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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit mindestens zwei Modulen und einem Klimatisierungssystem für diese.
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Aus der
DE 10 2007 012 893 A1 ist ein Batteriekühler bekannt, der zur bedarfsgerechten Kühlung einen Flüssigkeitskühler und einen Luftwärmetauscher aufweist, zwischen denen bedarfsweise umgeschaltet wird. Hierbei wird der Luftwärmetauscher zu Kühlzwecken eingesetzt und der Flüssigkeitskühler zur Erwärmung der Batteriezellen. Ferner ist ein Wechsel der Kühlung mittels Umgebungsluft auf Kühlung durch ein Kältegerät vorgesehen. Die Umschaltung erfolgt hierbei mittels eines 3/2-Wegeventils. Dies ermöglicht einen breiten Temperaturbetriebsbereich, die einzelnen Batteriezellen werden hierbei nach einem vorgegebenen Klimatisierungsströmungsschema mit dem Klimatisierungsmedium temperiert.
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Ein aus der
DE 20 2010 002 352 U1 bekannter elektrochemischer Energiespeicher weist kühltechnisch eine Seriellschaltung zweier Speichermodule auf. Innerhalb eines Speichermoduls ist eine Vielzahl von Batteriezellen angeordnet, die alle gleichzeitig von dem Kühlmedium angeströmt werden. Durch eine Umschaltung der Strömungsrichtung des Kühlmediums wird erreicht, dass alle Batteriezellen der beiden Speichermodule einer gleichmäßigeren Kühlleistung ausgesetzt sind.
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Aus der
DE 10 2010 011 916 A1 ist eine Kühleinrichtung für mehrere Batteriemodule bekannt, wobei die Batteriemodule parallel geschaltet sind. Da bei der Parallelschaltung das Batteriemodul mit dem geringeren Innenwiderstand stärker geladen wird als das andere Batteriemodul, wird vorgeschlagen, die einzelnen Batteriemodule in Abhängigkeit ihres Ladezustands individuell zu kühlen. Dabei wird dem Batteriemodul mit der geringeren Ladung eine größere Menge an Kühlmittel zugeleitet. Die mengenmäßige Zuweisung des Kühlmittels erfolgt durch Proportionalventile, von denen je Batteriemodul eins vorgesehen ist.
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In der
EP 0 639 867 A1 ist eine Akkumulatorbatterie beschrieben, die in einem Batterietrog untergebracht ist. Zur Kühlung der Batterien wird mittels eines Ventilators Luft durch den Batterietrog geleitet, wobei der Luftstrom in zeitlichen Intervallen umgekehrt wird. Hierdurch wird eine gleichmäßigere Kühlung der in dem Batterietrog angeordneten Batterien erreicht.
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Die
DE 10 2007 017 172 A1 beschreibt ein Kühlsystem für eine Batterie, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlkreislauf durch die Batterie zirkuliert. Für eine gleichmäßigere Kühlung aller Batteriezellen in dem einen Batteriemodul ist eine zeit- oder temperaturgesteuerte Umschaltung der Strömungsrichtung durch den Batteriepack vorgesehen. In der temperaturgesteuerten Variante wird als Kenngröße die Eintritts- und Austrittstemperatur des Kühlmittels an dem Batteriepack bestimmt. Die Umschaltung der Strömungsrichtung erfolgt mit zwei oder vier 3/2-Wegeventilen, die funktionell als ein 6/2-Wegeventil geschaltet sind.
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Ein in der
DE 10 2010 022 908 A1 beschriebener Batteriepack weist eine Temperaturerfassung an den einzelnen Batteriezellen auf, mittels der eine gezielte Kühlung der einzelnen Batteriezellen angestrebt wird. Ebenso ermöglicht die Temperaturerfassung eine Beurteilung der Qualität einzelner Batteriezellen, so dass diese im Bedarfsfall ausgetauscht werden können. Wenn an einer Batteriezelle eine übermäßig hohe Temperatur ermittelt wird, kann beispielsweise über ansteuerbare Ventile eine gezielte Zuführung des Kühlmittels an diese und mindestens eine benachbarte Batteriezelle erfolgen.
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In der
DE 10 2009 046 567 A1 wird ein Kaltstartverfahren für eine Batterie mit mehreren Batteriemodulen beschrieben, wobei im Falle eines Kaltstarts nur ein Batteriemodul erwärmt wird. Sobald dieses Batteriemodul im Betrieb genügend Wärme produziert, wird diese zur Aufheizung der anderen Batteriemodule verwendet. Weiterhin ist in demselben Kreislauf ein Wärmetauscher vorgesehen, über den überschüssige Wärme der Batteriemodule abgeführt werden kann. Um bei einem Kaltstart den Wärmetauscher abzuschalten, ist ein 3/2-Wegeventil vorgesehen, das in der Warmlaufphase den Wärmetauscher überbrückt. Die einzelnen Module werden von Proportionalventilen angesteuert.
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Die
WO 2011/088968 A2 beschreibt ein Kühlsystem für eine Batterie eines Elektrofahrzeugs, die mit einem Latentwärmespeicher über einen Kühlkreislauf gekoppelt ist. Die in der Batterie während des Betriebs entstehende Wärme wird über den Kühlkreislauf in den Latentwärmespeicher geführt, der durch einen Phasenwechsel des Speichermediums eine hohe Wärmekapazität besitzt. Für eine besonders effektive Kühlung der Batterie ist diese in einzeltemperaturüberwachte Module unterteilt, die mit eigenständigen Kühlkreisläufen versehen sind. Mittels Ventilen können die einzelnen Kühlkreisläufe mit dem Latentwärmespeicher verbanden werden.
