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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Regelung einer Temperatur eines Batteriekühlsystems für eine Hochleistungsbatterie.
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Beim Einsatz von modernen Hochleistungsbatterien, die aus einer Anzahl einzelner Zellen aufgebaut sind, wie z. B. in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, ist dafür Sorge zu tragen, dass sich die Temperatur der Batterie während des Betriebs in einem gewissen Intervall befindet, um die Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Sicherheit der Einrichtung sicherzustellen. Einerseits sinkt der Wirkungsgrad der Batteriezellen bei Unterschreitung einer geeigneten Betriebstemperatur sehr stark und die Zellen produzieren eine hohe Verlustleistung. Andererseits laufen oberhalb eines geeigneten Betriebsbereichs Prozesse innerhalb der Zellen ab, die zu irreversiblen Schädigungen führen. Ferner dürfen zur Vermeidung einer ungleichmäßigen und damit einhergehenden verstärkten Alterung einzelner Batteriezellen die Temperaturunterschiede innerhalb der Einzelzellen und in dem gesamten Batteriestack bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten.
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Zur Temperierung der unterschiedlichen Komponenten werden zumeist Wärmeübertragungsfluide (Kältemittel, Kühlmittel, Luft) verwendet. Da sich die Belastung der Batteriezelle und damit die Verlustwärme während des Betriebs stark ändern können, ist die Kühlvorrichtung mit einer geeigneten Regelung zu versehen.
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Das Gesamtsystem zur Temperierung ist idealerweise kostengünstig, bauraumsparend, energieeffizient und einfach regel- bzw. steuerbar zu gestalten. Eine Zweipunktregelung zur Batteriekühlung unter Berücksichtigung der Zellmaximaltemperatur ist Stand der Technik. Erst die Erweiterung um weitere Kriterien ist neuartig.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 014 300 A1 offenbart ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zur Regelung einer Temperatur in einer Energiespeichereinheit. In dieser Druckschrift wird die Batteriekühlung u. a. über eine Zweipunktregelung gesteuert.
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Häufig regeln Temperierungseinrichtungen für Batterien die Temperatur nach der gemessenen Batterietemperatur, oder Zelltemperatur, und sind als Zweipunktregler ausgeführt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur betriebspunktabhängigen Regelung einer Temperatur eines Batteriekühlsystems für eine Hochleistungsbatterie unter Berücksichtigung der Temperaturspreizung in der Batterie zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Regelvorrichtung gemäß Anspruch 8 sowie ein Computerprogramm gemäß Anspruch 10 gelöst. Günstige Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche definiert.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur betriebspunktabhängigen Regelung einer Temperatur eines Batteriekühlsystems für eine Hochleistungsbatterie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Einlesen einer maximalen Temperaturspreizung der Batterie (ΔTBat), wobei der Wert der maximalen Temperaturspreizung (ΔTBat) eine Differenz zwischen einer niedrigsten Batterietemperatur und einer höchsten Batterietemperatur repräsentiert;
- – Vergleichen des Wertes der maximalen Temperaturspreizung der Batterie mit einem vordefinierten maximal zulässigen Temperaturspreizungswert; und
- – Ermitteln von mindestens einer Stellgröße, um eine maximale Temperatur in dem Batteriekühlsystem und die Temperaturspreizung der Batterie zu regeln, wobei die maximale Temperatur den Wert der höchsten Batterietemperatur repräsentiert, um durch die mindestens eine ermittelte Stellgröße eine betriebspunktabhängige Regelung der Temperatur eines Batteriekühlsystems für eine Hochleistungsbatterie zu ermöglichen.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die Einrichtungen aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte eines oben genannten Verfahrens durchzuführen.
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Zusätzlich schafft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des oben genannten Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Steuergerät oder einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.
