DE102011090146A1 - Energiequelle mit einer Kühlvorrichtung zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Energiequelle mit einer Kühlvorrichtung zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiequelle (1), insbesondere eine Antriebsbatterie oder ein Brennstoffzellensystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, umfassend:
– eine oder mehrere Zellen (2) zum Bereitstellen elektrischer Energie;
– eine Kühleinrichtung (3), die mit den Zellen (2) gekoppelt ist, um in den Zellen (2) erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuleiten;
– einen Kühlmittelkanal (4) zum Leiten eines Kühlmediums durch die Kühleinrichtung (3);
– einen von dem Kühlmittelkanal getrennt ausgebildeten Kältemittelkanal (5) zum Führen von Kältemittel in der Kühleinrichtung (3); wobei die von der Kühleinrichtung (3) aufgenommene Wärme sowohl durch das Kühlmedium als auch durch das Kältemittel abführbar ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Energiequellen, insbesondere Batterien, zum Einsatz in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum effizienten Kühlen einer elektrischen Energiequelle.
  • Stand der Technik
  • Bei heutzutage gebräuchlichen Hybrid- oder Elektrofahrzeugen ist es üblich, dass die Batterie zum Bereitstellen von Antriebsenergie mit einer Kühlvorrichtung versehen ist. Die Kühlvorrichtung weist dazu Anschlüsse auf, mit denen die Batterie an einen Kühlmittelkreis bzw. Kältemittelkreis angeschlossen werden kann, um eine verbesserte Wärmeabführung zu gewährleisten. Als Kühlmedium wird dabei entweder handelsübliches Kühlmittel bzw. Kältemittel oder Luft verwendet.
  • Aus der Druckschrift US 2010/0025 006 A1 ist ein Kühlsystem mit mehreren Kühlmittel- bzw. Kältemittelkreisen bekannt. Eine Batterie weist eine Kühlvorrichtung auf, die mit Hilfe eines Kühlmittels Batteriezellen kühlt. Die Kühlvorrichtung der Batterie ist in einem eigenen Kühlkreis angeordnet, der über einen Wärmetauscher mit einem Kältemittelkreis verbunden ist, um so eine Kühlung der Batterie zu gewährleisten. Im Kühlmittelkreis, in dem die Batterie angeordnet ist, ist weiterhin ein Kühlreservoir angeordnet, das als Wärmesenke dient. Der Wärmetauscher ist notwendig, da bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen aus Gründen der Sicherheit und der Lebensdauer bei hohen Umgebungstemperaturen eine Möglichkeit bestehen muss, die Batterie mit hoher Kühlleistung zu kühlen.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2004 035 879 A1 ist beispielsweise ein Kühlsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bekannt, bei dem ein Kühlkreislauf und ein Kältekreislauf vorgesehen sind, die miteinander gekoppelt sind, um eine Kühlung einer Batterie zu gewährleisten.
  • Alternativ hierzu sind aus dem Stand der Technik auch Kühlvorrichtungen bekannt, bei denen die Batterie von einem Kältemittel durchströmt wird und unter Umständen einen Verdampfer aufweist. Bei Konditionierung der Batterie mit einem Kältemittel wird durch die in der Batterie stattfindende Verdampfungskühlung dann eine besonders effiziente und Energie sparende Kühlung der Batterie bei hohen Umgebungstemperaturen erreicht.
