DE102007004979A1 - Vorrichtung zur Kühlung einer Hybridfahrzeugbatterie - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (10) zur Kühlung beziehungsweise Temperierung einer Batterie (2) in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV-Fahrzeug) mit Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb mit einem Niedertemperatur-(NT)-Kühlkreislauf (3) des Fahrzeugs, welcher mindestens mit einem Verdampfer (5), einem Verdichter (6), einem Kondensator (7) und einem Kühler (8) versehen ist, an welchen die Batterie (2) über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf (4) verdampferseitig zur Kühlung der Batterie (2) über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) angebunden ist, wobei zwischen dem Kältekreislauf (4) und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) ein erweiterter Kältekreislauf (1) mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (1) mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) und die Batterie (2) kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie (2) bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie (2) in einem Kühlungsmodus und/oder zur Zufuhr von Wärme an die Batterie zur Vorwärmung der Batterie in einem Vorwärmungsmodus (beziehungsweise Kaltstart) der Batterie (2) miteinander thermisch koppelbar sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Beeinflussung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV-Fahrzeug). Um die Lebensdauer von Batterien in Hybridfahrzeugen zu erhöhen oder um anderen Wärmequellen mit einer aktiven Kühlung in Kraftfahrzeugen zu begegnen, ist es bekannt, die jeweilige Wärmequelle mit einer Kühlvorrichtung zu kühlen, die über einen Kühlmittelkreislauf gespeist wird. Ferner ist es bekannt, die Kühlung solcher Hybridfahrzeug-Batterien über einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeugs zu koppeln, indem ein Kältekreislauf, in dem die Wärmequelle eingeschlossen ist, an den Kühlkreislauf angeschlossen wird. Ziel all dieser Bemühungen ist es, die Lebensdauer der HV-Batterie zu erhöhen, welche bei erhöhter Betriebstemperatur stark abnimmt. Es ist erstrebenswert, dass der Schwankungsbereich der Temperatur der Batterie nur in bestimmten Grenzen gehalten wird.
- Zu diesem Zweck wurden im Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen und Kühlsysteme vorgeschlagen: In der
DE 44 08 960 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug offenbart, bei welcher ein Kühlaggregat über einen Wärmetauscher mit einem Batteriekühlkreis gekop gelt ist. Im Bodenbereich der Batterie ist eine Kühlschlange vorgesehen, sodass die Batterie mittels der thermischen Kopplung mit dem luftgekühlten Wärmetauscher gekühlt werden kann. Ziel bei dieser Vorrichtung ist es, eine zuverlässige Batteriekühlung bei möglichst einfacher Konstruktion der Vorrichtung auch bei hohen Umgebungstemperaturen zu erlauben. - Bei einem anderen bekannten Fahrzeug-Kühlsystem nach der
DE 101 28 164 A1 wird ein Kältekreislauf mitsamt der Klimaanlage eines Fahrzeugs über einen Wärmetauscher mit einem separaten Kühlkreislauf für ein temperaturerhöhendes Element im Fahrzeug, wie zum Beispiel eine Fahrbatterie oder Brennstoffzelle, vorgeschlagen. Der Kühlkreislauf der zu kühlenden Batterie ist über einen Wärmetauscher mit dem Kältekreislauf des Fahrzeugs und der Klimaanlage gekoppelt. Die Vorrichtung erlaubt somit eine Ableitung von deutlich höheren Wärmemengen. Dieses Kühlsystem funktioniert jedoch nur bei bestimmten Temperaturbedingungen und hat zudem den Nachteil, dass die Funktion der Klimaanlage und damit die Klimatisierung des Fahrzeuginnern bei bestimmten Situationen beeinträchtigt sein können. - Das in der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 035 879 A1 beschriebene Kühlsystem zur Kühlung einer Wärmequelle in einem Fahrzeug verwendet eine relativ aufwendige Steuerung zur optimalen Ausnutzung von Kühlenergie. Das Problem einer höheren Kühlenergieeffizienz wird hier dadurch gelöst, indem ein Mittel zur Steuerung des Kühlmittelstroms im Kühlkreislauf des Fahrzeugs vorgesehen wird, über welches die verschiedenen Kühlmittelströme des Kühlungssystems je nach Bedarf teilweise oder vollständig an dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager vorbeigeleitet werden können. Die Steuerung bestehend aus zwei Steuerventilen und einer extra Bypassleitung ist relativ aufwendig zu realisieren und bei bestimmten Temperaturbereichen kann es auch hier zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Kühlung der Wärmequelle kommen. - Eine weitere bekannte Kühlvorrichtung für eine Batterie eines Hybridfahrzeugs unter Ausnutzung der Wärmesenke eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs ist in der
