DE102007017172A1 - Cooling system for cooling e.g. battery of hybrid vehicle, has cooling circuit formed such that circulating direction of medium is reversible after time interval or in accordance to regulation based on temperature of cooling-needy unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine kühlbedürftige Einheit, insbesondere für einen elektrischen Energiespeicher, eine Leistungselektronik, einen Elektromotor und/oder eine Brennstoffzelle, insbesondere für ein Fahrzeug.The The invention relates to a cooling system for a refrigerated unit, especially for an electrical energy storage, power electronics, a Electric motor and / or a fuel cell, in particular for a vehicle.
Ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, wird von einem Antriebsaggregat angetrieben, das einen Verbrennungsmotor und/oder einen Elektromotor aufweist. Besteht das Antriebsaggregat aus dem Elektromotor, so handelt es sich um ein Elektrofahrzeug, besteht hingegen das Antriebsaggregat aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, so handelt es sich um ein Hybridfahrzeug. In dem Elektrofahrzeug und dem Hybridfahrzeug wird zu Traktions- und Rekuperationszwecken ein Energiespeicher eingesetzt. Der Energiespeicher ist beispielsweise eine Batterie, die beispielsweise auf Li-Ionen-, NiMH- oder Li-Polymer-Technologie, oder auf Doppelschicht-Kondensatoren oder einem Li-Kondensator oder einem Hybrid aus Kondensatoren und elektrochemischen Zellen basiert. Der Energiespeicher ist zur Abgabe von hoher elektrischer Leistung eingerichtet und somit auf hohe Spannungen, z. B. von 150 bis 600 Volt, ausgelegt, damit die bei der Leistungsabgabe auftretenden Stromstärken in einem technisch beherrschbaren Bereich sich bewegen.One Vehicle, especially a motor vehicle, is powered by a drive unit driven, the an internal combustion engine and / or an electric motor having. If the drive unit from the electric motor, so if it is an electric vehicle, on the other hand, the drive unit is made an internal combustion engine and an electric motor, so it is to a hybrid vehicle. In the electric vehicle and the hybrid vehicle becomes traction and Rekuperationszwecken used an energy storage. The energy storage is, for example, a battery which, for example, is based on Li-ion, NiMH or Li-polymer technology, or on double-layer capacitors or a Li-capacitor or based on a hybrid of capacitors and electrochemical cells. The energy storage is to deliver high electrical power set up and thus to high voltages, z. From 150 to 600 Volts, designed to withstand the power output Amperages in a technically manageable area to move.
Sowohl die Batterie als auch der Kondensator sind herkömmlich aus einer Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen aufgebaut, die miteinander elektrisch zu einem Modul verbunden sind. Zur Erreichung einer gewünschten Abgabespannung und einer gewünschten Abgabestromstärke sind die Einzelzellen entsprechend in Serie und/oder parallel in dem Modul verschaltet.Either the battery as well as the capacitor are conventionally of a plurality of electrochemical Single cells constructed, which together electrically to form a module are connected. To achieve a desired output voltage and a desired one Output current the single cells are correspondingly in series and / or parallel in the Module interconnected.
Es ist bekannt, dass die Einzelzellen im Laufe der Betriebsdauer degradieren können. Die Einzelzellen degradieren dann, wenn sie in einem für sie ungünstigen Temperaturbereich betrieben werden. Somit sind für Batterien bevorzugte Temperaturbereiche definiert, z. B. für eine NiMH-Batterie 10 bis 55 Grad Celsius und für eine Li-Ionen-Batterie 10 bis 40 Grad Celsius. Allerdings ist es möglich, dass die Batterie, die im Bauraum des Kraftfahrzeugs eingebaut ist und dort betrieben wird, Temperaturen ausgesetzt ist, die außerhalb der bevorzugten Temperaturbereiche liegen. Ferner sind die Lade- und/oder Entladevorgänge der Batterie mit stromstärkeabhängigen Verlustwirkungsgraden behaftet, so dass die Batterie sich beim Laden- und/oder Entladen erwärmen kann. Dabei kann sich die Batterie derart stark erwärmen, dass sie eine Betriebstemperatur hat, die außerhalb des bevorzugten Temperaturbereichs liegt.It It is known that the single cells degrade over the course of their service life can. The single cells degrade when they are unfavorable to them Temperature range can be operated. Thus, batteries are preferred temperature ranges defined, z. For example a NiMH battery 10 to 55 degrees Celsius and for a Li-ion battery 10th up to 40 degrees Celsius. However, it is possible that the battery, the is installed in the space of the motor vehicle and operated there, Temperatures that are outside the preferred temperature ranges lie. Furthermore, the loading and / or unloading of the Battery with current-dependent loss efficiencies Afflicted, so that the battery during loading and / or unloading heat can. In this case, the battery can heat up so much that it has an operating temperature that is outside the preferred temperature range lies.
