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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems mit mindestens zwei klimatisierten Batteriemodulen.
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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. 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.
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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 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.
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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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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 realisieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum Betreiben eines klimatisierten Batteriesystems so zu gestalten, dass die einzelnen Batteriemodule eine weitgehend gleiche Temperatur haben.
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Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige weitere Maßnahmen 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, 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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Im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik werden erfindungsgemäß 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.
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Erfindungsgemäß wird also ein Regelkreis gebildet, dessen Regelgröße die Temperaturdifferenz zwischen zwei Batteriemodulen, 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 erfindungsgemäß 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 Stellmittel 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 Batteriemoduls 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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Das erfindungsgemäße Verfahren ist 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 Batteriemodulen 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 einer 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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Bei Einsatz eines Fluids als Temperierungsmittel kann die Strömungsrichtung des Fluids 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.
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Die erfindungsgemäße 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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Als Stellmittel für die Klimatisierung, insbesondere bei Verwendung eines Fluids, wird vorteilhaft ein Verteiler eingesetzt, insbesondere ein n + 1/n-Wegeventil, 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 bedingt durch den Anströmkanal um 1 größer als die Zahl der Schaltstellungen bzw. der Batteriemodule (also n + 1). Sofern das 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 n + 1/n-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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Die erfindungsgemäße Klimatisierung, 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 erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, die einzelnen Batteriemodule innerhalb eines Temperaturbereiches von Δ5 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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Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Batteriesystems.
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Das in der Figur gezeigte Batteriesystem 1 enthält eine Vielzahl an Batteriemodulen 2, 3, 4, die mittels eines fluidisch wirkenden Klimatisierungssystems 5 temperiert werden. Das Klimatisierungssystem 5 weist hierzu eine Steuerung 7 auf, die als Regelgröße Temperaturdifferenzen ΔT2-4 von den Batteriemodulen 2 bis 4 erhält. Entsprechend der abgelegten Algorithmen bestimmt die Steuerung 7 hieraus ein zu kühlendes Batteriemodul hier beispielsweise das Batteriemodul 2, und schaltet hierfür über einen Verteiler 6 in einem Kanalsystem 10 den entsprechenden Kanal 10a frei. Das übrige Kanalsystem 10 bleibt nicht freigeschaltet. Gleichzeitig aktiviert die Steuerung 7 auch eine Pumpe 8, die über einen Anströmkanal 11 Luft als Kühlmedium in den Verteiler 6 befördert.
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Die erwärmte Abluft entweicht über einen Abströmkanal 12 aus dem Batteriesystem ins Freie oder, zur Erwärmung eines (nicht dargestellten) Fahrzeuginnenraums, in diesen.
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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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Beim Einsatz solcher Untermodule a, b bzw. der unterschiedlich anströmbaren Bereiche a, b wird das Batteriesystem 1 vorteilhaft auch mit einer Strömungsumkehr 14 versehen. Die neue Strömungsrichtung ist in dem Kanalsystem gestrichelt 15, 16 dargestellt. Hierzu werden die Vorlauf- 11 und Rücklaufleitung 12 aufgetrennt und über ein 4/2-Wegeventil geführt. Beim Schalten dieses 4/2-Wegeventils 13 wird dann die Luft rückwärts von Seiten der Abströmung 12 her in das zu kühlende Batteriesystem 2a geführt, durchströmt das Batteriesystem 2b und wird durch den Verteiler und über das 4/2-Wegeventil aus dem Batteriesystem 1 herausgeführt.
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Durch die Strömungsumkehr kann also ein einzelnes Batteriemodul gleichmäßiger oder gewünschtenfalls auch zwei seriell geschaltete Batteriemodule (Untermodule) gekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2, 3, 4
- Batteriemodule
- 5
- Klimatisierungssystem
- 6
- Verteiler
- 7
- Steuerung
- 8
- Pumpe
- 9
- Stellmittel
- 10
- Kanalsystem
- 11
- Anströmung/Vorlauf
- 12
- Abströmung/Rücklauf
- 13
- 4/2-Wegeventil
- 14
- Strömungsumkehr
- 15, 16
- umgekehrte Strömungsrichtung
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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]
