DE102012103131A1

DE102012103131A1 - Kraftfahrzeug mit einer temperierbaren Fahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102012103131A1
Application number: DE201210103131
Authority: DE
Inventors: Björn Pehnert; Marcel Straub; David Ammann; Patrik Gisch; Thomas Aussem; Richard Krestel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-17

Abstract

Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie, insbesondere zum Starten eines Verbrennungsmotors. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Fahrzeugbatterie durch eine oder mehrere der folgend beschriebenen Vorrichtungen temperiert ist,
– zumindest ein der Fahrzeugbatterie zugeordnetes Peltierelement, mittels welchem die Fahrzeugbatterie kühlbar ist,
– zumindest einer Klimatisierungseinrichtung mit einem Verdampfer und einer Wärmeübertragereinrichtung, mittels welcher die Fahrzeugbatterie kühlbar ist,
– zumindest einem Lüfter, der direkt oder indirekt über eine Klimaanlage des Kraftfahrzeugs der Fahrzeugbatterie Kühlluft zuführt,
– zumindest einem Luftleitelement, welches der Fahrzeugbatterie kühlende Fahrtluft zuführt.
Hierdurch ist eine optimale Temperierung der Fahrzeugbatterie und damit verbunden die Erhöhung deren Kapazität und Lebensdauer möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie, insbesondere zum Starten eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Kraftfahrzeuge sind allgemeiner Stand der Technik, wobei die Fahrzeugbatterie oftmals in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs untergebracht und dadurch vergleichsweise hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Die Strahlungswärme des laufenden Verbrennungsmotors sowie die in modernen Motorräumen herrschende Enge kann zu hohen Temperaturen im Bereich der Fahrzeugbatterie führen, die wiederum die Lebensdauer und Kapazität derselben verkürzen können.
Aus der DE 198 06 135 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer Fahrzeugbatterie bekannt, bei welchem die Temperatur der Fahrzeugbatterie indirekt in Abhängigkeit von wenigstens der Motortemperatur und der Umgebungstemperatur berechnet wird. Diese Temperaturen werden ohnehin von anderen Steuergeräten erfasst und berechnet und von diesem über den fahrzeuginternen Datenbus an weitere Steuergeräte, wie bspw. das Motorsteuergerät, zur Berechnung der Temperatur der Fahrzeugbatterie gesendet. Hierdurch lässt sich eine mögliche Kapazität der Fahrzeugbatterie auch ohne zusätzlichen Temperatursensor berechnen.
Aus der DE 10 2008 024 793 A1 ist ein Energieversorgungssystem mit einer temperaturempfindlichen Fahrzeugbatterie und einem Brennstoffzellensystem bekannt, wobei letzteres ein Temperiersystem für die temperaturempfindliche Batterie betreibt. Hierdurch soll die Fahrzeugbatterie in einem optimalen Temperaturfenster betrieben werden können.
Die zunehmende Anzahl von elektrischen Verbrauchern in modernen Kraftfahrzeugen sowie auch der zunehmende Einsatz von Fahrzeugbatterien zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, erfordert eine möglichst hohe Ausnutzung der vorhandenen Batteriekapazität der jeweiligen Fahrzeugbatterie. Um diese optimal betreiben und auslasten sowie deren Lebensdauer verlängern zu können, ist es essentiell, die Fahrzeugbatterie vor schädigenden Temperaturbelastungen, sowohl nach oben als auch nach unten, zu schützen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem für ein Kraftfahrzeug der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die Leistung einer im Kraftfahrzeug befindlichen Fahrzeugbatterie steigert und zugleich deren Lebensdauer verlängert.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug, bspw. in einem rein elektromotorisch oder rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug oder aber einem Hybridfahrzeug zu temperieren und dadurch deren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu erhöhen. Erfindungsgemäß erfolgt dabei die Temperierung der Fahrzeugbatterie durch eine oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen: Vorgesehen kann bspw. zumindest ein der Fahrzeugbatterie zugeordnetes Peltierelement sein, mittels welchem die Fahrzeugbatterie insbesondere kühlbar aber zusätzlich ggf. auch beheizbar ist. Derartige Peltierelemente bieten dabei den großen Vorteil, bei größeren Temperaturdifferenzen einen Ladestrom erzeugen und damit die Fahrzeugbatterie laden zu können. Bei sehr hohen oder sehr tiefen auf die Fahrzeugbatterie einwirkenden Temperaturen, die sowohl deren Leistungsfähigkeit als auch deren Lebensdauer negativ beeinträchtigen können, kann die Fahrzeugbatterie durch Stromzufuhr in das zumindest eine Peltierelement gekühlt bzw. beheizt werden. Ob die Fahrzeugbatterie dabei gekühlt bzw. beheizt wird, hängt dabei lediglich von der Richtung des Stromdurchflusses durch das zumindest eine Peltierelement ab. