DE102010038773A1

DE102010038773A1 - Batterie-Kühlsystem

Info

Publication number: DE102010038773A1
Application number: DE201010038773
Authority: DE
Inventors: Dr. rer. nat. Neumeister Dirk; Dr.-Ing. Wiebelt Achim
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012016885A1

Abstract

Batterie-Kühlsystem (1), insbesondere für ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug, mit einem Chiller (3) zum Wärmeübergang zwischen einem Kältemittel-Kreislauf (5) und einem Kühlmittel-Kreislauf (6) und mit einem dem Chiller (4) zugeordneten Bypass (4), derart dass bei vorgegebenem Volumenstrom durch dessen geregelte bzw. gesteuerte Aufteilung auf den Chiller (3) bzw. auf den Bypass (4) die jeweils gewünschte Kühlleistung in dem Chiller (3) übertragbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Kühlsystem gemäß Anspruch 1.
Batterie-Kühlsysteme sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise besteht ein Sekundärkreislauf zur Kühlung einer Batterie für ein Hybrid- oder E-Fahrzeug im Wesentlichen aus Kühlkomponenten innerhalb des Batteriemoduls (z. B. Kühlplatten), einer Pumpe zur Förderung des Kühlwassers sowie einem Chiller, in dem Kälte aus einem Kältekreislauf in den Sekundärkreislauf überfragen wird. Am Batterieeintritt ist durch dieses Batteriekühlungssystem je nach Betriebszustand und Betriebsstrategie ein bestimmter Volumenstrom bei einer bestimmten Temperatur bereitzustellen. Für den Chiller bedeutet dies, dass er unter unterschiedlichen Randbedingungen gleiche Leistungen bzw. unter gleichen Randbedingungen unterschiedliche Leistungen übertragen muss. Die Randbedingungen ergeben sich dabei aus den Zuständen, die im Kältekreislauf und im Sekundärkreislauf vorliegen. Da diese beiden Kreisläufe jedoch zum Teil unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt sind – der Kältekreislauf vor allem den Umgebungsbedingungen und der Sekundärkreislauf dem Fahrprofil – ergeben sich undefinierte Zusammenhänge zwischen den Randbedingungen und den geforderten Übertragungsleistungen.
Die Abstimmung des Sekundärkreislaufes mit dem Kältekreislauf über die Verbindungskomponente Chiller ist also sehr komplex. Entsprechend aufwendig, komplex und vor allem teuer gestaltet sich auch die Regelung der Batteriekühlung, die sicherstellen muss, dass sich die Batterie unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen in einem thermisch unkritischen Zustand befindet.
Beispielsweise offenbart die US 02009 024 9807 A1 ein HVAC- und Batterietemperatursystem für ein Fahrzeug mit einer Fahrgastzelle und einem Batteriestapel, wobei das System u. a. einen Kältemittelkreislauf umfasst, der einen Kompressor, einen Kondensator, einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel umfasst. Der erste Schenkel umfasst eine Verdampferexpansionseinrichtung und einen Verdampfer, der ausgestaltet ist, um eine Kühlung für die Fahrgastzelle bereitzustellen, und der zweite Schenkel eine Batterieexpansionseinrichtung und ein Kühlaggregat umfasst. Ferner ist ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen, der so ausgestaltet ist, dass er ein Kühlmittel durch den Batteriestapel leitet, und der ein steuerbares Kühlmittelleitventil, einen Umgehungszweig und einen Kühlaggregatzweig umfasst, wobei das Kühlaggregat in dem Kühlaggregatzweig angeordnet ist und das Kühlmittelleitventil einen Umgehungsauslass, der das Kühlmittel in den Umgehungszweig leitet, und einen Kühlaggregatauslass aufweist, der das Kühlmittel in den Kühlaggregatzweig und durch das Kühlaggregat hindurchleitet.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Batterie-Kühlsystemen ist jedoch, dass für die Regelung der Batteriekühlung ein hoher sensorischer und aktuatorischer Aufwand betrieben wird, woraus die Verwendung von teuren Komponenten bei gleichzeitig erhöhtem Bauraumbedarf resultiert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Batterie-Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, welches eine günstige Regelung der Batteriekühlung mit Sekundärkreislauf ermöglicht und gleichzeitig einfach und kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batterie-Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Batterie-Kühlsystem, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug, mit einem Chiller zum Wärmeübergang zwischen einem Kältemittel-Kreislauf und einem Kühlmittel-Kreislauf und mit einem dem Chiller zugeordneten Bypass versehen ist, derart dass bei vorgegebenem Volumenstrom durch dessen geregelte bzw. gesteuerte Aufteilung auf den Chiller bzw. auf den Bypass die jeweils gewünschte Kühlleistung in dem Chiller übertragbar ist. Es wird also nur soviel Volumenstrom durch den Chiller geleitet, dass die gewünschte Kühlleistung im Chiller übertragen wird. Da keine Zustandsgröße des Kältemittel-Kreislaufes für die Regelung notwendig ist, muss im Kältemittel-Kreislauf kein sensorischer und/oder aktuatorischer Zusatzaufwand betrieben werden. Das vorgeschlagene Batterie-Kühlsystem kommt somit mit wenigen, standardisierten Komponenten aus.