1 der beigefügten Zeichnung gezeigt: Der Kältekreislauf4 in dieser bekannten Kühlvorrichtung weist insbesondere einen Verdampfer5 , einen Verdichter6 , einen Kondensator und einen Kühler8 auf, die unter Zwischenschaltung eines Expansionsventils19 über entsprechende Leitungen miteinander gekoppelt sind. Dieser Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 dient zur Kühlung des Verbrennungsmotors22 , der bei diesem Beispiel als ein so genannter Hybridmotor beziehungsweise Mild-Hybridmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor22 ist über einen elektrischen Generator/Starter24 mit dem Getriebe23 gekoppelt. Bei Nichtausnutzung der von dem Verbrennungsmotor22 erzeugten Energie, wird diese über den Generator24 in elektrische Energie umgewandelt und in einer Hybrid-Batterie2 (HV-Batterie) gespeichert. Von der Batterie2 ist die Energie im Bedarfsfall und bei bestimmten Fahrsituationen wieder abrufbar. Die Batterie2 ist somit eine so genannte Traktionsbatterie, über welche mittels Zusammenwirken mit einem elektrischen Motor das Fahrzeug angetrieben werden kann. Die Kühlungsvorrichtung ist bei dieser bekannten Ausgestaltung auf der Saugseite vor dem Verdampfer5 mit einer Abzweigungsleitung versehen, die über einen Wärmetauscher im unteren Bereich der Batterie2 und ein vorgeschaltetes Absperrventil14 sowie eine Fix-Drossel15 geleitet wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Hybridfahrzeug(HV)-Batterie2 mit einer aktiven Kühlung durch Einbindung der Batterie2 in den Kältekreislauf4 zu kühlen. Der Abgang von dem Kältekreislauf4 zu der Batterie2 erfolgt vor einem Expansionsventil, wobei die Rückführung des Kältemittels nach der Batterie2 saugseitig nach dem Expansionsventil19 , jedoch vor dem Verdampfer5 , erfolgt. Dieses Kühlungssystem nach dem Stand der Technik hat sich grundsätzlich bewährt. Die Batterie2 ist immer mit dem Kältekreislauf beziehungsweise A/C-Kreislauf4 des Fahrzeugs gekoppelt. Jedoch besteht im Kältekreislaufbetrieb bei Temperaturen von weniger als in etwa –2°C die Gefahr einer Vereisung des Verdampfers5 und damit eines Scheibenbeschlags im Innern des Fahrzeugs. Bei einem solchen niedrigen Temperaturbereich kann daher in der Regel kein Hybridbetrieb des Fahrzeugs genutzt werden, sobald die Batterie2 ihre maximal zulässige Betriebstemperatur erreicht beziehungsweise überschritten hat. Dies führt zu einer schlechten Gesamtenergieeffizienzbilanz des Fahrzeugs. Wenn der Elektro-Betrieb nicht nutzbar ist, steigt dementsprechend der Energieverbrauch des Fahrzeugs insgesamt. Während dieses bekannte Kühlungssystem bei Temperaturen oberhalb von in etwa –2°C ohne weiteres funktioniert, besteht jedoch unterhalb dieser Temperaturschwelle ein beträchtliches Vereisungsproblem oder es tritt ein schädlicher Scheibenbeschlag im Innern des Fahrzeugs auf. Der verbrauchsgarende Hybridbetrieb ist in diesem Zustand dann nicht möglich. Eine sichere und effiziente Kühlung der Hybridfahrzeug-Batterie2 ist damit nicht in jeder Situation gegeben. - Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung beziehungsweise zur Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen, mittels welchem auch bei kühlerer Witterung und niedrigeren Außentemperaturen eine effiziente Ableitung der Betriebswärme seitens der Batterie eines Hybridfahrzeugs oder ähnlicher Wärmequellen ermöglicht wird. Ferner soll mittels der Vorrichtung zur thermischen Beeinflussung der Hybrid-Batterie nach der Erfindung eine flexiblere und optimiertere Temperierung der Batterie in unterschiedlichen Betriebssituationen des Fahrzeugs realisierbar sein.
- Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Kühlung beziehungsweise Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs, nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, insbesondere zur Kühlung einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs oder HV-Fahrzeugs, mit einem Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb, wobei die Vorrichtung einen Niedertemperatur(NT)-Kühlkreislauf aufweist, welcher mindestens mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Kondensator und einem Kühler versehen ist, an welchen die Batterie über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf verdampferseitig zur Kühlung der Batterie über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf angebunden ist, wobei erfindungsgemäß zwischen dem Kältekreislauf und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf ein erweiterter Kältekreislauf mit einem zusätzlichen Wärmetauscher vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf und die Batterie kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie und/oder zur Zufuhr von Wärme zur Vorwärmung in einem Vorwärmmodus (beziehungsweise beim Kaltstart) der Batterie miteinander thermisch koppelbar sind. Durch den bei Bedarf zuschaltbaren erweiterten Kältekreislauf mit einem zusätzlichen Wärmetauscher nach der Erfindung kann die Kühlungsvorrichtung für die Batterie des Fahrzeugs eine sichere Kühlung auch bei Umgebungstemperaturen von unterhalb –2°C gewährleisten. Im Gegensatz zu bekannten Kühlungssystemen nach dem Stand der Technik, bei welchen eine Kühlung der Traktionsbatterie des Hybridfahrzeugs über den Kältekreislauf des Fahrzeugs direkt ohne einen solchen zusätzlichen erweiterten Kältekreislauf mit einem separaten Wärmetauscher zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf und der Batterie erfolgt, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die effiziente Kühlung auch unterhalb von in etwa –2°C gewährleistet werden, ohne dass der luftseitige Verdampfer des Kältekreislaufs des Fahrzeugs (beziehungsweise A/C-Kreislauf) vereist und ohne dass es dadurch zu einem Scheibenbeschlag im Innern des Fahrzeugs kommt. Durch die gezielte Erweiterung des Kältekreislaufs des Fahrzeugs um einen zusätzlichen Wärmetauscher, der über Verbindungsleitungen mit dem Kältekreislauf verbunden ist und thermisch mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf auf Seiten des Kühlers beziehungsweise Kondensators gekoppelt ist, kann auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen, das heißt unter in etwa –2°C, die Abwärme der Batterie des Hybridfahrzeugs (HV-Batterie) über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf direkt an die Umgebung abgeführt werden. Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung ist damit in einem weitaus größeren Temperaturbereich effizient und zur Erfüllung ihrer Funktion in der Lage, als es im Stand der Technik bisher möglich war. Die jederzeit gegebene effiziente und darüber hinaus betriebssichere Batteriekühlung nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist zudem unabhängig von Anforderungen auf Seiten des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs beziehungsweise des Klimaanlagen-Kreislaufs (A/C-Kreislauf) des Fahrzeugs. Insbesondere bei Umgebungstemperaturen unterhalb von in etwa 10°C wird so ein sicherer Betrieb der Batteriekühlung in jeder Betriebssituation sichergestellt. Dies führt erfindungsgemäß auch zu einer Reduzierung des Verbrauchs an Energie durch den Hybridbetrieb ohne Einschränkungen, da der Hybrid(-Elektro)-Betrieb ohne Einschränkungen gewährleistet ist. Nicht zuletzt wird mittels der erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung die Lebensdauer der Batterie stark erhöht. Die üblicherweise hier in Hybridfahrzeugen beispielsweise vom Typ Mild-Hybrid eingesetzten Li thium-Ionen-Batterien haben ab einer Betriebstemperatur von über 30°C eine ansonsten stark reduzierte Lebensdauer. Dies wird erfindungsgemäß abgewendet, indem die Kühlungsvorrichtung der Erfindung jederzeit und in jeder Betriebsphase und -situation eine effiziente Kühlung der Batterien ohne wesentlich erhöhten Energiebedarf erlaubt. Dadurch, dass die Kühlung in der Batterie durch einen separaten zusätzlichen erweiterten Kältekreislauf und entsprechenden Wärmetauscher gewährleistet wird, wird eine Vereisung des Verdampfers luftseitig verhindert und im Innern der Fahrgastzelle des Fahrzeugs wird ein Beschlag der Scheiben jederzeit vermieden. Durch den erweiterten Kältekreis wird nämlich erfindungsgemäß die Abwärme seitens der Batterie auch bei ausgeschalteter Klimaanlage beziehungsweise A/C-Anlage über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf abgeführt. Die Kühlung der Batterie ist nicht mehr abhängig vom Betrieb einer A/C-Anlage des Fahrzeugs.