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest eine Klimatisierungseinrichtung mit einem Verdampfer und einer Wärmeübertragereinrichtung, bspw. einer Kühlplatte, vorgesehen sein, mittels welcher die Fahrzeugbatterie insbesondere kühlbar ist. Eine derartige Klimatisierungseinrichtung kann bspw. vollkommen autark zu einer ohnehin im Kraftfahrzeug angeordneten Klimaanlage zur Temperierung eines Fahrgastraums ausgebildet sind, oder aber Bestandteil dieser Klimaanlage sein und lediglich eine Abzweigung zur Temperierung der Fahrzeugbatterie darstellen. Mittels einer derartigen Klimatisierungseinrichtung sind auch eine individuelle Temperierung der Fahrzeugbatterie und damit ein Betrieb derselben in einem optimalen Temperaturfenster möglich. Weiter zusätzlich oder alternativ kann zumindest ein Lüfter vorgesehen sein, der die Fahrzeugbatterie direkt oder indirekt über eine Klimaanlage des Kraftfahrzeugs Kühlluft zuführt. Eine direkte Zuführung von Kühlluft kann bspw. durch ein direktes Anblasen mittels des Lüfters erfolgen, wobei dieser, bspw. je nachdem ob eine Kühlung oder Erwärmung der Fahrzeugbatterie gewünscht ist, vorwärts oder rückwärts betrieben werden kann. Besonders effektiv kann dabei die Fahrzeugbatterie gekühlt werden, sofern der zumindest eine Lüfter der Fahrzeugbatterie Kühlluft zuführt, die zuvor von der Klimaanlage des Kraftfahrzeugs gekühlt wurde. Als vierte zusätzliche oder alternative Vorrichtung zur Temperierung der Fahrzeugbatterie kann zumindest ein Luftleitelement vorgesehen sein, welches der Fahrzeugbatterie kühlende Fahrtluft zuführt. Ein derartiges Luftleitelement kann dabei bspw. als Staudruck gespeister Schnorchel ausgebildet sein und dadurch der Fahrzeugbatterie ausschließlich bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs Kühlluft zuführen. Zusätzlich oder alternativ ist auch vorstellbar, dass das zumindest eine Luftleitelement eine Zuführleitung mit verstellbaren Staudruckklappen/-ventilen aufweist. Je nach Temperatur der Fahrzeugbatterie ist es erforderlich, diese mehr oder weniger stark zu kühlen bzw. zu erwärmen, wozu mit Hilfe der verstellbaren Staudruckklappen/-ventilen die Zuführung exakt gesteuert werden kann. Dabei ist insbesondere denkbar, dass bei vergleichsweise hoher auf die Fahrzeugbatterie einwirkender Temperaturbelastung viel Frischluft der Fahrzeugbatterie zugeführt wird, um diese zu kühlen und dadurch in einem optimalen Temperaturfenster betreiben zu können. Bei vergleichsweise geringen Außentemperaturen ist eine Kühlung der Fahrzeugbatterie kontraproduktiv, wobei in diesem Fall die verstellbaren Staudruckklappen/-ventile bspw. die Zuführleitung verschließen, so dass der Fahrzeugbatterie keine Kühlluft zugeführt, sondern diese bspw. von der Strahlungswärme des benachbart angeordneten Verbrennungsmotors erwärmt wird. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen liegt die Temperatur der Fahrzeugbatterie üblicherweise unterhalb des optimalen Temperaturfensters, weshalb in diesem Fall zum optimalen Betrieb der Fahrzeugbatterie diese erwärmt werden sollte.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Einlass der Zuführleitung bspw. als so genannter Naca-Einlass ausgebildet und insbesondere im Bereich eines Frontscheinwerfers oder Kühlers angeordnet. Die Anordnung im Bereich des Frontscheinwerfers oder des Kühlers gewährleistet eine optimale Frischluftzufuhr während der Fahrt des Kraftfahrzeugs, wobei ein Auslass der Zuführleitung im Bereich der Fahrzeugbatterie bzw. sofern diese im Wesentlichen in die Zuführleitung integriert ist, im Bereich eines Kotflügels angeordnet sein kann. Hierdurch wären wiederum eine kontinuierliche Umströmung der Fahrzeugbatterie während der Fahrt und damit eine effiziente Kühlung derselben möglich. Durch entsprechende Klappen bzw. Ventile könnte dabei die Zuführung von Frischluft gesteuert und dadurch die Temperierung der Fahrzeugbatterie geregelt werden.