  • Bei mittleren und niedrigen Umgebungstemperaturen ist jedoch eine Konditionierung der Batterie auf Umgebungstemperaturniveau ausreichend. Die Wärmeabgabe über den Verflüssiger des Kältekreislaufs bringt hier in energetischer Hinsicht Nachteile mit sich. Eine Temperierung der Batterie mit Kältemittel führt bei mittleren bis niedrigen Umgebungstemperaturen je nach Betriebszustand des Fahrzeugs zu einer verkürzten Parkzeit oder einem Reichweitenverlust. Dieser Nachteil besteht nicht, wenn die Batterie mit einem herkömmlichen wasserbasierten Kühlmittel oder Luft konditioniert wird, mit der Möglichkeit, die Wärme bei einer Luftkühlung direkt oder bei einer Kühlmittelkonditionierung über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher an die Umgebung abzugeben. Die Konditionierung der Batterie mit herkömmlichem Kühlmittel ist jedoch bei hohen Umgebungstemperaturen nachteilig, da hier ein höherer Energieaufwand notwendig ist, um die Abwärme aus der Batterie in entsprechend effizienter Weise abzuführen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiequelle mit einer Kühlvorrichtung für eine elektrische Energiequelle, wie beispielsweise eine Batterie, zur Verfügung zu stellen, mit dem eine effiziente Kühlung sowohl bei niedrigen bis mittleren Umgebungstemperaturen als auch bei hohen Umgebungstemperaturen erreicht werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch die elektrischen Energiequelle gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist eine elektrische Energiequelle, insbesondere eine Antriebsbatterie oder ein Brennstoffzellensystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend:
    • – eine oder mehrere Zellen zum Bereitstellen elektrischer Energie;
    • – eine Kühleinrichtung, die mit den Zellen gekoppelt ist, um in den Zellen erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuleiten;
    • – einen Kühlmittelkanal zum Leiten eines Kühlmediums durch die Kühleinrichtung;
    • – einen von dem Kühlmittelkanal getrennt ausgebildeten Kältemittelkanal zum Führen von Kältemittel in der Kühleinrichtung; wobei die von der Kühleinrichtung aufgenommene Wärme sowohl durch das Kühlmedium als auch durch das Kältemittel abführbar ist.
  • Eine Idee des obigen elektrischen Energiequelle besteht darin, diesen mit einer Kühlvorrichtung zu koppeln, die einen Anschluss sowohl an einen Kühlmittelkreislauf als auch an einen Kältemittelkreislauf ermöglicht. Dadurch kann gewährleistet werden, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine effiziente Kühlung über den Kühlmittelkreis mithilfe eines einfachen, wasserhaltigen Kühlmittels oder mit Luft durchgeführt werden kann, während bei hohen Umgebungstemperaturen eine erhöhte Kühlleistung mit einem Kältemittel erreicht wird, die energieeffizienter ist als eine Kühlung mit dem Kühlmittel unter diesen Bedingungen. Auch ist eine besonders hohe Kühlleistung erreichbar, wenn die elektrische Energiequelle mit dem Kühlmittel und mit dem Kältemittel gleichzeitig gekühlt wird.
  • Weiterhin kann in dem Kältemittelkanal ein Entspanner vorgesehen sein, um durch Entspannen von komprimiertem Kältemittel der Kühleinrichtung Verdampfungswärme zu entziehen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Kühlmittelkanal und/oder der Kältemittelkanal mäanderförmig in der Kühleinrichtung vorgesehen sein.
  • Insbesondere kann die Energiequelle mit einem elektrischen Heizelement versehen sein, um die Zellen auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Energiequelle in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Die Kühlvorrichtung umfasst:
    • – einen Kältemittelkreis zum Koppeln mit der Energiequelle;
    • – einen Kühlmittelkreis zum Koppeln mit der Energiequelle;
    • – eine Steuereinheit zum Steuern einer durch den Kältemittelkreis und den Kühlmittelkreis bewirkten Kühlleistung in der Energiequelle.
  • Weiterhin kann in dem Kältemittelkreis und/oder dem Kühlmittelkreis jeweils ein Steuerventil vorgesehen sein, um den Kältemittel- bzw. Kühlmediumstrom zu steuern.
  • Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um abhängig von einer Umgebungstemperatur und/oder abhängig von einer Temperatur der Energiequelle die durch den Kältemittelkreis bewirkte Kühlleistung und durch den Kühlmittelkreis bewirkte Kühlleistung in der Energiequelle zu steuern.
  • Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um, wenn die Umgebungstemperatur und/oder die Temperatur der Energiequelle oberhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellenwerts liegt, der Kühlmittelkreis und der Kältemittelkreis so betrieben werden, dass die Kühlleistung durch den Kältemittelkreis bewirkt wird und andernfalls durch den Kühlmittelkreis bewirkt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kühlsystem mit der obigen Kühlvorrichtung und einer elektrischen Energiequelle vorgesehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Kühlen der obigen elektrischen Energiequelle vorgesehen, wobei abhängig von einer Umgebungstemperatur und/oder abhängig von einer Temperatur der Energiequelle die durch den Kältemittelkreis bewirkte Kühlleistung und durch den Kühlmittelkreis bewirkte Kühlleistung in der Energiequelle gesteuert wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Energiequelle gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung der elektrischen Energiequelle der 1 in einer Draufsicht; und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems mit einer elektrischen Energiequelle gemäß 1.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsbatterie 1 als elektrische Energiequelle zum Bereitstellen von Antriebsenergie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Anstelle der Antriebsbatterie 1 sind auch Brennstoffzellen oder dergleichen als elektrische Energiequellen denkbar. Hierin sollen unter elektrischen Energiequellen alle Quellen elektrischer Energie verstanden werden, bei denen bei einem Entlade- oder Aufladeprozess thermische Energie freigesetzt wird. Insbesondere benötigen die Energiequellen im Sinne dieser Beschreibung ein Temperaturmanagement zum Bereitstellen eines optimalen Betriebstemperaturbereich.
  • Die Antriebsbatterie 1 weist mehrere Batteriezellen 2 auf, die im vorliegenden Beispiel nebeneinander angeordnet sind. An einem Kopfende der nebeneinander angeordneten Batteriezellen 2 ist eine Kühlplatte 3 angeordnet, um von den Batteriezellen 2 generierte Abwärme aufzunehmen und abzuführen. Die Kühlplatte 3 ist mit einer guten thermischen Leitfähigkeit mit den Batteriezellen 2 verbunden.
  • Die Kühlplatte 3 weist weiterhin mindestens einen Kühlmittelkanal 4 auf, die zum Führen eines Kühlmittels, wie beispielsweise eines wasserhaltigen Kühlmittels oder Luft, ausgebildet sind. Wie in 2 dargestellt, verlaufen die Kühlmittelkanäle 4 mäanderförmig durch die Kühlplatte 3, um eine möglichst große Grenzfläche zwischen einem in dem Kühlmittelkanal 4 geleiteten Kühlmittel und der Kühlplatte 3 zu erreichen und um eine Wärmeabführung in möglichst jedem Bereich der Kühlplatte 3 zu erreichen. Der Kühlmittelkanal 4 ist mit einem ersten und zweiten Kühlmittelanschluss 6 als Kühlmitteleinlass bzw. -auslass versehen, um eine Durchleitung des Kühlmittels zu ermöglichen.
  • Es ist mindestens ein Kältemittelkanal 5 vorgesehen, der unabhängig von dem Kühlmittelkanal geführt ist. Der Kühlmittelkanal 4 und der Kältemittelkanal 5 verlaufen in einer Ebene und in einer Querrichtung Q sind der Kühlmittelkanal 4 und der Kältemittelkanal 5 nebeneinander angeordnet. Der Kältemittelkanal 5 kann ebenfalls mäanderförmig in der Kühlplatte 3 angeordnet sein, steht jedoch nicht in einer Verbindung mit dem Kühlmittelkanal 4. Der Kältemittelkanal 5 dient zum Führen eines Kältemittels und ist so ausgebildet, dass sich das Kältemittel im Inneren der Kühlplatte 3 entspannen kann und zumindest teilweise verdampft, um so Wärme aus der Kühlplatte 3 zu entziehen und eine Kühlung der daran befindlichen Batteriezellen 2 zu erreichen. Der Kältemittelkanal 5 ist mit einem ersten und zweiten Kältemittelanschluss 7 versehen, um eine Durchleitung des Kältemittels zu ermöglichen.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann zwischen der Kühlplatte 3 und den Batteriezellen 2 auch ein Heizelement angeordnet sein, um die Batteriezellen 2 bei sehr niedriger Umgebungstemperatur mit elektrischer Energie zu heizen. Auf diese Weise kann auch ein Temperaturmanagement zum Erreichen einer unteren Temperaturgrenze für den Betriebsbereich vorgesehen werden.