Ist die Batterie bis zu einem bestimmten Grad degradiert, so ist sie nicht mehr funktionsfähig, so dass die Batterie ausgetauscht werden muss. Um eine ausreichende Betriebssicherheit der Batterie bereit zu stellen, ist der Grad des Degradierens der Batterie im Betrieb zu überwachen, damit vor Eintreten der Funktionsuntüchtigkeit der Batterie entsprechende Maßnahmen zur Aufrechterhaltung des Betriebs der Batterie getroffen werden können.is the battery degrades to a certain degree, that's how it is no longer functional, so that the battery needs to be replaced. To get a sufficient Providing operational safety of the battery is the degree To monitor the degradation of the battery during operation, so before the occurrence of the inoperability the battery appropriate measures be taken to maintain the operation of the battery can.
So schreibt in einigen Ländern der Gesetzgeber exakte Rahmenbedingungen zum Betrieb der Batterie vor, z. B. wie lange ein Fahrzeughersteller für den Betrieb der Batterie zu garantieren hat.So writes in some countries the legislator exact conditions for the operation of the battery before, z. B. how long a vehicle manufacturer for the operation of the battery to guarantee.
Damit die Batterie nicht übermäßig außerhalb des bevorzugten Temperaturbereichs betrieben wird, ist sie zu klimatisieren. Dadurch wird die Batterie möglichst im bevorzugten Temperaturbereich betrieben und degradiert nur schwach.In order to the battery is not overly outside the preferred temperature range is operated, it is to be conditioned. This will make the battery as possible operated in the preferred temperature range and degraded only weakly.
Um zu unterbinden, dass die Batterie bei zu hoher Temperatur betrieben wird, ist sie zu kühlen. Das Kühlen der Batterie kann mittels eines Kühlkreislaufs, in dem ein Kühlmittel umgewälzt wird und die Batterie kühlt, bewerkstelligt werden. Alternativ kann die Batterie durch Luft gekühlt werden. Die Kühlluft kann mittels einer Klimaanlage, die in dem Fahrzeug vorgesehen ist, gekühlt werden, wobei bei hohen Umgebungstemperaturen die Kühlleistung der Klimaanlage zum Kühlen der Batterie nicht ausreichen kann. Außerdem kann das Kühlen der Batterie mittels eines Kältekreislaufs bewerkstelligt werden.Around to prevent the battery from operating at too high a temperature is, it is cool. The Cool The battery can by means of a cooling circuit in which a coolant circulated and the battery cools, be accomplished. Alternatively, the battery can be cooled by air. The cooling air can be cooled by means of an air conditioning system provided in the vehicle wherein at high ambient temperatures, the cooling capacity of the air conditioner for cooling the battery can not be enough. In addition, the cooling of the Battery by means of a refrigeration cycle be accomplished.
Beim Einbinden der Batterie in den Kühlkreislauf wird durch Wärmeübertragung zwischen der Batterie und dem Kühlmittel die Kühlung der Batterie erreicht. Je größer der lokale Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel und der Batterie ist, desto größer ist die von der Batterie auf das Kühlmittel lokal übertragene Wärmeleistung und umso größer ist die Kühleffektivität. Am Kühlmitteleintritt ist die Batterie wärmer und das Kühlmittel kälter als am Kühlmittelaustritt. Dadurch ist der Temperaturunterschied zwischen der Batterie und dem Kühlmittel am Kühlmitteleintritt größer als am Kühlmittelaustritt, wodurch die Kühleffektivität am Kühlmitteleintritt höher ist als am Kühlmittelaustritt.At the Integration of the battery in the cooling circuit is through heat transfer between the battery and the coolant the cooling reached the battery. The bigger the local temperature difference between the coolant and the battery is the more is larger from the battery to the coolant locally transmitted heat output and the bigger the cooling efficiency. At the coolant inlet the battery is warmer and the coolant colder as at the coolant outlet. This is the temperature difference between the battery and the coolant at the coolant inlet greater than at the coolant outlet, whereby the cooling efficiency at the coolant enters is higher as at the coolant outlet.