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kältemittelpumpe zum Fördern von Kältemittel durch den Wärmetauscher im erweiterten Kältekreislauf zur zusätzlichen Temperierung der HV-Batterie vorgesehen. Über die Kältemittelpumpe wird das flüssige Kältemittel zum Batterieverdampfer beziehungsweise Wärmetauscher innerhalb der Batterie gefördert und verdampft, bevor es wieder zu dem Kühlmittel-Wärmetauscher zurückströmt, welcher mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf thermisch gekoppelt ist. Hierdurch ist nur eine geringe Pumpleistung erforderlich, da die Verdampfung und Kondensation des Kühlmittels quasi auf einem Druckniveau ablaufen. Die Energieeffizienz der Vorrichtung zur Kühlung der Batterie ist dadurch weiter erhöht. Diese Funktion in einem Batteriekühlungsmodus der Vorrichtung wird dann ausgenutzt, wenn die Batterietemperatur größer ist, als die Temperatur in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeugs und wenn ausreichend flüssiges Kühlmittel vor der Kühlmittelpumpe vorhanden ist. In diesem Fall kann die energieeffiziente Batteriekühlung circa bei Temperaturen von weniger als 10°C Umgebungstemperatur umgesetzt werden, und zwar dies auch im Falle einer Abschaltung der A/C-Anlage beziehungsweise Klimaanlage des Fahrzeugs.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Kältekreislauf des Fahrzeugs saugseitig ein Absperrventil vorgesehen, das heißt hinter der Batterie in Strömungsrichtung, mittels welchem der Kältekreislauf wahlweise deaktivierbar ist. Für einen Betriebsmodus einer Batteriekühlung beziehungsweise einer Batterievorwärmung kann so je nach der Temperatur seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs des Fahrzeugs der Kältekreislauf, in welchem die herkömmliche Kühlung der Batterie bei höheren Temperaturen integriert ist, gezielt abgeschaltet werden.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Kältekreislauf druckseitig eine Drossel und ein Rückschlagventil vorgesehen, mit welchen der Kältekreislauf im Betriebsmodus Batteriekühlung vom Niedertemperatur-Kühlkreislauf trennbar ist. Bei Förderung von Kältemittel durch die Kältemittelpumpe in dem erweiterten Kältekreislauf über die zu kühlende Batterie und den Wärme abgebenden Wärmetauscher wird so ein verkürzter Zwischenkreislauf realisiert, der unabhängig von der Funktionsweise und der Temperatur des Kältekreislaufs des Fahrzeugs beziehungsweise des Klimaanlagenkreislaufs ist. Eine Art verkürzter Zwischenzirkulationskreislauf wird zwischen dem Wärmetauscher und der zu kühlenden Batterie im Zusammenwirken mit einem Absperrventil auf der Saugseite hinter der Batterie realisiert. Auf diese Art und Weise kann entweder die Batteriekühlung im Kühlungsmodus oder eine Vorwärmung der Batterie in einem Vorwärmmodus zum Beispiel beim Kaltstart des Fahrzeugs durch Aufnahme von Wärme seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs beziehungsweise durch Abgabe von Wärme an diesen unter geringem Energiebedarf gewährleistet werden. Die einzige hierfür erforderliche Energie ist die elektrische Energie zum Betreiben der Kühlmittelpumpe, wobei auf Grund der Verdampfung und Kondensation des Kältemittels hier, wie schon oben beschrieben, ein sehr geringer zusätzlicher Energiebedarf für die Kältemittelpumpe erforderlich ist.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung ist zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf auf Seiten des Kühlers und dem Wärmetauscher des erweiterten Kältekreislaufs eine Bypassleitung vorgesehen, welche über ein Ventil, beispielsweise ein 3/2-Wegeventil, zuschaltbar ist zur Vorwärmung der Batterie mit Abwärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf, wobei der Kühlmittelstrom durch den Kühler über die Bypassleitung unterbrochen wird. Das Kältemittel lagert sich bei diesem Betriebsmodus auf Grund des geodätisch tiefer gelegenen Batterieverdampfers im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher ab. Durch die Aufnahme von Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (zum Beispiel durch eine Leistungselektronik oder einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (beziehungsweise DC/DC-Wandler) in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf verdampft das Kältemittel in dem Wärmetauscher. Durch Kondensation wird die im Kältemittel enthaltene Verdampfungswärme am kalten Batterieverdampfer wieder abgegeben. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einem schnelleren Erreichen eines effizienten Betriebsbereichs der Batterie des Hybridfahrzeugs und einer damit verbundenen vollständigen und jederzeit gewährleisteten Hybrid-Funktionalität. Der Energieverbrauch des Fahrzeugs wird insgesamt reduziert.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Wärmequelle und ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) im Niedertemperatur-Kühlkreislauf vorgesehen, deren Abwärme zur Vorwärmung der Batterie über den Wärmetauscher an die Batterie im Vorwärmungsmodus geleitet wird.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Steuermittel vorgesehen zum Umschalten in einen Batteriekühlungsmodus und/oder einen Batterievorwärmmodus, der insbesondere für die Situation eines Kaltstarts des Fahrzeugs vorteilhaft ist.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erweiterte Kältekreislauf zur zusätzlichen Kühlung der Batterie vor und nach einer direkten Batteriekühlung an dem Kältekreislauf beziehungsweise A/C-Kreislauf des Fahrzeugs angeschlossen.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Verlaufe der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung offenbar werden, bei welchen unter Bezug auf nicht beschränkende Beispiele, wie sie in den angehängten Zeichnungen dargestellt sind, die Erfindung mehr im Detail beschrieben werden wird.
