DE102012019943B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente (2), die durch eine Kühleinrichtung (3) gekühlt wird, wobei eine Temperatur (TK) eines Kühlmittels (4) der Kühleinrichtung (3) erfasst oder ermittelt wird und eine Temperatur (Ti) der elektrischen Komponente (2) erfasst oder ermittelt wird, wobei mittels eines Kennfeldes anhand der erfassten oder ermittelten Temperaturwerte (Ti, TK) eine Betauungswahrscheinlichkeit geschätzt wird, wobei bei einer Betauungswahrscheinlichkeit größer einem vorab definierten Schwellwert die Temperatur (TK) des Kühlmittels (4) erhöht und/oder die Leistungsabgabe der elektrischen Komponente (2) reduziert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente, insbesondere einem Batteriesystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
  • Um die Sicherheit, Funktion und Lebensdauer beispielsweise von Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen Batteriesystemen, zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während der Leistungsabgabe entsteht im Wesentlichen Joulsche Wärmeenergie, die durch den elektrischen Strom und den Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Um ein Aufheizen der Zelle über einen kritischen Temperaturschwellenwert hinaus zu vermeiden, muss diese Wärmeenergie effektiv abgeführt werden. Darüber hinaus muss die Temperaturverteilung über die Batteriezelle möglichst homogen sein, d.h. die Temperaturunterschiede sollten nicht mehr als 4 Kelvin betragen.
  • Eine Möglichkeit zur homogenen Temperaturregulation ist die Abfuhr von Wärmeenergie mittels einer aktiven im Batteriegehäuse angeordneten Kühleinrichtung, die direkt eine oder mehrere Batteriezellmanteloberflächen kühlt, z.B. einer Flüssigkeitseinrichtung. Ein Problem solcher Anordnungen ist, dass es zu Kondenswasserbildung an den gekühlten Oberflächen innerhalb des Batteriegehäuses kommen kann. Das Kondenswasser stellt aufgrund der elektrochemischen Korrosionsgefahr an den spannungsführenden Metallteilen und der gegebenenfalls vorhandenen Elektronik eine große Gefahr für die Lebensdauer und/oder Funktion des Batteriesystems dar.
  • In DE 10 2007 011 026 A1 ist eine mögliche Lösung des Problems offenbart. Diese Lösung umfasst die Installation einer Kühlfalle zum Kondensieren und Abführen von Feuchtigkeit aus dem Gehäuse. Die Verwendung einer Kühlfalle verursacht allerdings zusätzliche Kosten, schränkt den Spielraum bei der Dimensionierung des Batteriegehäuses ein und kann eine Kondenswasserbildung im Gehäuseinnern nicht völlig ausschließen, sondern lediglich das Ausmaß an Kondenswasserbildung im Gehäuseinnern vermindern.
  • Aus der WO 2011/035991 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, umfassend
    1. i) eine oder mehrere Batteriezellen;
    2. ii) ein Gehäuse, in dem die Batteriezellen angeordnet sind; und
    3. iii) ein oder mehrere passive Wärmeleitmittel, die derart angeordnet sind, dass über die passiven Wärmeleitmittel Wärmeenergie von den Batteriezellen aus dem Gehäuseinnern heraus an eine außerhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte übertragbar ist.
  • Die außerhalb des Gehäuses angeordnete Kühlplatte kann Bestandteil des Batteriesystems sein. Grundsätzlich umfasst das Batteriesystem auch solche Batteriesysteme, die nicht selbst eine Kühlplatte umfassen, sondern Wärmeenergie aus dem Gehäuseinnern an eine separate, bereits beim Verbraucher oder in der Umgebung vorhandene Kühlplatte oder Kühleinrichtung übertragen können.
  • Die in den Zellen produzierte Wärmeenergie wird zunächst konduktiv über passive Wärmeleitmittel, wie beispielsweise Kühlbleche, die mit einer oder mehreren Mantelflächen der Zellen kontaktiert sind, an eine Kühlplatte außerhalb des Gehäuses geführt. Von dort kann die Wärmeenergie von einer externen, aktiven Kühleinrichtung aufgenommen und abgeführt werden. Dazu können konventionelle aktive Kühleinrichtungen verwendet werden, wie z.B. Flüssigkeitskühleinrichtungen. Das Batteriesystem erlaubt eine effiziente Temperaturregulation der Zellen des Batteriesystems, während die Bildung von Kondenswasser im Gehäuseinnern vermieden wird.