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Unter einem Batteriekühlsystem kann eine Einrichtung zur Kühlung von Batterien verstanden werden. Dabei kann das Batteriekühlsystem aus einem Temperierungsfluidkreislauf mit einer Pumpe, einer Batteriekühleinheit, insbesondere einer Kühlplatte, und einem Kühlaggregat bestehen, wobei das Kühlaggregat zusätzlich mit einem weiteren Temperierungsfluidkreislauf verbunden sein kann und als Wärmetauscher oder Wärmeübertrager zwischen den zwei Temperierungsfluidkreisläufen wirken kann. Unter einer Hochleistungsbatterie kann eine Batterie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie für mobile Arbeitsmaschinen, auch bezeichnet als Off-Highway-Anwendungen, verstanden werden. Die Hochleistungsbatterie kann als Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Die Batterie kann als bodengekühlte Batterie aus einzelnen Zellen ausgeführt sein, wobei durch den Zellaufbau ein Wärmeleitpfad in der Zelle vorgegeben sein kann, ebenso kann die thermische Zellanbindung an die Kühlvorrichtung über einen Wärmeleitpfad vom Zellboden über die Zellanbindung an die Kühlvorrichtung an das Temperierungsfluid gegeben sein. Die Batterie kann im Betrieb an unterschiedlichen Punkten in und an der Batterie unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Unter der Batterietemperatur oder der maximalen Batterietemperatur kann der maximale Wert der an unterschiedlichen Punkten an der Batterie zu ermittelnden Temperaturwerte verstanden werden. Dabei kann unter einer Temperaturspreizung der Batterie die Differenz zwischen einer niedrigen Temperatur an und/oder in der Batterie, insbesondere die Temperatur des Kühlmittels am Eintritt in die Batteriekühlvorrichtung, und der maximalen Batterietemperatur verstanden werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl die Lebensdauer als auch der Wirkungsgrad einer Hochleistungsbatterie beträchtlich erhöht werden kann, wenn eine Temperaturregelung nicht nur unter Betrachtung der maximalen Batterietemperatur erfolgt, sondern wenn zusätzlich die Temperaturspreizung in der Batterie unterhalb bestimmter Grenzen eingestellt wird. Durch die Verwendung der maximalen Batterietemperatur und der Temperaturspreizung werden bei der Regelung Betriebsbereiche erreicht, die irreversible Schädigungen der Batterie verhindern bzw. minimieren.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Regelstrategie zur Kühlung von Hochvolt-Batterien, die sowohl die maximal zulässige Batterietemperatur als auch die Temperaturspreizung innerhalb der Zellen berücksichtigt. Die in der Erfindung beschriebene Regelstrategie gestattet eine effiziente, betriebspunktabhängige Regelung von Batterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie in mobilen Arbeitsmaschinen, auch bezeichnet als off-highway-Anwendungen.
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In einer Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns die Stellgröße ferner in Abhängigkeit von der maximalen Temperatur der Batterie ausgewählt werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Batterie nicht überhitzt wird.
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Ferner kann im Schritt des Einlesens die maximale Temperaturspreizung der Batterie durch einen hierzu indirekt proportionalen Wert ermittelt werden, insbesondere ein Wert, der eine Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Batteriekühlvorrichtung repräsentiert. Die maximale Temperaturspreizung ist eine rechnerisch aus mindestens zwei Werten zu bildende Größe. Dabei kann die minimale Temperatur in der Batterie nicht immer leicht zu bestimmen sein. Die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Batteriekühlvorrichtung kann leicht ermittelt und eingelesen werden und kann den kostengünstigen Bau der vorliegenden Erfindung erleichtern ohne eine große Rechenleistung zu erfordern.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren unter Verwendung eines Batteriekühlsystems ausgeführt werden, wobei das Batteriekühlsystem aus einem Kühlmittelkreislauf mit einer Pumpe, einer Batteriekühleinheit und einem Kühlaggregat bestehen kann, wobei die Batteriekühleinheit in thermischem Kontakt mit der Hochleistungsbatterie stehen kann und im Kühlaggregat eine indirekte Wärmeübertragung mit einem Kältemittel erfolgen kann, wobei mittels eines Ventils die zwischen Kältemittel und Kühlmittel übertragene Leistung gesteuert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch einen weiteren Schritt des Ansteuerns realisiert werden, wobei im Schritt des Ansteuerns die Pumpe eingeschaltet wird, wenn die maximale Batterietemperatur größer ist als ein oberer Grenzwert und/oder die Pumpe ausgeschaltet wird, wenn die maximale Batterietemperatur kleiner ist als der untere Grenzwert und/oder das Ventil geschlossen wird, wenn die maximale Batterietemperatur kleiner ist als der untere Grenzwert und/oder die maximale Batterietemperatur kleiner ist als der obere Grenzwert und gleichzeitig die maximale Temperaturspreizung der Batterie größer ist als die vordefinierte maximal zulässige Temperaturspreizung und/oder
das Ventil geöffnet wird, wenn die maximale Batterietemperatur größer ist als der obere Grenzwert und/oder die maximale Batterietemperatur größer ist als der untere Grenzwert und gleichzeitig die maximale Temperaturspreizung der Batterie kleiner ist als ein vordefinierter unterer Grenzwert der Temperaturspreizung und dass nach der letzten Schließung des Ventils der untere Grenzwert der Batterietemperatur nicht unterschritten wurde.
