im Weiteren ein Lüfter 4 vorgesehen. Der Lüfter 4 kann vor oder nach dem Heizelement 2 angeordnet sein und ermöglicht es, die Luft über das Heizelement 2 zu führen, d. h. zu saugen oder zu blasen. In vorteilhafter Weise handelt es sich bei diesem Lüfter 4 um den ehedem im Kraftfahrzeug vorhandenen Kühlerlüfter des Verbrennungsmotors.
• Der Luftzuführungskanal 3 über das Heizelement 2, welches in vorzugsweiser Ausgestaltung als PTC-Element, insbesondere als PTC-Widerstand, ausgeführt ist, ist derart ausgestaltet, dass eine optimale Umströmung und Abgabe der Wärmeleistung erfolgt. Der Luftstrom wird dann in den Energiespeicher 1 eingeführt und dort optimal verteilt, so dass es zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Energiespeichers kommt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erwärmung eines Energiespeichers (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei erste Mittel zur Umsetzung von elektrischer Energie in Wärmeenergie vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Mittel zur Erfassung der aktuellen Temperatur des Energiespeichers (1) vorhanden sind und in Abhängigkeit der erfassten Temperatur die ersten Mittel aus dem Energiespeicher (1) elektrische Energie entnehmen, in Wärmeenergie umsetzen und den Energiespeicher (1) erwärmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) aus mehreren Energiespeicherzellen besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel ein PTC-Element (2) umfassen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel ein Heizband umfassen, welches um die Zellen des Energiespeichers (3) gelegt ist
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den ersten Mitteln Luft zugeführt wird, wobei die Zuführung mittels eines Gebläses, eines Lüfters oder ein Ventilators erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die den ersten Mitteln zugeführte Luft erwärmt und den Energiespeicher (1) durchströmt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter der Kühlerlüfter im Kraftfahrzeug ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den ersten Mitteln zugeführte Luft aus dem Innenraum des Fahrzeugs entnommen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen Nickel-Metallhydrid-Zellen sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen-Zellen sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel einen Temperatursensor umfassen.