- In den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Hybridfahrzeug nach dem Stand der Technik; -
2 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Hybridfahrzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3 ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels aus der2 in einem Funktionsmodus mit Batteriekühlung über den Kältekreislauf des Fahrzeugs; -
4a ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach2 in einem Betriebsmodus Batteriekühlung bei abgeschaltetem Kältekreislauf des Fahrzeugs; -
4b ist ein logarithmisches p/h-Diagramm, welches die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebsmodus Batteriekühlung der4a wiedergibt; -
5a ist ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels der Erfindung nach der2 im Betriebsmodus Batterievorwärmung; und -
5b ist ein logarithmisches p/h-Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebsmodus Batterievorwärmung (Kaltstart) der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der5a . - In der
1 ist ein Blockdiagramm einer Kühlungsvorrichtung für ein Mild-Hybridfahrzeug nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Die bekannte Technologie wurde oben in der Beschreibungseinleitung schon beschrieben. Die Vorrichtung10 funktioniert zur Kühlung der Hybridfahrzeug-Batterie2 unter Ausnutzung des Kältekreislaufs4 des Fahrzeugs. Hierfür ist die Batterie2 auf der Saugseite vor dem Verdampfer5 über einen Extrazweig des Kältekreislaufs angebunden. Vor dem Expansionsventil19 wird Kältemittel von dem Kältekreislauf4 abgezweigt und in Richtung zu der Batterie2 geleitet über ein Absperrventil14 und eine Drossel15 , im vorliegenden Beispiel eine so genannte Fixdrossel. In der Batterie2 ist ein Wärmetauscher beziehungsweise ein Wärmeübertragungsmittel vorgesehen, über welches die kühlere Temperatur des Kältemittels aus dem Kältekreislauf4 an die zu kühlende Batterie2 abgebbar ist. Der Rückfluss des Kältemittels erfolgt ebenfalls auf der Saugseite vor dem Verdampfer5 , jedoch nach dem Expansionsventil19 . Diese Technologie ist bekannt. Ein Nach teil liegt darin, dass die Batterie2 immer mit dem Kältekreislauf4 beziehungsweise A/C-Kreislauf des Fahrzeugs gekoppelt ist. Bei einem Kältekreislauf im Betrieb unter Temperaturen von in etwa –2°C besteht die Gefahr einer Verdampfervereisung des Verdampfers5 sowie eines Scheibenbeschlags im Innern des Fahrzeugs. Da in einer solchen Situation sodann ein Hybridbetrieb des Fahrzeugs nicht mehr möglich ist, weil die Batterie2 nicht unter ihrer maximal zulässigen Betriebstemperatur gehalten werden kann, entsteht diesbezüglich insgesamt ein Nachteil im Verbrauch des Fahrzeugs. Die Energiebilanz des Fahrzeugs ist insgesamt verschlechtert, da in bestimmten Betriebssituationen ein Hybridbetrieb des Fahrzeugs nicht möglich ist. - In der
2 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer Kühlungs- beziehungsweise Temperierungsvorrichtung10 gemäß der Erfindung ebenfalls in einem Blockdiagramm dargestellt entsprechend der1 . Im Unterschied zu der bekannten Kühlungsvorrichtung ist bei der erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung10 ein erweiterter Kältekreislauf1 zur Temperierung der HV-Batterie auch über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 vorgesehen, wie im Folgenden erläutert. Durch diesen erweiterten Kältekreislauf1 und die thermische Anbindung auch an den Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 kann eine Kühlung der Hybrid-Batterie2 auch bei abgeschaltetem Kältekreislauf4 des Fahrzeugs (A/C-Kreislauf beziehungsweise Klimaanlage) erfolgen. Zudem ist es möglich, die Batterie2 auch vorzuwärmen in einem Vorwärmungsbetriebsmodus zur Temperierung der Batterie2 beispielsweise beim Kaltstart des Fahrzeugs. Im Unterschied zur Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 der Kältekreislauf1 beziehungsweise ein erweiterter Zweig eines Kältekreislaufs vorgesehen, bei welchem eine Ableitung vor der Batterie2 und eine Zuleitung nach der Batterie2 vorge sehen ist. Der erweiterte Kältekreislauf1 umfasst einen zusätzlichen Wärmetauscher9 , der als ein Kältemittel-/Kühlmittelwärmetauscher ausgestaltet ist. Gegenüber der bekannten Kühlvorrichtung ist ferner das Absperrventil14 auf der stromabwärts gelegenen Seite nach der Batterie2 angeordnet und auf der druckseitigen Seite vor der Batterie2 ist ein Rückschlagventil16 vorgesehen. Der erweiterte Kältekreislauf1 umfasst ferner eine Kältemittelpumpe12 , über welche Kältemittel durch den Wärmetauscher9 und über die Batterie2 gefördert werden kann. Durch diesen erweiterten Kältekreislauf1 ergibt sich die Möglichkeit einer Kühlung der Batterie2 auch bei niedrigen Außentemperaturen beziehungsweise bei abgeschaltetem Kältekreislauf4 des Fahrzeugs. Sofern die batterieseitige Temperatur höher ist als die Kühlmitteltemperatur in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 , kann die Abwärme seitens der Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit Hilfe der Kältemittelpumpe12 über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 direkt an die Umgebung abgeführt werden. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß eine effiziente und eine in jeder Situation betriebssichere Batteriekühlung unabhängig von den Bedingungen und Situationen seitens des Kraftfahrzeug-Kältekreislaufs4 . Auch unterhalb von in etwa 10°C Außentemperatur kann die Kühlung gewährleistet werden. Mit relativ wenig technischem Zusatzaufwand wird die Vorrichtung in ihrer Betriebssicherheit um einiges erhöht. Außerdem kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 auch eine Vorwärmung der Batterie realisiert werden:
Wie es in der2 dargestellt ist, ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Bypassleitung11 vor dem Kühler8 in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf vorgesehen, die über ein 3/2-Wegeventil13 zu- oder abschaltbar ist. Mittels dieser Bypassleitung11 kann die Abwärme von Wärmequellen18 ,17 in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 genutzt werden, um die Batterie2 über den Wärmetauscher9 vorzuwärmen. Dies kann beispielsweise beim Kaltstart des Fahrzeugs zu einer weiteren Energieeinsparung führen. Insgesamt ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 zur Temperierung der Batterie2 eines Hybridfahrzeugs eine deutliche Reduzierung des Verbrauchs durch einen uneingeschränkt möglichen Hybridbetrieb gegeben. Die Hybridfahrzeug-Batterie2 , welche üblicherweise als Lithium-Ionen-Batterie realisiert ist, wird durch die jederzeit gewährleistete optimale Temperierung in ihrer Lebensdauer stark verlängert. Ein frühzeitiger Austausch beziehungsweise eine Wartung der Batterie ist damit nicht erforderlich. - In der
3 ist in einem Blockdiagramm entsprechend zu den vorherigen Figuren das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 bei einem Betriebsmodus dargestellt, in welchem die Kühlung der Batterie2 über den Kältekreislauf4 beziehungsweise Klimaanlagenkreislauf des Fahrzeugs erfolgt. In diesem Betriebsmodus ist das Absperrventil14 geöffnet und das Kältemittel durchströmt von dem Abgang vor dem Expansionsventil19 die Kühlungsmittel der Batterie2 . Der erweiterte Kältekreislauf1 ist in diesem Betriebsmodus nicht zugeschaltet. Dies ist eine Situation, welche bei Umgebungstemperaturen von höher als etwa 0°C eintritt, in welchen die Kühlung über den Kältekreislauf4 des Fahrzeugs ohne Gefahr einer Vereisung des Verdampfers5 oder eines Beschlags der Scheiben im Innern des Fahrzeugs möglich ist. Ein Wärmeeintrag vom Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 in den Kältekreislauf4 des Fahrzeugs erfolgt in dieser Situation nicht. Da der erweiterte Kältekreislauf1 nach der Erfindung hier nicht betätigt ist, ist auch die Kältemittelpumpe12 ausgeschaltet. Bei der Kältemittelpumpe12 kann es sich um eine Pumpe der Schwingkolbenbauart handeln, bei welcher der Kältemittelstrom durch den erweiterten Kältekreislauf1 bei ausgeschalteter Pumpe vollständig unterbunden wird. - In der
4a beziehungsweise4b sowie der5a ,5b ist das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung10 zur Temperierung einer Batterie2 jeweils in verschiedenen Betriebsmodi dargestellt. Die4a und4b zeigen den Betriebsmodus einer Batteriekühlung bei ausgeschaltetem Kältekreislauf4 des Fahrzeugs. Die5a ,5b dagegen zeigen den Betriebsmodus einer Batterievorwärmung der Hybrid-Batterie2 aus Abwärme seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs3 des Fahrzeugs über den erfindungsgemäßen erweiterten Kältekreislauf1 . - In den
4a und4b ist der Betriebsmodus einer Batteriekühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 dargestellt: Dieser Betriebsmodus einer Batteriekühlung wird automatisch über entsprechende Steuerungen bei Umgebungstemperaturen von in etwa weniger als 10°C eingestellt, wenn der Kältekreislauf4 des Fahrzeugs ausgeschaltet ist. Der erweiterte Kältekreislauf1 gemäß der Erfindung ist in diesem Betriebsmodus aktiv. Hierzu ist das Absperrventil14 geschlossen und auf Grund des Rückschlagventils16 erfolgt eine Förderung von Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe12 nur durch den erweiterten Zweig des erfindungsgemäßen Kältekreislauf1 , wobei die Ventile14 ,16 ein Strömen von Kühlmittel durch den ohnehin in diesem Betriebsmodus ausgeschalteten Kältekreislauf4 des Fahrzeugs