Dadurch degradieren der Bereich der Batterie bzw. die Batteriezellen am Kühlmittelaustritt schneller als der Bereich der Batterie bzw. die Batteriezellen am Kühlmitteleintritt.Thereby degrade the area of the battery or the battery cells on Coolant outlet faster as the area of the battery or the battery cells at the coolant inlet.
Da die Batterie ihre Funktionsfähigkeit zumindest einbüßt, wenn Bereiche der Batterie bzw. einzelne Batteriezellen stark degradiert sind, muss die Batterie ausgetauscht werden, obwohl andere Bereiche der Batterie, insbesondere im Bereich des Kühlmitteleintritts, noch eine ausreichende Funktionstüchtigkeit haben.There the battery is functioning at least forfeits, though Areas of the battery or individual battery cells greatly degraded are, the battery needs to be replaced, although other areas the battery, especially in the area of the coolant inlet, yet another sufficient functionality to have.
Insbesondere, wenn die Batteriezellen in Reihe geschaltet sind, wird die Stromstärke, die von der Batterie abgebbar ist, von der am stärksten degradierten Batteriezelle vorgegeben. Dadurch ist die Batterie anfällig für Degradieren und hat, kurze Wartungsintervalle eine kurze Lebensdauer und somit hohe Betriebskosten.Especially, When the battery cells are connected in series, the amperage, the discharged from the battery, from the most degraded battery cell specified. This makes the battery prone to degradation and has, short Maintenance intervals a short life and thus high operating costs.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem für eine kühlbedürftige Einheit zu schaffen, die mittels des Kühlsystems zuverlässig bei einer langen Lebensdauer kostengünstig betreibbar ist.task The invention is a cooling system for a unit in need of refrigeration to create, by means of the cooling system reliable can be operated cost-effectively with a long service life.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem für eine kühlbedürftige Einheit weist einen ein umwälzbares Kühlmittel aufweisenden Kühlkreislauf auf, der derart eingerichtet ist, dass die Umwälzrichtung des Kühlmittels nach mindestens einem vorherbestimmten Zeitintervall oder gemäß einer auf eine Temperatur der kühlbedürftigen Einheit basierenden Regelung umkehrbar ist.The Cooling system according to the invention for a refrigerated unit has a recirculating coolant having cooling circuit on, which is arranged such that the direction of circulation of the coolant after at least a predetermined time interval or according to a to a temperature of the cooler Unit-based regulation is reversible.
Die kühlbedürftige Einheit wird mittels des Kühlmittels gekühlt, das in dem Kühlkreislauf umgewälzt wird. Die Umwälzung des Kühlmittels erfolgt entweder in die eine Richtung oder in die andere Richtung. Wenn die Umwälzung des Kühlmittels startet, beginnt der Zeitintervall zu laufen. Während der Dauer des Zeitintervalls wird das Kühlmittel in die eine Richtung umgewälzt. Dauert der Betrieb des Kühlkreislaufs derart lange, dass das vorherbestimmte Zeitintervall erreicht ist, wird die Umwälzrichtung des Kühlmittels umgekehrt, so dass ab Erreichen des vorherbestimmten Zeitintervalls das Kühlmittel in die andere Richtung umgewälzt wird.The refrigerated unit is by means of the coolant cooled, that in the cooling circuit circulated becomes. The upheaval of the coolant takes place either in one direction or in the other direction. When the upheaval of the coolant starts, the time interval starts to run. During the duration of the time interval becomes the coolant circulated in one direction. Takes the operation of the cooling circuit so long that the predetermined time interval is reached, becomes the direction of circulation of the coolant vice versa, so that from reaching the predetermined time interval the coolant circulated in the other direction becomes.
Unter wird dem Kühlkreislauf wird auch ein Kältekreislauf und unter dem Kühlmittel wird auch ein Kältemittel verstanden.Under is the cooling circuit will also be a refrigeration cycle and under the coolant also becomes a refrigerant Understood.
Im Betrieb wird die Temperatur der kühlbedürftigen Einheit als Messgröße der Regelung bereitgestellt, die in Abhängigkeit der Messgröße gemäß einem vorbestimmten Kriterium die Umkehr der Umwälzrichtung des Kühlmittels auslöst. Die Messgröße kann eine Temperaturdifferenz sein, bevorzugt die Differenz der Temperaturen des Kühlmittels am Kühlmitteleintritt und am Kühlmittelaustritt der kühlbedürftigen Einheit.in the Operation is the temperature of the unit requiring cooling as a measure of the control provided in dependence the measurand according to a predetermined criterion, the reversal of the direction of circulation of the coolant triggers. The measurand can be a temperature difference, preferably the difference of the temperatures of the coolant at the coolant inlet and at the coolant outlet the cool one Unit.