Zweckmäßig ist eine insbesondere aufblasbare Wärmedämmung zur Isolierung der Fahrzeugbatterie vorgesehen. Eine derartige Wärmedämmung kann bspw. bei längerer Fahrt einfach aufgeblasen werden und dadurch einen Wärmeschutzschild zum Wärme abstrahlenden Verbrennungsmotor bilden. Bei zu kalter Fahrzeugbatterie wird dabei die Wärmedämmung wieder eingefahren, woraufhin der Verbrennungsmotor die Fahrzeugbatterie aufwärmt und in ein optimales Temperaturfenster bringen kann. Eine aufblasbare Wärmedämmung stellt dabei lediglich eine mögliche Ausführungsform einer derartigen variierbaren Wärmedämmung dar, wobei selbstverständlich auch andere aus- und einfahrbare Wärmedämmungen, mittels welchen die Temperatur der Fahrzeugbatterie regelbar ist, von der Erfindung umfasst sein soll.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie,
2a bis 2d unterschiedliche, einzeln oder kombiniert anwendbare Vorrichtungen zum Temperieren der Fahrzeugbatterie,
3 eine aufblasbare Wärmedämmung für die Fahrzeugbatterie,
4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der aufblasbaren Wärmedämmung.
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 eine Fahrzeugbatterie 2, insbesondere zum Starten eines Verbrennungsmotors 3, auf. Das Kraftfahrzeug 1 kann generell rein verbrennungsmotorisch angetrieben sein, wobei alternativ auch ein hybrid- bzw. elektromotorischer Antrieb denkbar sind. Für eine größtmögliche Ausnutzung der Leistung der Fahrzeugbatterie 2 sollte diese in einem vordefinierten und festgelegten Temperaturfenster betrieben werden, wobei deutlich darunter oder darüber liegende Temperaturen zu einer Einschränkung der Kapazität und zugleich auch zu einer Einschränkung der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie 2 führen können. Aus diesem Grund weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 zumindest eine der nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen 4 zum Temperieren der Fahrzeugbatterie 2 auf.