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Diese bekannten Kühlsysteme ermöglichen eine generelle Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung über die einzelnen Batteriezellen, wenn jedoch eine einzelne Batteriezelle oder ein einzelnes Batteriemodul eine zu große Temperaturabweichung zeigt, sind durch die eingeleiteten Kühlungsmaßnahmen zwar Verbesserungen erreichbar, dennoch lässt sich mit diesen bekannten Maßnahmen oftmals eine genügende Temperierung eines in seiner Temperatur zu sehr abweichenden Batteriemoduls nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand realisieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein klimatisiertes Batteriesystem so zu gestalten, dass die einzelnen Batteriemodule bei geringem Aufwand eine weitgehend gleiche Temperatur haben.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 oder 3 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten weitere besonders günstige Merkmale zur Lösung der vorliegenden Aufgabe.
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Die in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zum Einsatz kommenden Batterien sind insbesondere Sekundärbatterien oder Zellpacks, beispielsweise Brennstoffzellen. Es handelt sich hierbei üblicherweise um Hochvoltbatterien mit mindestens 42 V und insbesondere mindestens 60 V. Die obere Spannung der eingesetzten Batterien liegt unterhalb 1500 V und insbesondere unterhalb 1000 V. Die bevorzugte Spannung ist üblicherweise oberhalb von Kleinspannungen (120 V) und insbesondere im Bereich 180 V bis 750 V.
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Die vorliegende Erfindung kommt mit den beschriebenen Batterien insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Einsatz als Antriebsbatterie, wobei das Kraftfahrzeug so ausgelegt ist, das es zumindest zeitweilig rein elektrisch betreibbar ist. Das Kraftfahrzeug kann weiterhin noch einen Verbrennungsmotor aufweisen, wobei dieser alternativ, seriell oder parallel zu dem Elektromotor betrieben werden kann.
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Beim Einsatz von Sekundärbatterien kommen bevorzugt solche auf Lithiumbasis zum Einsatz, beispielsweise Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien. Auch Nickel-Metallhydrid-Akkus sind geeignet. Der Einsatz von Kondensatoren ist ebenfalls möglich, aufgrund deren Ladungs- und Entladungscharakteristik, Innenwiderstand und Speicherkapazität-Gewichts-Verhältnis jedoch weniger bevorzugt.
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Ein Batteriemodul (kurz Modul), wie es in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zum Einsatz kommt, ist insbesondere aus einer Vielzahl elektrochemischer Einzelzellen aufgebaut, die vorteilhaft in Serie geschaltet sind. Eine Parallelschaltung sowie einzelne oder gruppenweise Herausführung der Anschlüsse der Batteriezellen sind auch möglich. In einem Batteriemodul sind vorteilhaft 2 bis 200 Zellen, bei Verwendung sehr kleiner Einzelzellen auch mehr, zusammengefasst. Bevorzugt enthält ein Batteriemodul 3 bis 50 Batteriezellen und insbesondere 7 bis 20 Einzelzellen.
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Erfindungsgemäß werden mindestens zwei bzw. mindestens drei Batteriemodule in dem Batteriesystem eingesetzt. Aufgrund sterischer Gegebenheiten werden vorteilhaft nicht mehr als 50 Module in dem Batteriesystem eingesetzt. Bei Bedarf einer höheren Zahl an Modulen werden besser mehrere Batteriesysteme mit bis zu 50 Modulen eingesetzt. Vorzugsweise ist die Obergrenze für die eingesetzten Batteriemodule 35 und insbesondere 25. Für einen guten Kosten-Nutzeneffekt werden insbesondere mindestens 5 und vorzugsweise mindestens 8 Module in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem verbaut.
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Die Batteriezellen sind hierbei möglichst eng miteinander verbaut, ggf. unter Zwischenschaltung von Trennplatten aus Metall. Hierdurch wird eine relativ gleichmäßige Temperatur innerhalb des Batteriemoduls erreicht, das heißt, bei ungleichen Erwärmungen der Einzelzellen bei einem Lade- oder Entladevorgang dienen benachbarte Einzelzellen zu dieser wärmeren Zelle als Wärmesenke.
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Günstige Betriebstemperaturen von Sekundärbatterien liegen im Bereich von etwa 10°C bis 50°C, wobei insbesondere Sekundärbatterien auf Lithiumbasis möglichst nicht außerhalb eines Temperaturbereiches von –25°C bis +60°C betrieben werden sollen. Da sich solche Sekundärbatterien bei Lade- und Entladevorgängen erwärmen, betrifft die erfindungsgemäße Klimatisierung insbesondere ein Kühlen, bei vorgesehenen tiefen Einsatztemperaturen alternativ oder zusätzlich auch ein Erwärmen der Batteriemodule.
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Die beschriebenen Einzelzellen haben eine begrenzte Lebensdauer, die von der Anzahl der Lade-Entladezyklen, dem hierbei erreichten Lade- bzw. Entladezustand und von der Temperatur der Einzelzelle, insbesondere im Betrieb, abhängt. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Degradation der Einzelzellen, das heißt die verfügbare Kapazität verringert sich zunehmend.