unterbinden. Dies ist in der4a durch die dickeren Linien der Leitungen des erweiterten Kältekreislaufs1 und dem Bewegungspfeil dargestellt. Das Kühlmittel ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein R134a-Kühlmittel. Das Kühlmittel gelangt über die Förderung durch die Kühlmittelpumpe12 von dem Kältemittelkreislauf4 , in welchem die Batterie2 eingeschlossen ist, zu dem Wärmetauscher9 , bei wel chem thermisch der Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 mit dem erweiterten Kältekreislauf1 gekoppelt ist. Das flüssige Kühlmittel wird durch die Pumpe12 zum Verdampfer innerhalb der Batterie2 gefördert (A) und verdampft dort, bevor es wieder zu dem Wärmetauscher9 zurückströmt (B). Diese Situation ist in dem Druck-/Enthalpie-Diagramm (p/h-Diagramm) der4a dargestellt. Durch die höhere Temperatur seitens der Batterie2 kann erfindungsgemäß eine Batteriekühlung durch die Vorrichtung durch Ausnutzung von der niederen Temperatur an den Kühler8 des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs3 ausgenutzt werden. Die Umgebungstemperatur liegt deutlich unter der Batterietemperatur, wobei aus dem Diagramm nach der4b direkt ersichtlich ist, dass nur eine sehr geringe Pumpleitung (Pumpniveau p) hierfür erforderlich ist, da die Verdampfung und Kondensation von Kühlmittel in dem erweiterten Kühlkreislauf1 nach der Erfindung quasi auf ein und demselben Druckniveau ablaufen. Die erfindungsgemäße Kühlung der Hybrid-Batterie2 kann damit auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen von in etwa weniger als 10°C und bei abgeschaltetem Kältekreislauf4 des Fahrzeugs effektiv durchgeführt werden. Die Lebensdauer der Batterie2 ist hierdurch deutlich erhöht. Eine energiesparende Hybridfunktion ist auch bei niedrigen Temperaturen in der Umgebung und abgeschaltetem Klimaanlagenkreislauf des Fahrzeugs gewährleistet. - In den
5a und5b ist demgegenüber eine alternative und vorzugsweise Betriebsart der Vorrichtung10 nach der Erfindung dargestellt. Diese5a und5b zeigen den Betriebsmodus einer Batterievorwärmung, der beispielsweise beim Kaltstart des Fahrzeugs vorteilhafterweise umgesetzt werden kann. Bei diesem Betriebsmodus ist ebenso das Absperrventil14 geschlossen und eine Förderung von Kühlmittel erfolgt durch die Kältemittelpumpe12 über den erweiterten Kältekreislauf1 nur über den Erweiterungszweig und durch den Ver dampfer innerhalb der Batterie2 . Dies wird einerseits durch das Rückschlagventil16 und andererseits durch das Absperrventil14 gewährleistet. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Betriebsmodus ist jedoch hier eine Bypassleitung11 auf Seiten des Kühlers8 in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 über ein 3/2-Wegeventil13 zugeschaltet. Dadurch wird das Kühlmittel nicht über den Kühler8 geleitet sondern vor diesem Kühler8 durch die Bypassleitung11 abgezweigt. Dadurch ist es möglich, die Abgabe von Wärme seitens der Elemente in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 , nämlich der Leistungselektronik beziehungsweise Leistungseinheit17 und dem DC/DC-Wandler18 auszunutzen und die davon abgegebene Wärme an die Batterie2 zu deren Vorwärmung abzugeben. Der abgekürzte Fluss von Kühlmittel in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 ist durch die mit dickerer Linie hervorgehobene Leitungsdarstellung der Verbindungen zwischen Elementen in der5a dargestellt. Das flüssige Kühlmittel des Kältekreislaufs4 des Fahrzeugs, welches durch den abgekürzten erweiterten Kältekreislauf1 strömt, lagert sich in dem Kühlmittel-/Kältemittel-Wärmetauscher9 ab, weil dieser Wärmetauscher9 geodätisch tiefer als die Batterie und der in die Batterie integrierte Verdampfer liegt. Durch den Wärmeeintrag der Leistungselektronik17 und/oder des DC/DC-Wandlers (beziehungsweise Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers) in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 verdampft das Kühlmittel im Wärmetauscher9 . Durch eine Kondensation wird die im Kühlmittel enthaltene Verdampfungswärme am kalten Batterieverdampfer abgegeben und kann folglich zur Aufwärmung der Batterie2 genutzt werden. Der Vorteil dieser Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 liegt in einem schnelleren Erreichen eines effizienten Betriebsbereichs der Hybridfahrzeug-Batterie2 und einer damit verbundenen erweiterten und jederzeit gegebenen Funktionalität der Hybridfunktion des Fahrzeugs. Dies resultiert insgesamt in einem deutlich reduzier teren Verbrauch des Fahrzeugs auf Grund der weitergehenden Nutzung der Hybridfunktion. Der Grund für diese vorteilhafte Ausgestaltung liegt unter anderem darin, dass die Batterie2 eines Hybridfahrzeugs in der Regel einen reduzierten oder geringen Be-/Entladungswirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen aufweist, sodass der Hybridbetrieb des Fahrzeugs dann stark eingeschränkt ist. Erfindungsgemäß kann dem entgegengewirkt werden, indem der erweiterte Kältekreislauf1 hier zur Vorwärmung der Batterie über die Bypassleitung11 eingesetzt wird. - Dies ist auch in dem p/h-Diagramm der