Gemäß den 2a bis 2d sind dabei die kumulativ, alternativ oder in beliebigen Kombinationen anwendbaren Vorrichtungen 4 zur Temperierung der Fahrzeugbatterie 2 näher dargestellt. Gemäß der 2a besitzt die Vorrichtung 4 zumindest ein der Fahrzeugbatterie 2 zugeordnetes Peltierelement 5, mittels welchem die Fahrzeugbatterie insbesondere kühlbar ist. Bei längerer Fahrt kann durch die vom Verbrennungsmotor 3 abgestrahlte Wärme eine unangemessen hohe Temperaturbelastung auf die Fahrzeugbatterie 2 einwirken, so dass diese zur Erhaltung ihrer Lebensdauer und ihrer optimalen Kapazität gekühlt werden sollte. Mittels der Peltierelemente 5 ist dabei nicht nur eine effektive Kühlung, sondern bei einer Umkehrung des Stromdurchflusses unter Umständen auch ein Beheizen der Fahrzeugbatterie 2 möglich, was insbesondere dann sinnvoll und leistungsfördernd ist, sofern bspw. sehr tiefe Außentemperaturen vorliegen. Auch kann das Peltierelement 5 zum Warmhalten der Fahrzeugbatterie 2 über Nacht genutzt werden, wodurch ebenfalls die Lebensdauer derselben verlängert werden kann. Generell ist eine Nutzung derartiger Peltierelemente 5 auch als thermoelektrischer Generator denkbar, so dass bei einer großen Temperaturdifferenz das Peltierelement 5 zum Laden der Fahrzeugbatterie 2 herangezogen werden kann. Um dabei eine möglichst große Temperaturdifferenz erzielen zu können, ist denkbar, das Peltierelement 5 am Verbrennungsmotor bzw. an einem Kotflügel wärmeübertragend anzubinden.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Vorrichtung 4, wie sie gemäß der 2b gezeigt ist, vorgesehen sein, mit zumindest einer Klimatisierungseinrichtung 6 mit einem Verdampfer 7 und einer Wärmeübertragereinrichtung 8, bspw. einer Kühlplatte, mittels welcher die Fahrzeugbatterie 2 kühlbar ist. Die Klimatisierungseinrichtung 6 kann dabei Teil einer ohnehin im Kraftfahrzeug 1 eingebauten Klimaanlage sein oder aber als dazu separate Klimatisierungseinrichtung 6 ausschließlich zur Temperierung der Fahrzeugbatterie 2 ausgebildet sein.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 4 besitzt gemäß der 2c einen Lüfter 9, der direkt oder indirekt über eine Klimaanlage bzw. die Klimatisierungseinrichtung 6 gemäß der 2b der Fahrzeugbatterie 2 Kühlluft zuführt. Ein derartiger Lüfter 9 bewirkt eine aktive Belüftung und damit auch eine aktive Temperierung, insbesondere Kühlung der Fahrzeugbatterie 2. Der Lüfter 9 kann dabei bspw. als Ventilator ausgebildet und eine Kühlluft führende Leitung 10 der Klimaanlage integriert sein, wobei die Leitung 10 zur Fahrzeugbatterie 2 verläuft. Die Leitung 10 ist dabei gemäß der 2c mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt.
Gemäß der 2d ist eine vierte Variation der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 gezeigt, bei welcher zumindest ein Luftleitelement 11 vorgesehen ist, das der Fahrzeugbatterie 2 kühlende Fahrtluft zuführt. Das zumindest eine Luftleitelement 11 kann bspw. als Staudruck gespeister Schnorchel ausgebildet sein, wobei sich ein Einlass des Schnorchels bspw. in einem Überdruckfeld, insbesondere im Bereich eines Scheinwerfers 12 (vgl. 1) oder beim Kühler befindet. Ein Auslass sollte in einem Unterdruckfeld, bspw. am Kotflügel vorgesehen sein. Mit verstellbaren Staudruckklappen/-ventilen 14 kann der Luftstrom am Luftleitelement 11, d. h. insbesondere im Schnorchel geregelt werden. Generell kann das Luftleitelement 11 eine Zuführleitung 13 mit derartigen verstellbaren Staudruckklappen/-ventilen 14 aufweisen. Ein Einlass der Zuführleitung 13 kann bspw. als Naca-Einlass ausgebildet sein und ebenfalls im Bereich des Frontscheinwerfers 12 oder Kühlers angeordnet sein. Die verstellbaren Staudruckklappen/-ventile 14 ermöglichen dabei vorzugsweise auch einen gänzlichen Verschluss des Luftleitelements 11, so dass keine Frischluft zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 2 zugeführt wird. Bei der Ausbildung des Einlass als Naca-Einlass ist auch denkbar, eine Einlassbreite oder Rampentiefe bis zur vollständigen Schließung verstellbar auszugestalten, um insbesondere cw-Wertanpassung zu erzielen.
Sämtlichen einzeln oder in beliebiger Kombination einsetzbaren Vorrichtungen 4 ist dabei gemein, dass diese eine Temperierung, insbesondere eine Kühlung, der Fahrzeugbatterie 2 ermöglichen, wodurch diese eine geringere Temperaturbelastung, bspw. aufgrund von Strahlungswärme des Verbrennungsmotors 3, ertragen muss.