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Bei einer zu starken Degradation einer Zelle bzw. eines Batteriemoduls muss dieses ausgetauscht werden. Da hierbei dann eine neue Zelle bzw. ein neues Batteriemodul mit alten gemeinsam betrieben wird, sind die nächsten Ausfälle und die damit verbundenen Austauschvorgänge vorprogrammiert. Daher ist es wünschenswert, dass die in den erfindungsgemäßen Batteriesystemen eingesetzten Batteriemodule möglichst gleichmäßig altern, wodurch insgesamt der größtmögliche Kosten-Nutzen-Effekt des Batteriesystems erreicht wird.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem hat mindestens zwei bzw. mindestens drei Module, für die eine Klimatisierung vorgesehen ist. Das hierbei verwendete Klimatisierungssystem ist insbesondere auf Kühlen ausgelegt, je nach Betriebsbedingungen kann additiv oder alternativ auch eine Heizung vorgesehen sein. Das Klimatisierungssystem arbeitet mit einem Klimatisierungsfluid, das mittels einer Pumpe in Strömung versetzt wird. Über einen Verteiler und Stellelemente wird dieser Klimatisierungsfluidstrom an die einzelnen Module geleitet, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die das Stellelement so schaltet, dass über den Verteiler der Fluidstrom gänzlich oder teilweise wahlweise den einzelnen Modulen zugewiesen wird.
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Gewünschtenfalls lässt sich die Strömungsrichtung des Fluidstroms auch umkehren, so dass ein einzelnes Modul gleichmäßiger oder zwei für den Fluidstrom seriell geschaltete Module bedarfsweise wechselseitig zuerst gekühlt werden. Ferner ist ein Kanalsystem vorgesehen, durch das die Pumpe den Fluidstrom durch den Verteiler und an die Module bewirkt. Vorzugsweise wird die Pumpe auch von der Steuerung geschaltet und vorteilhaft nur bei Bedarf aktiviert. Die Pumpe kann gewünschtenfalls durch Umschaltung auch rückwärts betrieben werden, wodurch sich die Strömungsrichtung des Fluidstroms umkehrt. Da diese betriebsweise aber meist weniger effizient für die Erzeugung eines Fluidstroms ist, erfolgt die optionale Umkehrung der Strömungsrichtung des Klimatisierungsfluidstroms vorteilhaft über das Stellelement, das entsprechend von der Steuerung angesteuert wird.
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Zur Vervollständigung des Klimatisierungssystems weist jedes Modul mindestens einen Kanalanschluss auf, der über das Kanalsystem mit dem Verteiler fluidverbunden ist, so dass der Fluidstrom von dem Verteiler durch das Kanalsystem zu dem Modul oder vice versa strömen kann. Der Verteiler hat entsprechend jeweils mindestens einen Kanalanschluss für jedes Modul, so dass über den Verteiler eine wahlweise Zuweisung der Stärke des Klimatisierungsfluidstroms an die einzelnen Module erfolgen kann. Erfindungsgemäß ist das Stellelement ein Drehventil, über das der Fluidstrom entsprechend einem vorgegebenen Algorithmus mittels der Steuerung zu den einzelnen Modulen geschaltet wird.
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Das Drehventil ist vorzugsweise so gestaltet, dass mit der Fluidschaltung dem angewählten Modul mindestens 50% des Fluidstroms und insbesondere mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% zugeführt werden. Vorteilhaft wird zumindest weitgehend der gesamte Fluidstrom dem aktiv zu klimatisierenden Batteriemodul zugeführt. Auf diese Weise kann der Strömungswiderstand weitgehend konstant gehalten werden, so dass einerseits eine effektive Klimatisierung und andererseits eine effiziente Erzeugung des Fluidstroms gewährleistet ist.
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Das Drehventil kann beliebig drehbar oder in Richtung oder Drehwinkel eingeschränkt drehbar sein. Die Drehung erfolgt vorteilhaft motorisch, insbesondere elektromotorisch, wobei eine Erkennung der Drehposition z. B. durch Steuerscheiben, Anschläge, Kontakte und/oder schrittmotorisch möglich ist.
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Die Verwendung eines Drehventils, insbesondere eines einzigen Drehventils, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mit einfachsten Mitteln der Klimatisierungsfluidstrom gezielt zu einzelnen Modulen, die aus einer Vielzahl von Modulen heraus bestimmt werden lenkbar ist, wobei ein relativ gleichmäßiger Strömungswiderstand und damit eine besonders effiziente Klimatisierung erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Betriebsweise der vorliegenden Erfindung werden im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Batteriemodule hinsichtlich ihrer Temperaturdifferenzen überwacht und gezielt dort Temperiermaßnahmen getroffen, wo die Temperaturdifferenz hoch ist, insbesondere am höchsten ist. Die hierbei getroffene Maßnahme ist insbesondere ein Kühlen des Batteriemoduls, das den oberen Temperaturwert der hohen bzw. höchsten Temperaturdifferenz bildet. Sofern ein Betrieb bei sehr tiefen Temperaturen vorgesehen ist, kann zusätzlich oder auch alternativ ein Erwärmen der Zelle erfolgen, die den unteren Temperaturwert in der hohen bzw. höchsten Differenz bestimmt. Für all diese Maßnahmen ist der erfindungsgemäße Verteiler mit dem Stellelement ein günstiges und zuverlässiges Stellmittel.
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In einem besonders bevorzugten Einsatz der vorliegenden Erfindung wird also ein Regelkreis gebildet, dessen Regelgröße die Temperaturdifferenz zwischen zwei Modulen, insbesondere eine hohe oder die höchste Temperaturdifferenz innerhalb einer Gruppe von Batteriemodulen ist. Hierdurch wird eine konsequente Temperaturgleichverteilung der einzelnen Batteriemodule erreicht, unabhängig vom tatsächlichen Temperaturniveau des gesamten Batteriesystems.