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Durch diese Maßnahme wird einerseits eine zu große Temperaturspreizung über die Zellen verhindert, und andererseits eine schnelle Kühlung der Batterie bei kleiner Temperaturspreizung ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der obere Grenzwert der Batteriemaximaltemperatur zu einem limitierenden Grenzwert verschoben werden, wenn gleichzeitig die maximale Temperaturspreizung der Batterie größer ist als der vordefinierte untere Grenzwert der Temperaturspreizung. Hierdurch soll bei einem Betriebsmodus in dem erweiterten Bereich eine weitere Erhöhung der Temperaturspreizung vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die maximal zulässige Temperaturspreizung und/oder der untere Grenzwert der Temperaturspreizung in Abhängigkeit der maximalen Batterietemperatur bestimmt werden, insbesondere ein linearer Bezug zwischen der Temperaturspreizung und der maximalen Batterietemperatur, insbesondere eine negative Steigung der Batterietemperatur über steigende Temperaturspreizung und/oder eine positive Steigung der Batterietemperatur über steigende Temperaturspreizung. Somit ist eine an unterschiedliche Betriebspunkte angepasste Regelung möglich. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Regelung auf einen Bereich mit annähernd konstanter Temperaturspreizung in den Zellen bei unterschiedlichen Temperaturniveaus.
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Im Betrieb können sich je nach Belastung der Batterie unterschiedliche Verlustleistungen ergeben. Dementsprechend können in Abhängigkeit der Verlustleistung auch unterschiedliche Verläufe der Grenzlinien gewünscht sein.
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Günstig ist es auch, wenn in einer Ausführungsform die Pumpe als eine regelbare Pumpe ausgeführt ist, wobei die regelbare Pumpe mindestens einen von mehr als zwei Betriebszuständen einnehmen kann. Hierdurch lässt sich die Temperaturspreizung bei weniger Ventilschaltungen weiter minimieren.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines Systems zur betriebspunktabhängigen Regelung einer Temperatur eines Batteriekühlsystems für eine Hochleistungsbatterie;
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2 eine Darstellung des Zusammenhangs von Batterietemperatur und Temperaturspreizung mit Schwerpunkt auf die Grenzlinien;
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3 eine Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Grenzlinien für Batterietemperatur und Temperaturspreizung;
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4 eine Darstellung eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Grenzlinien für Batterietemperatur und Temperaturspreizung, insbesondere mit Erweiterung bis zum limitierenden Grenzwert;
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5 eine Darstellung eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Grenzlinien für Batterietemperatur und Temperaturspreizung – repräsentiert durch die Kühlmitteleintrittstemperatur der Kühleinheit –, insbesondere bei Abhängigkeit der Temperaturspreizung von der Batterietemperatur;
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6 eine Darstellung eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Grenzlinien für Batterietemperatur und Temperaturspreizung – repräsentiert durch die Kühlmitteleintrittstemperatur der Kühleinheit –, insbesondere bei Abhängigkeit der Temperaturspreizung von der Batterietemperatur; und
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7 eine Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Feldes von Grenzlinien für Batterietemperatur und Temperaturspreizung – repräsentiert durch die Kühlmitteleintrittstemperatur der Kühleinheit;