Bevorzugt ist die kühlbedürftige Einheit eine Batterie eines Hybridfahrzeugs.Prefers is the cool unit a battery of a hybrid vehicle.
Durch die Richtungsumkehr der Kühlmittelumwälzung wird erreicht, dass der Kühlmitteleintrittsbereich und der Kühlmittelaustrittsbereich der Batterie vertauscht werden.By the direction reversal of the coolant circulation is achieved that the coolant inlet area and the coolant exit area the battery are reversed.
Die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Batterie ist am Kühlmitteleintritt höher als am Kühlmittelaustritt. Dadurch ist die Kühleffektivität am Kühlmitteleintritt höher als am Kühlmittelaustritt. Somit wird durch das Vertauschen des Kühlmitteleintrittsbereichs mit dem Kühlmittelaustrittsbereich die Kühleffektivität innerhalb der Batterie statistisch egalisiert.The Temperature difference between the coolant and the battery is at the coolant inlet higher than at the coolant outlet. As a result, the cooling efficiency at the coolant inlet higher than at the coolant outlet. Thus, by swapping the coolant entry area with the coolant outlet area the Cooling efficiency within the battery statistically equalized.
Dadurch ist die Kühlung der Batterie gleichmäßig, so dass Bereiche der Batterie, die sonst einer höheren Degradierung ausgesetzt wären, verhindert werden. Somit sind die Wartungsintervalle und die Lebensdauer der Batterie lang. Dadurch ist die Batterie zuverlässig und kostengünstig betreibbar.Thereby is the cooling the battery evenly, so that areas of the battery that are otherwise exposed to higher degradation would, be prevented. Thus, the maintenance intervals and the service life the battery is long. This makes the battery reliable and economical operated.
Alternativ weist das Kühlsystem eine Luftkühlung auf. Bevorzugt weist das Kühlsystem ein Gebläse auf, dessen Drehrichtung nach mindestens dem vorherbestimmten Zeitintervall umkehrbar ist.alternative has the cooling system an air cooling on. Preferably, the cooling system a fan on, whose direction of rotation after at least the predetermined time interval is reversible.
Bevorzugt ist der Kühlkreislauf derart eingerichtet, dass die Umwälzrichtung des Kühlmittels nach mehreren Zeitintervallen jeweils umkehrbar ist, die gleichlang sind.Prefers is the cooling circuit set up such that the direction of circulation of the coolant after each time interval is reversible, which are the same length.
Dadurch wird eine gleichmäßige Kühlung der Batterie erreicht, wobei einzelne Bereiche der Batterie hohen Temperaturen nicht ausgesetzt sind. Somit ist ein ungleichmäßiges Degradieren einzelner Bereich der Batterie unterbunden.Thereby will ensure even cooling of the battery achieved, with individual areas of the battery high temperatures are not exposed. Thus, uneven degradation is single Area of the battery prevented.
Es ist bevorzugt, dass der Kühlkreislauf eine Umwälzpumpe aufweist, die zur Umkehrung der Umwälzrichtung entsprechend ansteuerbar ist.It it is preferred that the cooling circuit a circulation pump has, which can be controlled according to the reversal of the direction of circulation is.
Dabei ist vorteilhaft die Umkehrung der Umwälzrichtung mittels der Umwälzpumpe umkehrbar.there is advantageous the reversal of the direction of circulation by means of the circulation pump reversible.
Bevorzugt hat die Umwälzpumpe eine Antriebsrichtung, die zur Umkehrung der Umwälzrichtung entsprechend umkehrbar ist. Ferner ist bevorzugt die Umwälzpumpe eine Kreiselpumpe.Prefers has the circulation pump a drive direction corresponding to the reversal of the Umwälzrichtung reversible is. Furthermore, the circulation pump is preferably a centrifugal pump.
Dadurch, dass die Antriebsdrehrichtung der Kreiselpumpe umgekehrt werden kann, kann dadurch die Durchströmrichtung und somit die Umwälzrichtung entsprechend umgekehrt werden.Thereby, that the driving direction of rotation of the centrifugal pump are reversed can, can thereby the flow direction and thus the direction of circulation be reversed accordingly.
Alternativ dazu weist der Kühlkreislauf eine Ventilanordnung auf, die derart ansteuerbar und schaltbar ist, dass mittels der Ventilanordnung die Umkehrung der Umwälzrichtung bewerkstelligbar ist.alternative this is indicated by the cooling circuit a valve arrangement which is controllable and switchable in this way, that by means of the valve arrangement, the inversion of the direction of circulation can be accomplished.