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Beim Einsatz von mindestens drei Batteriemodulen werden vorteilhaft über diese die Temperaturdifferenzen bestimmt, wobei mindestens zwei zeitgleiche Temperaturdifferenzen erfasst werden. Aus diesen Temperaturdifferenzen wird eine hohe, insbesondere die höchste bestimmt. Anschließend wird mittels einer Steuerung und über das Stellmittel (Verteiler und Stellelement) eine Temperierung mindestens eines der Batteriemodule mit der hohen bzw. höchsten Temperaturdifferenz durchgeführt, so dass die Temperaturdifferenz abnimmt. Insbesondere ist die Klimatisierung hier eine Kühlung des Moduls mit der hohen bzw. höchsten Temperatur. Mit der Bildung der Temperaturdifferenz wird dabei aus der Vielzahl an Batteriemodulen das Batteriemodul gesucht, das eine hohe Abweichung hinsichtlich seiner Temperatur bezüglich der anderen Batteriemodule zeigt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also die Temperaturdifferenz zwischen den Batteriemodulen bestmöglich ausgeglichen.
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Dieses Verfahren ist mit der vorliegenden Erfindung bereits bei zwei Modulen einsetzbar, die – wie beschrieben – aktiv klimatisiert werden. Hierbei wird nach Bestimmung der Temperaturdifferenz zwischen diesen Batteriemodulen dann gezielt eines der Batteriemodule klimatisiert, insbesondere gekühlt, um die ermittelte Temperaturdifferenz zwischen den beiden Batteriemodulen zu verringern. Die gezielte Anströmung eines der Batteriemodule erfolgt hierbei derart, dass die Anströmung unabhängig von dem anderen Batteriemodul erfolgt. Diese unabhängige Klimatisierung eines der Batteriemodule von den oder dem anderen kann ebenso. beim Einsatz von drei oder mehr Batteriemodulen erfolgen. Auch diese Maßnahme trägt zu einer bestmöglichen Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen den Batteriemodulen bei.
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Während der Klimatisierung eines Batteriemoduls wird weiterhin die Temperaturdifferenz zwischen den Batteriemodulen überwacht, um gegebenenfalls bei einer höheren Temperaturdifferenz zwischen den verbliebenen nicht- oder nur gering klimatisierten Modulen umzuschalten, um unter den Batteriemodulen insgesamt eine. möglichst geringe Temperaturabweichung zu erreichen. Durch diese zeitlich sequentielle verstärkte Klimatisierung des jeweiligen hinsichtlich seiner Temperatur stark insbesondere am stärksten abweichenden Batteriemoduls kann der Klimatisierungsaufwand gering gehalten werden, da für die gezielte Temperierung nur eines (oder weniger) Batteriemoduls eine nur geringe Klimatisierungsleistung erforderlich ist.
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Die Klimatisierung erfolgt vorteilhaft mittels eines Fluids, beispielsweise Luft, oder auch einer (im Kreislauf geführten) Flüssigkeit, die auf wässriger Basis mit einem Frostschutzmittel, wie beispielsweise Glycol oder Diethylenglycol, sein kann. Auch Kühlöle sind einsetzbar. Bei einer Kühlung mit Luft kann diese der Außenluft oder auch einer Klimaanlage, das heißt vorgekühlt, entnommen sein. Das Fluid wird mittels der Pumpe in Strömung versetzt, wobei das zu klimatisierende Batteriemodul mit einer höheren Strömung des Klimatisierungsfluids (oder allein) angesteuert wird, als mindestens ein weiteres der Batteriemodule. Bei einer Klimatisierung mit Luft als Fluid wird vorteilhaft kein Kühlkreislauf eingesetzt.
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Die Strömungsrichtung des Fluids kann auch umgekehrt werden. Dies erlaubt eine gleichmäßigere Kühlung eines einzelnen Batteriemoduls oder auch eine Seriellschaltung von zwei Batteriemodulen, wobei dann das zu temperierende Batteriemodul zuerst angeströmt wird. Die Umschaltung der Strömungsrichtung kann durch ein vorbestimmtes Zeitintervall oder temperaturgesteuert erfolgen, wobei eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Ansteuerung der einzelnen Module wie auch die Strömungsrichtungsumkehr mit einem einzigen (Dreh)ventil ermöglicht.
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Die beschriebene Temperierung eines der Batteriemodule erfolgt insbesondere während eines Lade- oder Entladevorganges der Batteriemodule, vorteilhaft bei beiden Vorgängen. Hierdurch wird eine Vergleichmäßigung der Batteriealterung erreicht. Gewünschtenfalls kann die Klimatisierung auch bei einem Stillstand des Elektromotors bzw. des Generators erfolgen, insbesondere wenn die Temperaturdifferenz oder auch die absolute Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat.
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Um nicht unnötig Energie für die Klimatisierung zu verbrauchen, ist es vorteilhaft, wenn die Klimatisierung erst bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenzschwelle und/oder einer vorgegebenen absoluten Temperaturschwelle erfolgt. Als Temperaturdifferenzschwelle eignet sich insbesondere ein Wert zwischen 1 K und 5 K, wobei vorteilhaft eine Hysterese von 2 K bis 3 K vorgegeben wird. Als Schwellwert für die absolute Temperatur eignet sich ein Wert zwischen 20°C und 45°C.