Um zusätzlich oder alternativ weitere Möglichkeiten der Temperierung der Fahrzeugbatterie 2 erreichen zu können, kann eine insbesondere aufblasbare Wärmedämmung 15 zur Isolierung der Fahrzeugbatterie 2 vorgesehen sein, wie diese bspw. gemäß den 3 und 4 dargestellt ist. Gemäß den 3a und 4a befindet sich dabei die aufblasbare Wärmedämmung 15 in nicht-aufgeblasenen und damit nicht-aktivierten Zustand, wogegen sie sich gemäß den 3b und 4b im aufgeblasenen und damit aktivierten Zustand befindet, in welchem eine Wärmeisolierung der Fahrzeugbatterie 2 gegeben ist. Die aufblasbare Form der Wärmedämmung 15 stellt dabei lediglich eine mögliche Ausführungsform einer generell aktivierbaren und deaktivierbaren Wärmedämmung 15 dar. Generell kann mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen 4 und der Wärmedämmung 15 eine Temperierung der Fahrzeugbatterie 2 erfolgen, wodurch diese in einem optimalen Temperaturfenster betrieben werden kann. Innerhalb dieses optimalen Temperaturfensters von bspw. 10–30° kann nicht nur die volle Leistungsfähigkeit der Fahrzeugbatterie 2 ausgeschöpft, sondern auch deren Lebensdauer verlängert werden.
Generell ist auch vorstellbar, einen Latentwärmespeicher zur Überbrückung von fehlender Wärmezuführung zur Fahrzeugbatterie 2 bei abgestelltem Fahrzeug vorzusehen, wobei dieser Latentwärmespeicher im Fahrbetrieb durch die Motorabwärme erhitzt wird und die Wärme dann bei abgestelltem Fahrzeug an die Fahrzeugbatterie 2 abgeben kann. Hierdurch sind insbesondere eine zu starke Unterkühlung und verbunden damit ein hoher thermischer Stress für die Fahrzeugbatterie zu vermeiden. Der Latentwärmespeicher sollte in diesem Fall anhand typischer Überbrückungszeiten dimensioniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19806135 A1 [0003]
DE 102008024793 A1 [0004]

Claims

Kraftfahrzeug (1) mit einer Fahrzeugbatterie (2), insbesondere zum Starten eines Verbrennungsmotors (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (2) durch eine oder mehrere der folgend beschriebenen Vorrichtungen (4) temperiert ist, – zumindest ein der Fahrzeugbatterie (2) zugeordnetes Peltierelement (5), mittels welchem die Fahrzeugbatterie (2) zumindest kühlbar ist, – zumindest einer Klimatisierungseinrichtung (6) mit einem Verdampfer (7) und einer Wärmeübertragereinrichtung (8), mittels welcher die Fahrzeugbatterie (2) kühlbar ist, – zumindest einem Lüfter (9), der direkt oder indirekt über eine Klimaanlage des Kraftfahrzeugs (1) der Fahrzeugbatterie (2) Kühlluft zuführt, – zumindest einem Luftleitelement (11), welches der Fahrzeugbatterie (2) kühlende Fahrtluft zuführt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimatisierungseinrichtung (6) Teil einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs (1) ist oder dazu separat ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Peltierelement (5) derart ausgebildet ist, dass es zum Beheizen bzw. Warmhalten der Fahrzeugbatterie (2) nutzbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (9) als Ventilator ausgebildet und in eine Kühlluft führende Leitung (10) der Klimaanlage integriert ist, wobei die Leitung (10) zur Fahrzeugbatterie (2) verläuft.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Luftleitelement (11) als staudruck gespeister Schnorchel mit verstellbaren Staudruckklappen/-ventilen (14) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Luftleitelement (11) eine Zuführleitung (13) mit verstellbaren Staudruckklappen/-ventilen (14) aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass der Zuführleitung (13) als Naca-Einlass ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass der Zuführleitung (13) im Bereich eines Frontscheinwerfers (12) oder eines Kühlers angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere aufblasbare Wärmedämmung (15) zur Isolierung der Fahrzeugbatterie (2) vorgesehen ist.