Bei der Batterie kann es sich um eine Batterie (wiederaufladbar) im klassischen Sinne oder eine Brennstoffzelle handeln. Batterien sind insbesondere bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen notwendig. Ein Hybridfahrzeug benötigt neben einer Hauptantriebseinheit (Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle) eine leistungsfähige Batterie, die eine sehr hohe Wärmelast erzeugt, die abzuführen ist. Diese Wärmelast kann bei hoher Antriebsleistung (zum Beispiel Bergpfad) bis zu 2 kW betragen. Die Batterie speist einen Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Insofern stellt diese Batterie eine Fahrbatterie dar. Handelt es sich um ein reines Elektrofahrzeug, so treten die vorstehend genannten Probleme ebenfalls auf, wobei jedoch kein Verbrennungsmotor vorhanden ist, der Antrieb somit nur mittels elektrischer Energie erfolgt. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen wird der Hauptantrieb als Elektromotor ausgebildet und von der Brennstoffzelle versorgt. Mittels einer Batterie kann der bereits erwähnte Elektromotor zusätzlich oder allein betrieben werden, um den Brennstoffzellenantrieb zu unterstützen oder anstelle der Brennstoffzelle die Batterie für den Antrieb zu verwenden.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Regelgröße für die Aufteilung des Volumenstroms dessen Rücklauf-Temperatur oder Vorlauf-Temperatur dienen kann. Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Regelgröße aktuelle Belastungsdaten, insbesondere Ladestrom bzw. Entladestrom bzw. Erwärmung, der Batterie verwendet werden können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann als Regelkomponente ein Thermostatventil vorgesehen sein. Ein Thermostatventil ist ein mechanischer Temperaturregler, der abhängig von der Umgebungstemperatur über ein Ventil einen niedrigeren oder höheren Durchfluss gewährt, um eine Temperatur konstant zu halten.
Ferner kann als Regelkomponente ein Kennfeld-Thermostat vorgesehen sein. Ein kennfeldgesteuertes Thermostat weist im Gegensatz zu einem normalen Dehnstoff-Thermostat ein an die Betriebsbedingungen angepasstes Regelverhalten auf.
Beispielsweise kann die Regelkomponente in dem Bypass vorgesehen sein. Ferner kann die Regelkomponente in dem Chiller-Rücklauf bzw. Vorlauf vorgesehen sein.
Als flüssiges Kühlmittel kann insbesondere eine Sole (bevorzugt ein Wasser-Glysantin-Gemisch) zum Einsatz kommen. Es eignen sich auch andere Kühlflüssigkeiten, die in der Lage sind, die Wärmelast der Batterie abzuführen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Regelkomponente direkt in dem Rücklauf- bzw. Vorlauf-Verteiler zwischen dem Chiller einerseits und dem Bypass andererseits vorgesehen sein kann.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Batterie-Kühlsystems ein günstiges standardisiertes thermisches Expansionsventil (TXV) anstelle eines teuren elektronischen Expansionsventils (EXV) verwendet werden kann. Der Kühlkreis weist mindestens eine Umwälzpumpe auf. Sie dient dazu, das Kühlmittel permanent oder in vorzugsweise temperaturabhängigen Intervallen zu fördern. Da prinzipiell auch keine Leistungsregelung über den Volumenstrom notwendig ist, kann anstelle einer regelbaren Pumpe eine ungeregelte Pumpe mit konstanter Fördermenge verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigt:
1 ein schematisches Diagramm, welches eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterie-Kühlsystems zeigt.
Eine beispielshafte Ausführungsform eines Batterie-Kühlsystems 1 ist in 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Batterie-Kühlsystem 1 ein thermisches Expansionsventil (TXV) 2, einen Chiller 3, einen Bypass 4, einen Kältemittel-Kreislauf 5, einen Kühlmittel-Kreislauf 6, eine Pumpe 7 sowie eine Batterie 8 mit internen Kühlkomponenten z. B. Kühlplatten.
Die Batterie 8 bzw. das Batterie-Kühlsystem 1 kann beispielsweise ein Teil eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs sein. Ein Kühlmittel wird zum Kühlen der innerhalb der Batterie 8 vorgesehenen Batteriezellen verwendet und mittels der Pumpe innerhalb des Batterie-Kühlsystems 1 befördert.
Der im Batterie-Kühlsystem 1 vorgesehene Chiller 3 unterteilt sich in eine Kühlmittelseite 9 und eine Kältemittelseite 10. Die Kästchen A–E zeigen potentielle Einbaupositionen einer einzubauenden Regelkomponente. So kann die Regelkomponente (beispielsweise ein Thermostat) unter Position A im Bypass, unter Position B im Chiller Rücklauf, unter Position C im Chiller Vorlauf, unter D im Verteiler-Rücklauf und unter Position E im Verteiler-Vorlauf eingebaut werden.
Der Bypass 4 verläuft im Wesentlichen parallel zum Chiller 3. Erfindungsgemäß wird bei vorgegebenem Volumenstrom die Übertragungsleistung des Chillers 3 dadurch eingestellt, dass durch eine geregelte oder gesteuerte Aufteilung des Volumenstroms auf den Chiller 3 und den Bypass 4 nur soviel Volumenstrom durch den Chiller 3 geleitet wird, dass die gewünschte Kühlleistung im Chiller 3 übertragen wird.
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