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Erfindungsgemäß kommt als Stellelement für die Klimatisierung vorteilhaft ein n + 1/n-Wegeventil zum Einsatz, wobei n für die Zahl der separat anzusteuernden Batteriemodule steht. n entspricht also der Anzahl der oben beschriebenen bevorzugt einzusetzenden Anzahl an Batteriemodulen. Die Zahl der Anschlüsse des Wegeventils ist bei einer einfachen Anströmung der Module bedingt durch den Anströmkanal um 1 größer als die Zahl der Schaltstellungen bzw. der Batteriemodule (also n + 1). Sofern des Wegeventil auch der Absperrung des Fluidstroms dienen soll, wird ein n + 1/n + 1-Wegeventil eingesetzt, dessen n + 1te-Schaltstellung den Fluidstrom abstellt. Wenn eine Umkehrung des Fluidstroms durch die jeweils angeströmten Batteriemodule gewünscht ist, wird vorteilhaft ein weiteres entsprechendes Wegeventil für die umgekehrte Anströmung der Batteriemodule eingesetzt. Die Wegeventile können weiter Anschlüsse und/oder Schaltstellungen haben, die nicht der Fluidversorgung der Module dienen (z. B. eine Aus-Stellung).
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Somit kommt für das Stellelement bzw. Drehventil ein an + b + y/an + z-Wegeventil zum Einsatz, wobei
n die Anzahl der Module, a die Anzahl der mit dem Wegeventil verbundenen schaltbaren Kanalanschlüsse je Modul,
b ohne Strömungsumkehr 1 und mit Strömungsumkehr durch das Stellelement/Drehventil 2,
y die Anzahl der Anschlüsse, die nicht der schaltbaren Fluidversorgung der Module dienen, und
z die Anzahl der Schaltstellungen, die nicht der Fluidversorgung der Module dienen,
ist. Sofern die Strömungsumkehr nicht von dem Drehventil bzw. Wegeventil vorgenommen wird, bleibt die Variable b = 1.
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Ein solches Wegeventil hat, insbesondere als Drehventil, einen sehr einfachen Aufbau und lässt sich daher mit einem nur geringen Strömungswiderstand herstellen. Ebenso wird hierbei eine hohe Betriebssicherheit für das Stellelement erreicht.
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Vorzugsweise ist die Variable a 2 oder > 2, das heißt die Batteriemodule sind mit zwei Anschlüssen (Vorlauf und Rücklauf), gewünschtenfalls auch mit weiteren Anschlüssen (z. B. mittig), mit dem Drehventil oder Wegeventil verbunden. Bei einer solchen Verbindung lässt sich mit einfachen Mitteln eine Umkehr des Fluidstroms erzielen.
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Der Aufbau des Verteilers mit dem Drehventil bzw. Wegeventil lässt sich fertigungs- und strömungstechnisch sehr einfach gestalten, wenn dieser eine Sammelkammer sowie einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist. Entweder der Fluideinlass oder der Fluidauslass mündet hierbei in die Sammelkammer, zusammen mit den Kanalanschlüssen der Module. Hierbei ist weiterhin ein Schieber vorgesehen, der insbesondere nur einen der Kanalanschlüsse der Module von der Sammelkammer trennt und mit dem nicht mit der Sammelkammer unmittelbar fluidverbundenen Fluideinlass bzw. Fluidauslass unmittelbar verbindet.
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Ein derartig aufgebautes Batteriesystem hat den Vorteil, dass es auch autonom einsetzbar ist, das heißt es kann in unterschiedlichen Geräten als Stromversorgung wie auch an unterschiedlichen Ladevorrichtungen eingesetzt werden. Dies erlaubt weiterhin eine Prüfung des Batteriesystems in einem nicht verbauten Zustand, das heißt in der Fertigung, der Wartung oder weiteren Positionen, an denen das erfindungsgemäße Batteriesystem vorteilhaft frei zugänglich (das heißt, außerhalb eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeuges) sein sollte.
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Weiterhin ist das erfindungsgemäße Batteriesystem auch sehr flexibel hinsichtlich der Anzahl der Module, das heißt, das Drehventil bzw. Wegeventil kann vorteilhaft auf die höchste Zahl an vorgesehenen Batteriemodulen ausgelegt sein, bei einer Verbauung einer geringeren Anzahl an Batteriemodulen können die nicht benötigten Anschlüsse des Ventils – je nach System – offen bleiben oder verschlossen werden. Sofern die Steuerung gezielt auf die Temperierung eines temperaturmäßig besonders abweichenden Moduls ausgelegt ist, ist bei einer Verbauung einer geringeren als der maximal möglichen Zahl an Batteriemodulen praktisch keine Änderung notwendig, da die dann freien Anschlüsse von der Steuerung bedarfsweise nicht ausgewählt werden.
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Die erfindungsgemäße Klimatisierung der Module, insbesondere Kühlung, wird besonders bevorzugt zumindest bei einem Ladevorgang eingesetzt, wobei dies während des Kraftfahrzeugbetriebes wie auch an einer stationären Aufladestelle erfolgen kann.
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Mit den beschriebenen vorteilhaften Maßnahmen ist es möglich, die einzelnen Batteriemodule innerhalb eines Temperaturbereiches von Δ 5 K zu halten.
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Bei der Temperierung der Batteriemodule ist es in der Regel ausreichend, wenn nur eine Seite eines solchen Batteriemoduls mit dem Temperiermittel beaufschlagt wird. Vorzugsweise sitzt an dieser Seite ein Kühlkörper, der auf eine zu erwartende Wärmeabfuhrmenge abgestimmt ist. Für eine gute Wärmeabfuhr mittels eines Fluids wird der Fluidstrom und/oder der Kühlkörper vorteilhaft so gestaltet, dass der Fluidstrom beim Strömen über den Kühlkörper verwirbelt wird.