Vorteilhaft kann die Umwälzpumpe kontinuierlich betrieben werden, wobei ein instationärer Betrieb der Umwälzpumpe zur Umkehrung der Umwälzrichtung nicht notwendig ist. Dies wird dadurch erreicht, dass mittels der Ventilanordnung die Umkehrung der Umwälzrichtung handhabbar ist, indem die Ventilanordnung entsprechend angesteuert und geschaltet wird. Dadurch kann bevorzugt schnell und zuverlässig die Umwälzrichtung umgekehrt werden, wobei die Umwälzpumpe im stationären Betrieb betrieben werden kann.Advantageously, the circulation pump can be operated continuously, wherein a transient operation of the circulation pump for reversing the circulation direction is not necessary. This is achieved in that by means of the valve arrangement, the reversal of the circulation direction can be handled by the valve assembly is driven and switched accordingly. As a result, preferably fast and the direction of circulation can be reliably reversed, whereby the circulation pump can be operated in stationary operation.
Bevorzugt weist das Kühlsystem ein Temperaturmanagementsystem auf, mit dem die Temperatur und/oder die Temperaturverteilung in der kühlbedürftigen Einheit erfassbar und in Abhängigkeit davon das Zeitintervall bestimmbar ist.Prefers has the cooling system a temperature management system with which the temperature and / or the temperature distribution in the unit in need of cooling detectable and dependent on of which the time interval can be determined.
Dadurch kann vorteilhaft mittels des Temperaturmanagementsystems die Umkehrung der Umwälzrichtung des Kühlmittels basierend auf den bestimmten Zeitintervall bzw. die bestimmten Zeitintervalle derart gestaltet werden, so dass innerhalb der kühlbedürftigen Einheit eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung auftritt.Thereby can advantageously by means of the temperature management system, the inversion the direction of circulation of the coolant based on the specific time interval or time intervals be designed so that within the unit in need of cooling as possible uniform temperature distribution occurs.
Bevorzugt ist die kühlbedürftige Einheit eine Batterie und/oder eine Leistungselektronik und/oder ein Elektromotor und/oder eine Brennstoffzelle bevorzugt, für ein Fahrzeug und noch bevorzugter für ein Hybridfahrzeug.Prefers is the cool unit a battery and / or power electronics and / or an electric motor and / or a fuel cell, for a vehicle, and more preferably for a Hybrid vehicle.
Die Batterie in dem Hybridfahrzeug ist stark kühlbedürftig, da sie im Betrieb einer hohen Erwärmung ausgesetzt ist und dadurch stark degradiert. Mittels des Kühlsystems für die Batterie in dem Hybridfahrzeug ist es ermöglicht, dass die Batterie gleichmäßig und nicht einseitig degradiert und somit eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer hat.The Battery in the hybrid vehicle is in great need of cooling, as they are in operation high warming is exposed and thereby greatly degraded. By means of the cooling system for the Battery in the hybrid vehicle it allows the battery evenly and not degraded on one side and thus a high reliability and lifetime has.
Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlsystems anhand
der beigefügten
schematischen Zeichnung erläutert.
Es zeigt
Wie
es aus
Das
Kühlsystem
Das
Kühlsystem
Ferner
weist das Kühlsystem
Das
Kühlsystem
Zusätzlich weist
das Kühlsystem
Das
Kühlmittelsystem
Ist
das erste Ventil
Wird
von der Umwälzpumpe
Das
Kühlsystem
Dadurch
ist die Durchströmungsrichtung
des Kühlmittels
durch die Batterie
Das
Temperaturmanagementsystem ist derart eingerichtet, das erste Ventil
Alternativ
kann das Kühlsystem
- 11
- Kühlsystemcooling system
- 22
- Batteriebattery
- 33
- Umwälzpumpecirculating pump
- 44
- Zuströmleitunginflow
- 55
- Abströmleitungoutflow
- 66
- erste Batterieleitungfirst battery lead
- 77
- zweite Batterieleitungsecond battery lead
- 88th
- erster Leitungsabschnittfirst line section
- 99
- zweiter Leitungsabschnittsecond line section
- 1010
- dritter Leitungsabschnittthird line section
- 1111
- vierter Leitungsabschnittfourth line section
- 1212
- erstes Ventilfirst Valve
- 1313
- zweites Ventilsecond Valve
- 1414
- drittes Ventilthird Valve
- 1515
- viertes Ventilfourth Valve
Claims (8)
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