US 020090249807 A1 [0005]

Claims

Batterie-Kühlsystem (1), insbesondere für ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug, mit einem Chiller (3) zum Wärmeübergang zwischen einem Kältemittel-Kreislauf (5) und einem Kühlmittel-Kreislauf (6) und mit einem dem Chiller (4) zugeordneten Bypass (4), derart dass bei vorgegebenem Volumenstrom durch dessen geregelte bzw. gesteuerte Aufteilung auf den Chiller (3) bzw. auf den Bypass (4) die jeweils gewünschte Kühlleistung in dem Chiller (3) übertragbar ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße für die Aufteilung des Volumenstroms dessen Rücklauf-Temperatur vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße für die Aufteilung des Volumenstroms dessen Vorlauf-Temperatur vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße aktuelle Belastungsdaten, insbesondere Ladestrom bzw. Entladestrom bzw. Erwärmung, der Batterie (8) vorgesehen sind.
Batterie-Kühlsystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelkomponente ein Thermostatventil vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelkomponente ein Kennfeld-Thermostat vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkomponente in dem Bypass (4) vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkomponente in dem Chiller-Rücklauf bzw. Vorlauf vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkomponente direkt in dem Rücklauf- bzw. Vorlauf-Verteiler zwischen dem Chiller (3) einerseits und dem Bypass (4) andererseits vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung des Volumenstroms eine ungeregelte Pumpe (7), vorzugsweise mit konstanter Fördermenge vorgesehen ist.