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Die Erfindung hat gegenüber den bekannten parallelen Anströmungen aller Batteriemodule mit hydraulischem Abgleich den Vorteil, dass während der Temperierung der Fluidstrom im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Zudem kann erfindungsgemäß auch mit einem einzigen Wegeventil die Ansteuerung der einzelnen Batteriemodule erfolgen. Dies hat den Vorteil einer erheblichen Vereinfachung der Kanalstruktur, woraus wiederum ein geringer Strömungswiderstand resultiert. Durch die erfindungsgemäße gezielte zeitlich sequentielle Durchströmung ausgewählter Kühlstränge von einzelnen Batteriemodulen kann somit diabatischen Zustandsänderungen definiert entgegen gewirkt werden, das heißt, es wird eine hohe Vergleichmäßigung der Temperatur der einzelnen Batteriemodule erreicht, im Wesentlichen unabhängig von den Umgebungsbedingungen.
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Mittels eines einfachen Algorithmus (Temperaturdifferenzbestimmung und Auswahl eines Batteriemoduls mit einer hohen insbesondere der höchsten Temperaturabweichung) wird ein Verteiler angesteuert, der den Vorlaufstrom auf ein Kanalsystem, in dem die einzelnen Batteriemodule parallel geschaltet sind, verteilt. Vorzugsweise erfolgt die Verteilung des Fluidstroms auf die Batteriemodule zeitlich sequentiell entsprechend der Temperaturdifferenzabfrage. Hierdurch kann eine differenzierte Energieübertragung über das gesamte Kanalsystem auf die einzelnen Batteriemodule erfolgen. Die Erfindung bietet hierdurch die Möglichkeit einer effektiven, homogenen und kostengünstigen Temperierung des Gesamtsystems und legt hierdurch die Basis für optimierte Lade- und Entladevorgänge bis hin zur Maximierung der Lebensdauer der Zellen innerhalb des Gesamtsystems.
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Gewünschtenfalls kann der Fluidstrom hinsichtlich seiner Stärke auch geregelt sein, beispielsweise durch Pulsieren.
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Weitere Vorteile, Maßnahmen und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Die in den Ansprüchen sowie auch in der Beschreibung und den Zeichnungen beschriebenen bzw. dargestellten Maßnahmen bzw. Merkmalen können dabei jeweils – sofern nicht ausdrücklich anders darauf hingewiesen ist – einzeln für sich sowie auch in geeigneter Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Batteriesystems mit Klimatisierung;
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2 den Aufbau des 9/7-Wegeventils aus 1
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3 ein Schaltsymbol eines 6/4-Wegeventils, mit Strömungsumkehr;
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4 ein 22/20-Wegeventil von außen; und
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5 ein Schaltsymbol eines 7/6-Wegeventils ohne Strömungsumkehr.
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Das in der 1 gezeigte Batteriesystem 1 enthält eine Vielzahl an Batteriemodulen 2, 3, 4, die mittels eines fluidisch wirkenden Klimatisierungssystems 5 temperiert werden. Als Klimatisierungsfluid dient vorwiegend Luft aus der Umgebung 37. Das Klimatisierungssystem 5 weist hierzu eine Steuerung 7 auf, die als Regelgröße Temperaturdifferenzen Δ T2-4 (oder auch die absolute Temperatur) von den Batteriemodulen 2 bis 4 erhält. Entsprechend abgelegter Algorithmen bestimmt die Steuerung 7 hieraus ein zu kühlendes Batteriemodul, hier beispielsweise das Batteriemodul 2, und schaltet hierfür in einem Verteiler 6 einen Drehverteiler 28 eines 9/7-Wegeventils 20 in einem Kanalsystem 10 auf den entsprechenden Kanal 10a (Schaltstellung c des 9/7-Wegeventils 20), dessen abströmseitiges Ende mit einem Kanalanschluss 32 des Batteriemoduls 2 verbunden ist. Das übrige Kanalsystem 10 bleibt offen. Gleichzeitig aktiviert 36 die Steuerung 7 auch eine Pumpe 8, die über einen Anströmkanal 11 Luft aus der Umgebung 37 als Kühlmedium in einen Einströmraum 31 des Verteilers 6 befördert.
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Die von dem Modul 2 erwärmte Abluft entweicht durch einen Kanalanschluss 33 in das Kanalsystem 10a und von dort über eine Sammelkammer 29 in dem Verteiler 6 in einen Abströmkanal 12 und durch diesen aus dem Batteriesystem 1 ins Freie 37 oder, zur Erwärmung eines (nicht dargestellten) Fahrzeuginnenraums, in diesen. Über die Schaltstellungen a und b des 9/7-Wegeventils 20 können die Module 4 bzw. 3 klimatisiert werden.
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Die Batteriemodule 2 bis 4 können in je zwei Untermodule a und b unterteilt sein oder einen ersten a und einen zweiten b anströmbaren Bereich aufweisen. Die Untermodule a, b bzw. die anströmbaren Bereiche a, b werden vorzugsweise mit weiteren Temperatursensoren hinsichtlich ihrer Temperaturdifferenzen überprüft.
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Mit Einsatz solcher Untermodule a, b bzw. der unterschiedlich anströmbaren Bereiche a, b ist der Verteiler 6 vorteilhaft mit einer Strömungsumkehr versehen. Die neue Strömungsrichtung ist in dem Kanalsystem gestrichelt 15, 16 dargestellt. Hierzu weist das 9/7-Wegeventils 20 die Schaltstellungen d bis f auf, über die die Batteriemodule 2 bis 4 mit umgekehrter Strömungsrichtung (gegenüber den Schaltstellungen a bis c) anströmbar sind.