  • Aus der US 2011/0016899 A1 ist ein Verfahren zur Temperierung einer Fahrzeugbatterie bekannt, wobei Betauungszustände bzw. Kondensation vermieden oder reduziert werden sollen, wobei ein separater Feuchtesensor eingespart werden soll. Dabei ist die Kühleinrichtung als Luftkühlung ausgebildet. Dabei wird die Temperatur in der Batterie erfasst und mit einer Referenztemperatur verglichen. Ist dann die Temperatur in einer Fahrzeugkabine, aus der die Luft für die Luftkühlung angesaugt wird, höher als in der Batterie, so wird die Luftmenge reduziert. Dies führt dazu, dass die Temperaturdifferenz sinkt, was der Kondensation entgegenwirkt. Dabei ist weiter vorgesehen, dass im Extremfall die Kühlung ganz ausgeschaltet wird.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen zu schaffen, mittels derer die Gefahr von Betauungszuständen weiter reduziert wird.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das Verfahren zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente, die durch eine Kühleinrichtung gekühlt wird, umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
    • - die Temperatur eines Kühlmittels der Kühleinrichtung wird erfasst oder ermittelt,
    • - die Temperatur der elektrischen Komponente wird erfasst oder ermittelt,
    • - mittels eines Kennfeldes wird anhand der erfassten oder ermittelten Temperatur des Kühlmittels und der elektrischen Komponente eine Betauungswahrscheinlichkeit geschätzt,
    • - wenn die Betauungswahrscheinlichkeit größer als ein vorab definierter Schwellwert ist, wird die Temperatur des Kühlmittels erhöht und/oder die Leistungsabgabe der elektrischen Komponente reduziert, wenn die Temperatur des Kühlmittels geringer als die der elektrischen Komponente ist.
  • Dabei führen beide Maßnahmen, ob alleine oder in Kombination, dazu, dass die Temperaturdifferenz geringer wird und somit auch die Gefahr von Betauung. Dabei kann die Reduzierung der Leistungsabgabe betriebssituationsbedingt durchgeführt werden, d.h. die Reduzierung erfolgt nur, wenn nicht übergeordnete Betriebsbedingungen gegen eine Reduzierung sprechen. Beispielsweise kann in bestimmten Betriebssituationen ein reproduzierbares Verhalten der elektrischen Komponente höher bewertet werden. Die elektrische Komponente ist vorzugsweise ein Batteriesystem in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug. Prinzipiell ist die Erfindung aber auch für andere Batteriesysteme wie beispielsweise in Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen anwendbar. Auch für Brennstoffzellensysteme oder andere Hochvolt-Komponenten wie Leistungselektroniken oder DC/DC-Wandler ist die Erfindung einsetzbar. Des Weiteren sei angemerkt, dass insbesondere bei komplex und/oder modular aufgebauten elektrischen Komponenten wie insbesondere Batteriesystemen auch an mehreren Stellen die Temperatur der elektrischen Komponente erfasst oder ermittelte werden kann. Die Kennfelder werden dabei vorzugsweise vorab empirisch ermittelt und abgespeichert. Dabei sei weiter angemerkt, dass der vorab definierte Schwellwert ebenfalls in verschiedenen Betriebssituationen unterschiedlich gewählt werden kann. Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich Mittel vorgesehen sind, um Feuchtigkeit zu absorbieren.
  • In einer Ausführungsform wird als Parameter im Kennfeld eine Umgebungstemperatur berücksichtigt. Die Umgebungstemperatur stellt dabei insbesondere ein Maß für die Luftfeuchtigkeit bei Inbetriebnahme der elektrischen Komponente dar. Entsprechend erhöht eine prognostizierte höhere Luftfeuchtigkeit die Betauungswahrscheinlichkeit und umgekehrt. Um den Aussagegehalt der prognostizierten Luftfeuchtigkeit aufgrund der äußeren Umgebungstemperatur zu verbessern, kann dabei vorgesehen sein, dass die Umgebungstemperatur mit Umgebungstemperaturwerten eines vorangegangenen Zeitintervalls bewertet wird und daraus dann die Luftfeuchtigkeit abgeschätzt wird. So kann aus den vorangegangenen Temperaturwerten, beispielsweise der letzten drei oder fünf Tage, das vorherrschende Klima besser beurteilt werden, um aus den Temperaturwerten auf die Luftfeuchtigkeit zu schließen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich eine Durchflussmenge des Kühlmittels reduziert, was ebenfalls die Betauungsgefahr reduziert. Diese Maßnahme kann zeitlich parallel, vorgeschaltet oder nachgeschaltet zu den zuvor genannten Maßnahmen durchgeführt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Kühleinrichtung mindestens zeitweise abgeschaltet, wenn trotz der Maßnahmen an der Kühleinrichtung und/oder der elektrischen Komponente weiterhin Betauungsgefahr besteht. Dabei wird jedoch vorzugsweise weiterhin ein zulässiger Temperaturbereich der elektrischen Komponente überwacht, sodass gegebenenfalls bei Erreichen eines kritischen Temperaturbereiches der elektrischen Komponente die Kühleinrichtung eingeschaltet bleibt oder wieder eingeschaltet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Komponente oder eine weitere elektrische Komponente, die thermisch mit der Kühleinrichtung gekoppelt ist, derart betrieben, dass die thermische Leistungsabgabe erhöht wird, um das Kühlmittel zu erwärmen. Somit kann auf separate Heizelemente für das Kühlmittel verzichtet werden. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung einen ersten Kühlkreislauf bildet, der mit einem zweiten Kühlkreislauf gekoppelt ist. Die Kopplung kann dabei über Ventile, über die Kühlmittel austauschbar ist, oder über Wärmetauscher erfolgen. Durch Steuerung der Ventile oder Wärmetauscher kann dabei das Kühlmittel für die elektrische Komponente gezielt erwärmt oder abgekühlt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Kühleinrichtung eine Flüssigkeitskühlung, die beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmittel aufweist. Eine Flüssigkeitskühlung hat dabei gegenüber einer Luftkühlung den Vorteil, dass die Rückwirkungen auf die Temperatur im Fahrzeuginnenraum geringer sind, insbesondere wenn das Kühlmittel erwärmt wird.