  • In 3 ist ein Kühlsystem 10 mit einer elektrischen Energiequelle dargestellt, die sowohl Anschlüsse für einen Kältemittelkreis als auch für einen Kühlmittelkreis aufweist. Das Kühlsystem 10 der 3 zeigt einen Kühlmittelkreis 11, der mit einer Kühlmittelpumpe 12 und einer Kühlereinrichtung 13 versehen ist. Die Kühlmittelpumpe 12 ist stromabwärts bezüglich einer Fließrichtung in dem Kühlmittelkreis 11 zu der Kühlereinheit 13 angeordnet. Weiterhin befindet sich stromabwärts der Kühlmittelpumpe 12 die zu kühlende Antriebsbatterie 1, die so angeschlossen ist, dass das Kühlmittel durch den Kühlmittelkanal 4 der Antriebsbatterie 1 gefördert wird. Abweichend von der Darstellung der 3 ist es möglich, weitere Komponenten in dem Kühlmittelkreis 11 anzuordnen, dessen Betriebswärme abgeführt werden soll.
  • Es ist ferner ein Kältemittelkreis 15 vorgesehen, in dem ein Kompressor 16 und eine weitere Kühlereinrichtung 17 vorgesehen sind, die stromabwärts des Kompressors 16 bezüglich der Fließrichtung des Kältemittels angeordnet ist. Weiterhin durchströmt das komprimierte und gekühlte Kältemittel den Kältemittelkanal 5 der Antriebsbatterie 1 und wird dort entspannt, so dass dieser durch Verdampfen des Kältemittels innerhalb der Antriebsbatterie 1 Wärme entzogen wird.
  • In dem Kältemittelkreis 15 können weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Klimatisierungsmodul für eine Klimatisierung des Fahrgastinnenraums, vorgesehen sein.
  • Mithilfe einer Steuereinheit 20 kann ein Temperaturmanagement für die Antriebsbatterie 1 realisiert werden. Je nach Temperatur der Antriebsbatterie 1 bzw. nach Außentemperatur kann eine Kühlung der Antriebsbatterie 1 durch Aktivieren des Kühlmittelkreises 11 oder durch Aktivieren des Kältemittelkreises 15 erfolgen.
  • Optional kann eine Umgehungsleitung 18 um den Kältemittelkanal 5 der Antriebsbatterie 1 vorgesehen sein, in dem ein Steuerventil 19 angeordnet ist, um den Strom an Kältemittel durch die Antriebsbatterie 1 zu steuern. Ist die Umgebungstemperatur niedrig, so kann eine ausreichende Kühlung der elektrischen Energiequelle 1 bereits durch Kühlen mit dem Kühlmittelkreis 11 erreicht werden. Dies ist energieeffizienter als das Kühlen mit dem Kältemittelkreis 3.
  • Ist die Umgebungstemperatur dagegen hoch, so ist eine Kühlung mit dem Kühlmittelkreis 11 ineffizient, da die Geschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis 11 erhöht und auch ein Gebläse der Kühlereinrichtung 13 entsprechend stärker angesteuert werden muss, um eine ausreichende Kühlung sicherzustellen. Der dafür benötigte Energieaufwand ist bei hohen Umgebungstemperaturen in der Regel höher als der Energieaufwand zum Kühlen mithilfe des Kältemittelkreises 15.
  • Daher kann optional auch eine weitere Umgehungsleitung 21 im Kühlmittelkreis 15 vorgesehen werden, die eine Umgehung des Kühlmittelkanals 4 in der Antriebsbatterie 1 darstellt. In der weiteren Umgehungsleitung 21 kann ein weiteres Steuerventil 22 vorgesehen sein, um die Menge des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal 4 geführt wird, zu variieren. Dadurch kann die durch das Kühlmittel erfolgende Wärmeaufnahme von der Antriebsbatterie 1 bei Bedarf reduziert werden.