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur betriebspunktabhängigen Regelung einer Temperatur eines Batteriekühlsystems 100 für eine Energiespeichereinheit bzw. Hochleistungsbatterie 120, die an einer Primärmessstelle eine Eintrittstemperatur TKM,in eines Kühlmittels 140 aufweist. Die Kühleinheit 130 ist über eine thermische Verbindung mit der Batterie 120 gekoppelt. Ein Kühlmittel 140 tritt in die Kühleinheit 130 ein und aus derselben wieder aus. Das Kühlmittel 140 wird über eine Pumpe 160 an ein Kühlaggregat 110 geleitet. Das Kühlmittel 140 tritt in das Kühlaggregat 110 ein, wobei das Kühlaggregat 110 auch als Chiller bezeichnet werden kann, und das Kühlmittel 140 tritt aus dem Kühlaggregat 110 wieder aus und wird über die Primärmessstelle für die Eintrittstemperatur TKM,in des Kühlmittels zur Kühleinheit 130 geleitet. In das Kühlaggregat 110 tritt zusätzlich ein Kältemittel 150 ein und aus demselben wieder aus. Vor den Eintritt des Kältemittels 150 in das Kühlaggregat 110 ist ein Ventil 170 geschaltet.
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Die hier vorgestellte Lösung der Aufgabe bezieht sich auf ein Batteriekühlsystem 100, in dem eine Batterie 120 mittels Kühlmittel 140 über Wärmeleitung gekühlt wird. In dem eingesetzten Kühlmittelkreis befinden sich u. a. die Batteriekühlungseinheit 130, wie z. B. eine Kühlplatte, eine Pumpe 160, und ein Wärmeübertrager 110 zur Bereitstellung der Kälteleistung. Im Folgenden wird ausschließlich ein Chiller 110 zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel 150 und Kühlmittel 140 näher betrachtet. Im kältemittelseitigen Vorlauf des Chillers 110 ist ein absperrbares Ventil 170 eingebaut. Der Chiller 110 ist hierbei in einen Kältemittelkreislauf integriert.
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2 zeigt eine Darstellung des Zusammenhangs von Batterietemperatur und Temperaturspreizung mit Schwerpunkt auf die Grenzlinien in einem Koordinatensystem. In dem Koordinatensystem ist auf der Abszisse eine Eintrittstemperatur eines Kühlmittels TKM,in in die Kühleinheit aufgetragen, bzw. in entgegengesetzter Richtung eine Temperaturspreizung oder Temperaturdifferenz ΔTBat, wobei ΔTBat,high die maximal zulässige Temperaturspreizung und ΔTBat,low den unteren Grenzwert der Temperaturspreizung bezeichnet, wobei der Wert der maximal zulässigen Temperaturspreizung ΔTBat,high analog zu dem unteren Grenzwert der Eintrittstemperatur des Kühlmittels TKM,low ist und der untere Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low analog zu dem oberen Grenzwert der Eintrittstemperatur des Kühlmittels TKM,high ist. Auf der Ordinate ist die maximale Batterietemperatur TBat,max aufgetragen, wobei TBat,high den oberen Grenzwert und TBat,low den unteren Grenzwert der maximalen Batterietemperatur TBat,max bezeichnet. Der Bereich mit kleineren Temperaturen als der untere Grenzwert TBat,low der maximalen Batterietemperatur TBat,max wird als Bereich C bezeichnet, der Bereich mit höheren Temperaturen als der obere Grenzwert TBat,high der maximalen Batterietemperatur TBat,max wird als Bereich A bezeichnet und der Bereich mit Temperaturen zwischen dem oberen Grenzwert TBat,high und dem unteren Grenzwert TBat,low der maximalen Batterietemperatur TBat,max wird als Bereich B bezeichnet. Im Bereich C befindet sich das Batteriekühlsystem 100 im Modus „Kühlung aus” und das Ventil 170 ist geschlossen und die Pumpe 160 ist aus. Beim Übergang von Bereich C mit dem Modus „Kühlung aus” in Bereich B bleibt die Pumpe 160 aus und das Ventil 170 zu, d. h. das Batteriekühlsystem 100 verbleibt im Modus „Kühlung aus”. Im Bereich A ist die Pumpe 160 an und das Ventil 170 auf, d. h. das Batteriekühlsystem 100 ist im Modus „Kühlung ein”. Beim Übergang von Bereich A in den Bereich B im Modus „Kühlung ein” bleibt die Pumpe 160 an und das Ventil 170 auf, d. h. das Batteriekühlsystem 100 verbleibt im Modus „Kühlung ein”.