  • Die Vorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in einer elektrischen Komponente umfasst eine Kühleinrichtung zur Kühlung der elektrischen Komponente, mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur eines Kühlmittels der Kühleinrichtung, mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur der elektrischen Komponente sowie mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit mit mindestens einem Kennfeld, wobei anhand der erfassten oder ermittelten Temperaturwerte anhand des Kennfeldes eine Betauungswahrscheinlichkeit abschätzbar ist, wobei bei einer Betauungswahrscheinlichkeit größer einem vorab definierten Schwellwert die Auswerte- und Steuereinheit die Temperatur des Kühlmittels erhöht und/oder die Leistungsabgabe der elektrischen Komponente reduziert. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen kann auf die Ausführungen zu den Verfahrensansprüchen verwiesen werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in einer elektrischen Komponente.
  • Die Vorrichtung 1 zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente 2 umfasst eine Kühleinrichtung 3, die ein Kühlmittel 4 durch die elektrische Komponente 2 pumpt. Das Kühlmittel 4 ist dabei vorzugsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Im dargestellten Beispiel ist die elektrische Komponente 2 ein Batteriesystem mit einem Batteriemodul 5, das in einem Batteriegehäuse 6 angeordnet ist. Das Batteriemodul 5 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, die miteinander verschaltet sind. Dabei kann das Batteriemodul 5 aus mehreren Teilmodulen bestehen, wobei das Kühlmittel 4 zwischen den Teilmodulen durchgeleitet wird, um die durch elektrische Verlustleistung entstandene Wärme abzuführen. Das Batteriemodul 5 weist mindestens einen Temperatursensor 7 auf, mittels dessen die Temperatur Ti der Batteriezellen bzw. der elektrischen Komponente 2 erfasst wird. Üblicherweise sind mehrere Temperatursensoren 7 vorhanden. Weiter sei angemerkt, dass der Temperatursensor 7 auch an dem Batteriegehäuse 6 angeordnet sein kann, wobei dann mittels einer Modellbildung auf die Temperatur Ti der elektrischen Komponente 2 bzw. vorliegend dem Batteriemodul 5 zurückgerechnet werden kann. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswerte- und Steuereinheit 8 sowie einen Temperatursensor 9 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur TA. Die Temperatur TK des Kühlmittels 4 wird dabei durch die Kühleinrichtung 3 durch eine nicht dargestellte Sensorik erfasst oder ermittelt und an die Auswerte- und Steuereinheit 8 übermittelt. In der Auswerte- und Steuereinheit 8 sind des Weiteren empirisch ermittelte Kennfelder abgelegt, aus denen anhand der Temperatur TK des Kühlmittels 4 und der Temperatur Ti der elektrischen Komponente 2 eine Betauungswahrscheinlichkeit abgelesen werden kann, wobei die Umgebungstemperatur TA als weiterer Parameter berücksichtigt wird. Dabei gilt stark vereinfacht, dass hohe Temperaturunterschiede zwischen Ti und TK die Betauungswahrscheinlichkeit erhöhen.
  • Weiter ist dargestellt, dass ein zweiter Kühlkreislauf 10 über einen Wärmetauscher 11 mit dem Kühlkreislauf der Kühleinrichtung 3 thermisch gekoppelt ist.