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Der Aufbau des Verteilers 6 mit dem 9/7-Wegeventil 20 ist in der 2 detailliert dargestellt. Die von der Pumpe 8 geförderte Luft gelangt über den Anströmkanal 11 (bei einem Klimatisierungskreislauf der Vorlaufkanal) in den Einströmraum 31 des 9/7-Wegeventils 20. Der Einströmraum 31 wird dabei von einem Gehäuseunterteil 26b und einem Zwischenboden 44 gebildet. Der Einströmraum 31 hat einen einzigen Ausgang 38, der kreisrund in dem Zwischenboden ausgebildet ist und auf dem der Drehverteiler 28 drehbar und zu dem Zwischenboden 44 dicht abschließend aufgesetzt ist. Der Drehverteiler 28 ist im Wesentlichen ein rechtwinklig abgewinkeltes Rohrstück, dessen von dem Einströmraum 31 abgekehrtes Ende eine Gleitdichtung 39 aufweist, die mit Vorlaufanschlüssen 22 und Rücklaufanschlüssen 23 sowie einer Entlüftung 35, die alle an einem Gehäuseoberteil 26a angeordnet sind, korrespondiert.
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Die Gehäuseober- 26a und -unterteile 26b sind nach dem Einbau des Stellmotors 21 und des Drehverteilers 28 miteinander fluiddicht verbunden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Der Zwischenboden 44 kann hierbei mit dem Unterteil gefertigt oder mit den Gehäuseteilen 26a und b zusammen verschweißt sein.
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Die drei Vorlaufanschlüsse 22 sind hierbei den Schaltstellungen a bis c und die drei Rücklaufanschlüsse 23 den Schaltstellungen d bis f zugeordnet. Die Schaltstellung 0 ist offen und bildet die Entlüftung 35. In der Darstellung in der 2 sind die über der Zeichnungsebene liegenden Anschlüsse 22 bzw. 23 durchgezogen und die unter der Zeichnungsebene liegenden Anschlüsse 22, 23 und 35 gestrichelt dargestellt.
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Der Drehverteiler 28 wird über eine Antriebswelle 34, die durch einen Simmerring 40 (Wellendichtung) nach außen geführt ist, von einem Stellmotor 21 angetrieben, der wiederum seine Stellbefehle von der Steuerung 7 erhält. Insbesondere bei der Verwendung von Luft als Klimatisierungsfluid kann der Stellmotor 21 auch innerhalb des 9/7-Wegeventils 20. untergebracht sein.
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Die von der Pumpe 8 geförderte Luft gelangt somit durch den Anströmkanal 11 in den Einlass 24 des 9/7-Wegeventils 20 und von dort in den Einströmraum 31. Durch den Ausgang 38 gelangt die Luft in den Drehverteiler 28 und weiter zu einem der Anschlüsse 22, 23 bzw. der Entlüftung 35, entsprechend den Schaltstellungen a bis f und 0. Dargestellt ist die Fluidverbindung zu der Schaltstellung c, von der der Luftstrom über die Kanäle 10a zu dem Batteriemodul 2b und von dem korrespondierenden Batteriemodul 2a wieder zurück zu dem Rücklaufanschluss 23 mit der Schaltstellung d gelangt. Da dieser Rücklaufanschluss nicht von dem Drehverteiler angewählt ist, mündet dieser Rücklaufanschluss 23 in eine Sammelkammer 29, die mit allen weiteren Anschlüssen 22 und 23 sowie der Entlüftung 35 ebenso in unmittelbarer Fluidverbindung steht. Aus der Sammelkammer 29 gelangt der Luftstrom in den Auslass 25 und von dort in den Abströmkanal 12.
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Die Entlüftung 35 kann in alternativen Ausführungsformen den Auslass 25 ersetzen oder eine Absperrung sein. In der Darstellung als Entlüftung 35 verbindet sie die Abströmung aus dem Drehverteiler 28 mit der Sammelkammer 29.
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Mit drei Modulen 2–4 (n = 3) mit je zwei Kanalanschlüssen 32, 33 (a = 2), einer Strömungsumkehr (b = 2), einem Entlüftungsanschluss 35 (y = 1) und einer Entlüftungsschaltstellung 0 (z = 1) ist das an + b + y/an + z-Wegeventil ein 9/7-Wegeventil.
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In dem in der 3 dargestellten Schaltbild eines an + b + y/an + z-Wegeventils 320 steht n für zwei Module, die je über zwei schaltbare Kanalanschlüsse mit dem Wegeventil 320 verbunden sind (a = 2). Weiterhin ist in dem Wegeventil 320 die Strömungsumkehr integriert, das heißt b = 2. Weitere Anschlüsse bzw. Schaltstellungen sind nicht vorgesehen, so dass die Werte für y und z 0 sind.
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Das 6/4-Wegeventil 320 ist mit seinen sechs Anschlüssen wie folgt belegt:
ein Einlass 24, ein Auslass 25, zwei Vorlaufanschlüsse 22 und zwei Rücklaufanschlüsse 23. Der Einlass 24 empfängt das Fluid und leitet es in den Schaltstellungen a und b über den jeweiligen Vorlaufanschluss 22 an eines der beiden angeschlossenen Module weiter. Von den Modulen fließt das Klimatisierungsfluid über den jeweiligen Anschluss 23 zurück in das 6/4-Wegeventil und von dort über den Auslass 25 entweder zurück in einen Kreislauf oder ins Freie. In den Schaltstellungen c und d des 6/4-Wegeventils gelangt das in den Einlass 24 einströmende Fluid an die Rücklaufanschlüsse 23 der beiden Module und über deren Vorlaufanschlüsse 22 wieder zurück in das 6/4-Wegeventil 320. Die Vorlaufanschlüsse 22 und Rücklaufanschlüsse 23 haben hierbei ihre Funktionen vertauscht.