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Die erforderliche Kühlung der Batterie richtet sich nach der maximalen Zellentemperatur im Batteriestack TBat,max. Ursprünglich ist keine Batteriekühlung eingeschaltet, d. h. der Batteriekühlmodus ist auf „aus” gestellt (BKM = 0). Sofern eine maximale Batterietemperatur überschritten wird (TBat,max TBat,high), wird Kühlung erforderlich, d. h. der Batteriekühlmodus wird auf „ein” gestellt (BKM = 1). Folgend wird das Ventil 170 geöffnet (V = 1) und ggf. nach einer zeitlichen Verzögerung die Pumpe 160 eingeschaltet (P = 1). Nachstehend wird eine ungeregelte Pumpe 160 betrachtet, die lediglich ein- oder ausschaltbar ist. Abweichend hiervon ist auch eine regelbare Pumpe 160 denkbar. Wenn im eingeschalteten Batteriekühlmodus (BKM = 1) eine maximale Batterietemperatur TBat,low unterschritten wird, wird der Batteriekühlmodus auf „aus” gestellt (BKM = 0), das Ventil 170 geschlossen (V = 0) und ggf. zeitverzögert die Pumpe 160 ausgeschaltet (P = 0). Diese Vorgehensweise beschreibt eine standardmäßige Zweipunktregelung der Batteriekühlung mit Hysterese.
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Der standardmäßigen Zweipunktregelung der Batteriekühlung mit Hysterese überlagert wird nun zusätzlich die Temperaturspreizung der Batteriezellen betrachtet.
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3 zeigt eine Erweiterung des in 2 dargestellten Diagramms des Zusammenhangs von Batterietemperatur und Temperaturspreizung und stellt dabei zusätzlich die Grenzlinien für die maximale Temperaturspreizung ΔTBat dar. Die Grenzlinie für die maximal zulässige Temperaturspreizung ΔTBat,high und die Grenzlinie für den unteren Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low sind im Bereich B aufgetragen. Dadurch wird der Bereich B in drei Bereiche aufgeteilt. Der Zustand bei einer maximalen Temperaturspreizung ΔTBat kleiner als der untere Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low bleibt unverändert und wird weiterhin als Bereich B bezeichnet. Der Zustand bei einer maximalen Temperaturspreizung ΔTBat größer als die maximal zulässige Temperaturspreizung ΔTBat,high wird als Bereich E bezeichnet. Der verbleibende Bereich zwischen der maximal zulässigen Temperaturspreizung ΔTBat,high und dem unteren Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low sowie dem oberen Grenzwert TBat,high und dem unteren Grenzwert TBat,low der maximalen Batterietemperatur TBat,max wird als Bereich G bezeichnet. Beim Eintritt in den Bereich E verbleibt das System in seinem Zustand, außer es tritt aus dem Bereich A oder dem Bereich G mit dem Modus „Kühlung ein” in den Bereich E. In diesem Fall stellt sich im Bereich E das Ventil 170 zu und die Pumpe 160 an. Im Bereich G wird der Kühlmodus nicht aktiv geändert, d. h. das Ventil 170 und die Pumpe 160 verbleiben in dem Zustand, in dem sie vor dem Eintritt in den Bereich G waren.