  • Bei der Inbetriebnahme der elektrischen Komponente 2 überprüft die Auswerte- und Steuereinheit 8 anhand der übermittelten Temperaturwerte Ti, TK und TA anhand des Kennfeldes, wie groß die Betauungswahrscheinlichkeit ist. Ist diese größer als ein vorab definierter Schwellwert, so führt die Auswerte- und Steuereinheit 8 Gegenmaßnahmen aus. Dabei ermittelt die Auswerte- und Steuereinheit 8, ob die Temperatur TK des Kühlmittels 4 erhöht werden kann. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann über den Wärmetauscher 11 Wärme vom zweiten Kühlkreislauf 10 in den Kühlkreislauf der Kühleinrichtung 3 gekoppelt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die elektrische Komponente 2 eingeschaltet wird, ohne dass das Kühlmittel 4 gepumpt wird, sodass sich das Kühlmittel 4 im Innern des Batteriegehäuses 6 erwärmt. Wenn dann die Kühleinrichtung 9 anfängt, das Kühlmittel 4 zu pumpen, kann der Wärmetauscher 11 abgeschaltet werden, sodass sich das Kühlmittel 4 weiter erwärmt.
  • Parallel dazu oder zeitlich vor- oder nachgelagert kann die Auswerte- und Steuereinheit 8 einen Steuerbefehl an ein die elektrische Komponente 2 ansteuerndes Steuergerät übermitteln, dass die elektrische Komponente 2 mit reduzierter elektrischer Leistung angesteuert wird, um die Temperaturdifferenz nicht zu schnell ansteigen zu lassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Fließgeschwindigkeit bzw. die Flussmenge des Kühlmittels 4 reduziert werden.
  • Als letzte Maßnahme, wenn alle zuvor genannten Maßnahmen die Betauungswahrscheinlichkeit nicht reduzieren können, kann die Kühleinrichtung 3 abgeschaltet werden, solange sichergestellt ist, dass die elektrische Komponente 2 eine kritische Temperatur nicht überschreitet.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente (2), die durch eine Kühleinrichtung (3) gekühlt wird, wobei eine Temperatur (TK) eines Kühlmittels (4) der Kühleinrichtung (3) erfasst oder ermittelt wird und eine Temperatur (Ti) der elektrischen Komponente (2) erfasst oder ermittelt wird, wobei mittels eines Kennfeldes anhand der erfassten oder ermittelten Temperaturwerte (Ti, TK) eine Betauungswahrscheinlichkeit geschätzt wird, wobei bei einer Betauungswahrscheinlichkeit größer einem vorab definierten Schwellwert die Temperatur (TK) des Kühlmittels (4) erhöht und/oder die Leistungsabgabe der elektrischen Komponente (2) reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter im Kennfeld eine Umgebungstemperatur (TA) berücksichtigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungstemperatur (TA) mit Umgebungstemperaturwerten eines vorangegangenen Zeitintervalls bewertet wird und daraus eine Feuchtigkeit der umgebenden Luft der elektrischen Komponente (2) abgeschätzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Durchflussmenge des Kühlmittels (4) reduziert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) mindestens zeitweise ausgeschaltet wird, wenn trotz der Maßnahmen an der Kühleinrichtung (3) und/oder der elektrischen Komponente (2) weiterhin Betauungsgefahr besteht.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (2) oder eine weitere elektrische Komponente, die thermisch mit der Kühleinrichtung (3) gekoppelt ist, derart betrieben wird, dass die thermische Leistungsabgabe erhöht wird, um das Kühlmittel (4) zu erwärmen.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) eine Flüssigkeitskühlung ist.
  8. Vorrichtung (1) zur Vermeidung oder Reduzierung von Betauungszuständen in oder an einer elektrischen Komponente (2), umfassend eine Kühleinrichtung (3) zur Kühlung der elektrischen Komponente (2), mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur (TK) eines Kühlmittels (4) der Kühleinrichtung (3), mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur (Ti) der elektrischen Komponente (2) sowie mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (8) mit mindestens einem Kennfeld, wobei anhand der erfassten oder ermittelten Temperaturwerte (TK, Ti) anhand des Kennfeldes eine Betauungswahrscheinlichkeit abschätzbar ist, wobei bei einer Betauungswahrscheinlichkeit größer einem vorab definierten Schwellwert die Auswerte- und Steuereinheit (8) die Temperatur (TK) des Kühlmittels (4) erhöht und/oder die Leistungsabgabe der elektrischen Komponente (2) reduziert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kennfeld als Parameter eine Umgebungstemperatur (TA) berücksichtigt ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) als Flüssigkeitskühlung ausgebildet ist.
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