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Das 6/4-Wegeventil 320 ist als Drehventil 320a ausgebildet, das von einem Stellmotor 21 über eine Antriebswelle 34 in die Positionen a bis d verstellbar ist. Vorteilhaft ist hierbei der Stellmotor 21 mit einer Richtungsumkehr 41 versehen.
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Das 6/4-Wegeventil 320 hat in der dargestellten Ausführungsform auch die Vorlauf- 22 und Rücklaufanschlüsse 23 der nicht klimatisierten Module mit dem Auslass 25 verbunden. Alternativ können diese Anschlüsse des nicht klimatisierten Moduls auch gesperrt sein. Die gezeigte schwimmende Ausführung ist – insbesondere bei der Verwendung von Luft als Klimatisierungsfluid – vorteilhaft, da die entsprechende Ventilkonstruktion (4) einfacher ist und alle Leitungen stets offen, das heißt zumindest annähernd drucklos sind.
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Das in der 4 dargestellte 22/20-Wegeventil 420 entspricht im Schaltbild dem 6/4-Wegeventil 320 aus der 3, mit dem Unterschied, dass insgesamt 22 Anschlüsse und 20 Schaltstellungen vorgesehen sind. Ebenso ist der konstruktive Aufbau mit dem 9/7-Wegeventil 20 aus 2 prinzipiell vergleichbar, mit dem Unterschied, dass in dem 22/20-Wegeventil 420 keine Entlüftungsstellung (0) und kein Entlüftungsausgang (35) vorgesehen sind. Das 22/20-Wegeventil 420 ist auf einer Montageplatte 27 befestigt, die durch Bohrungen 42 universell, beispielsweise durch Verschraubungen, oder auch durch (nicht dargestellte) Klemmschienen befestigbar ist. Das Ventilgehäuse 426 ist wiederum zweiteilig, aus einem Oberteil 426a und einem Unterteil 426b ausgeführt.
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In dem Oberteil 426a sitzen auf einer Kreisebene verteilt jeweils 10 Vorlaufanschlüsse 22 und Rücklaufanschlüsse 23, die für eine einfache Ansteuerung äquidistant angeordnet sein können. Weiterhin weist das Oberteil 426a noch den Auslass 25 auf, der Einlass 24 sitzt an dem Unterteil 426b.
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Das Schaltsymbol für das 7/6-Wegeventil 520 in 5 weist im Unterschied zu dem 6/4-Wegeventil 320 aus 3 keine Umkehrung der Fluidströmungsrichtung für die angeschlossenen Module auf und hat entsprechend nur einen Durchfluss 45 je Schaltstellung a bis f, der bei einer Saugpumpe oder reinem Fluidkreislauf auch in die umgekehrte Richtung oder richtungsfrei ausgelegt sein kann. Das 7/6-Wegeventil 520 hat daher aufgrund der fehlenden Strömungsumkehr (b = 1) nur sieben Anschlüsse, von denen der Anschluss 24 den Einlass bildet und die sechs Auslassanschlüsse 22 den Vorlauf für jeweils eins von sechs Batteriemodulen versorgen. Auch das 7/6-Wegeventil 520 ist als motorgesteuertes 21 Drehventil 520a ausgebildet.
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In offenen Kühlsystemen ist die Pumpe 8 vorteilhaft als Druckpumpe ausgelegt und insbesondere (in Strömungsrichtung gesehen) vor dem Verteiler 6 angeordnet. Je nach Ausführung und Aufbau des Batteriesystems 1 kann die Pumpe 8 jedoch auch als Saugpumpe ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2, 3, 4
- Batteriemodule
- 5
- Klimatisierungssystem
- 6
- Verteiler
- 7
- Steuerung
- 8
- Pumpe
- 10
- Kanalsystem
- 11
- Anströmkanal/Vorlaufkanal
- 12
- Abströmkanal/Rücklaufkanal
- 15, 16
- umgekehrte Strömungsrichtung
- 20, 320, 420, 520
- an + b + y/an + z-Wegeventil (Suffix a: Drehventil)
- 21
- Stellmotor
- 22
- Vorlaufanschlüsse
- 23
- Rücklaufanschlüsse
- 24
- Einlass
- 25
- Auslass
- 26, 426
- Ventilgehäuse
- 26a, 26b, 426a, 426b
- Oberteil und Unterteil des Ventilgehäuses
- 27
- Montageplatte
- 28
- Drehverteiler/Stellelement/Drehschieber
- 29
- Sammelkammer
- 31
- Einströmraum
- 32
- Kanalanschlüsse
- 33
- Kanalanschlüsse
- 34
- Antriebswelle
- 35
- Entlüftung
- 36
- Pumpensteuersignal
- 37
- Umgebung/Freie
- 38
- Ausgang
- 39
- Gleitdichtung
- 40
- Simmerring
- 41
- Richtungsumkehr
- 42
- Bohrungen
- 43
- Verbindungsstelle
- 44
- Zwischenboden
- 45
- Durchfluss
- a, b, c, d, e, f, 0
- Schaltstellungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007012893 A1 [0002]
- DE 202010002352 U1 [0003]
- DE 102010011916 A1 [0004]
- EP 0639867 A1 [0005]
- DE 102007017172 A1 [0006]
- DE 102010022908 A1 [0007]
- DE 102009046567 A1 [0008]
- WO 2011/088968 A2 [0009]