  • Durch Variieren der Ventilstellungen abhängig von der Umgebungstemperatur kann die Art der Kühlung durch die Steuereinheit 20 angepasst werden, um so eine möglichst energieeffiziente Kühlung zu erreichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2010/0025006 A1 [0003]
    • DE 102004035879 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Elektrische Energiequelle (1), insbesondere eine Antriebsbatterie oder ein Brennstoffzellensystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, umfassend: – eine oder mehrere Zellen (2) zum Bereitstellen elektrischer Energie; – eine Kühleinrichtung (3), die mit den Zellen (2) gekoppelt ist, um in den Zellen (2) erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuleiten; – einen Kühlmittelkanal (4) zum Leiten eines Kühlmediums durch die Kühleinrichtung (3); – einen von dem Kühlmittelkanal getrennt ausgebildeten Kältemittelkanal (5) zum Führen von Kältemittel in der Kühleinrichtung (3); wobei die von der Kühleinrichtung (3) aufgenommene Wärme sowohl durch das Kühlmedium als auch durch das Kältemittel abführbar ist.
  2. Energiequelle (1) nach Anspruch 1, wobei in dem Kältemittelkanal (4) ein Entspanner vorgesehen ist, um durch Entspannen von komprimiertem Kältemittel der Kühleinrichtung (3) Verdampfungswärme zu entziehen.
  3. Energiequelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlmittelkanal (4) und/oder der Kältemittelkanal (5) mäanderförmig in der Kühleinrichtung (3) vorgesehen sind.
  4. Energiequelle (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 3, mit einem elektrischen Heizelement, um die Zellen (2) auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen.
  5. Kühlvorrichtung für eine elektrische Energiequelle (1) in einem Kraftfahrzeug, umfassend: – einen Kältemittelkreis (15) zum Koppeln mit der Energiequelle (1); – einen Kühlmittelkreis (11) zum Koppeln mit der Energiequelle (1); – eine Steuereinheit (20) zum Steuern einer durch den Kältemittelkreis (15) und den Kühlmittelkreis (11) bewirkten Kühlleistung in der Energiequelle (1).
  6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei in dem Kältemittelkreis (15) und/oder dem Kühlmittelkreis (11) jeweils ein Steuerventil (19, 22) vorgesehen ist, um den Kältemittel bzw. Kühlmediumstrom zu steuern.
  7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (20) ausgebildet ist, um abhängig von einer Umgebungstemperatur und/oder abhängig von einer Temperatur der Energiequelle (1) die durch den Kältemittelkreis (15) bewirkte Kühlleistung und durch den Kühlmittelkreis (11) bewirkte Kühlleistung in der Energiequelle (1) zu steuern.
  8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (20) ausgebildet ist, um, wenn die Umgebungstemperatur und/oder die Temperatur der Energiequelle oberhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellenwerts liegt, der Kühlmittelkreis (11) und der Kältemittelkreis (15) so betrieben werden, dass die Kühlleistung durch den Kältemittelkreis (15) bewirkt wird und andernfalls durch den Kühlmittelkreis (11) bewirkt wird.
  9. Kühlsystem mit einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 und einer elektrischen Energiequelle (1).
  10. Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Energiequelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei abhängig von einer Umgebungstemperatur und/oder abhängig von einer Temperatur der Energiequelle (1) die durch den Kältemittelkreis (15) bewirkte Kühlleistung und durch den Kühlmittelkreis (11) bewirkte Kühlleistung in der Energiequelle (1) gesteuert wird.
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DE102004035879A1 (de) 2004-07-23 2006-02-16 Daimlerchrysler Ag Kühlsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Kühlen einer Wärmequelle
US20100025006A1 (en) 2007-04-11 2010-02-04 Tesla Motors, Inc. Electric vehicle thermal management system

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