5b dargestellt. Die Temperatur der Batterie2 liegt hier über der Temperatur des Kühlmittels in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf3 . Am Eingangspunkt A weist das Kühlmittel eine niedrigere Temperatur beziehungsweise einen niedrigeren Wärmegehalt auf, wohingegen beim Austrittspunkt B nach Abgabe von Wärme seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs3 das Kühlmittel dementsprechend in der Wärmemenge reduziert ist. Ein Druckniveauunterschied zwischen A und B besteht sozusagen nicht beziehungsweise kaum, sodass die Förderleistung der Kühlmittelpumpe12 nicht ins Gewicht fällt. Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung10 zur Temperierung einer Hybrid-Batterie2 eine erhöhte Funktionssicherheit und erhöhte Flexibilität in der Nutzung des Hybridmodus eines Fahrzeugs. Die Energiebilanz ist deutlich verbessert und eine höhere Ausnutzung von der Vorteilhaftigkeit des Hybridmodus ist gewährleistet. - Die Erfindung ist nicht auf die vorgestellte Ausführungsform beschränkt und umfasst alle äquivalente Techniken, welche in die Reichweite der nachfolgenden Ansprüche fallen können.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4408960 [0002]
- - DE 10128164 A1 [0003]
- - DE 102004035879 A1 [0004]
Claims (8)
- Vorrichtung (
10 ) zur Kühlung bzw. Temperierung einer Batterie (2 ) in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV) mit Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb, mit einem Niedertemperatur-(NT)-Kühlkreislauf (3 ) des Fahrzeugs, welcher mindestens mit einem Verdampfer (5 ), einem Verdichter (6 ), einem Kondensator (7 ) und einem Kühler (8 ) versehen ist, an welchen die Batterie (2 ) über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf (4 ) verdampferseitig zur Kühlung der Batterie (2 ) über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kältekreislauf (4 ) und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ) ein erweiterter Kältekreislauf (1 ) mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (9 ) vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ) und die Batterie (2 ) kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie (2 ) bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie (2 ) in einem Kühlungsmodus und/oder zur Zufuhr von Wärme zur Vorwärmung der Batterie (2 ) in einem Vorwärmmodus bzw. beim Kaltstart miteinander thermisch koppelbar sind. - Vorrichtung (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kältemittelpumpe (12 ) zum Fördern von Kältemittel durch den Wärmetauscher (9 ) im erweiterten Kältekreislauf (1 ) vorgesehen ist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (4 ) saugseitig ein Absperrventil (14 ) vorgesehen ist, mittels welchem der Kältekreislauf (4 ) deaktivierbar ist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (4 ) niederdruckseitig eine Kältemittelpumpe (12 ) vorgesehen ist, mit welcher der Kältekreislauf (4 ), durch abschalten der Kältemittelpumpe (12 ) im Betriebsmodus Batteriekühlung vom Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ) trennbar ist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ) auf Seiten des Kühlers (8 ) und dem Wärmetauscher (9 ) des erweiterten Kältekreislauf (1 ) eine Bypassleitung (11 ) über ein Ventil (13 ) zuschaltbar ist zur Vorwärmung der Batterie (2 ) mit Abwärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ), wobei der Kühlmittelstrom durch den Kühler (8 ) über die Bypassleitung (11 ) unterbrochen ist. - Vorrichtung (
10 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (17 ) und ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (18 ) bzw. DC/DC-Wandler im Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3 ) vorgesehen sind, deren Abwärme zur Vorwärmung der Batterie (2 ) über den Wärmetauscher (9 ) an die Batterie (2 ) im Vorwärmmodus übertragen wird. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel vorgesehen sind zum wahlweisen Umschalten in einen Batteriekühlungsmodus und/oder einen Batterievorwärmmodus. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erweiterte Kühlkreislauf (1 ) vor und nach einer direkten Batteriekühlungsleitung angeschlossen ist.
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Cited By (36)
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