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Bei einer bodengekühlten Batterie stellt sich ein Temperaturgefälle von dem Zelldeckel bis zum Zellboden ein, wobei durch den Zellaufbau ein Wärmeleitpfad in der Zelle vorgegeben ist. Ebenso ist ein Wärmeleitpfad vom Zellboden über die Zellanbindung an die Kühlvorrichtung (Kühlplatte) und an das Kühlfluid gegeben.
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Einerseits kann die maximale Temperaturspreizung direkt über die Einzelzellen ΔTBat gemessen werden (z. B. über Temperatursensoren am Zelldeckel und -boden). Andererseits kann die Temperaturspreizung ΔTBat durch andere Messgrößen charakterisiert werden, wie z. B. die Zelldeckeltemperatur und die Eintrittstemperatur des Kühlmittels TKM,in in die Kühlvorrichtung (Kühlplatte). In dem Bereich TBat,low < TBat,max < TBat,high sind bei BKM = 1 wie oben beschrieben Änderungen der Kühlung möglich. Im einfachsten Fall wird bei Überschreitung einer maximal zulässigen Temperaturspreizung ΔTBat > ΔTBat,high bzw. TKM, TKM,low (bei BKM = 1; V = 1; P = 1) das Ventil bei weiterhin eingeschalteter Pumpe geschlossen (→ V = 0). Bei einer anschließenden Absenkung der Temperaturspreizung bis ΔTBat < ΔTBat,low bzw. TKM,in > TKM,high, wird das Ventil wieder geöffnet (V = 1), sofern der Batteriekühlmodus auf „ein” gestellt ist.
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Durch diese Maßnahme wird einerseits eine zu große Temperaturspreizung über die Zellen verhindert, und andererseits eine schnelle Kühlung der Batterie bei kleiner Temperaturspreizung ermöglicht.
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4 zeigt eine Modifikation des in 3 dargestellten Diagramms mit einer Erweiterung der maximalen Batterietemperatur TBat,max bis zum limitierenden Grenzwert TBat,limit oberhalb des oberen Grenzwerts TBat,high. Daneben wird noch als weiterer Grenzwert ein limitierender Grenzwert bei sinkender maximaler Batterietemperatur TBat,limit-Δ eingeführt, dessen Wert zwischen dem limitierenden Grenzwert TBat,limit und dem oberen Grenzwert TBat,high liegt. Der von dem (imitierenden Grenzwert bei sinkender maximaler Batterietemperatur TBat,limit-Δ, dem oberen Grenzwert TBat,high und der maximal zulässigen Temperaturspreizung ΔTBat,high begrenzte Bereich wird mit D bezeichnet. Ferner wird der von dem limitierenden Grenzwert bei sinkender maximaler Batterietemperatur TBat,limit-Δ, dem limitierenden Grenzwert TBat,limit und der maximal zulässigen Temperaturspreizung ΔTBat,high begrenzte Bereich mit H bezeichnet. Als F wird der Bereich bezeichnet, der begrenzt wird von dem limitierenden Grenzwert TBat,limit, dem oberen Grenzwert TBat,high, der maximal zulässigen Temperaturspreizung ΔTBat,high und dem unteren Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low. Bei einer maximalen Betriebstemperatur und einer maximalen Temperaturspreizung im Bereich D ist die Pumpe an und das Ventil zu. In den als H und F bezeichneten Bereichen findet keine Änderung der Schaltzustände von Ventil und Pumpe statt, analog zu Bereich G.
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Als weitere Option kann bei Überschreitung von TBat,max > TBat,high und gleichzeitigem ΔTBat > ΔTBat,high bzw. TKM,in < TKM,low der Batteriekühlmodus und die Pumpe 160 eingeschaltet werden (BKM = 1; P = 1), das Ventil 170 aber ausgeschaltet bleiben (V = 0). Bei diesen Bedingungen soll eine weitere Erhöhung der Temperaturspreizung ΔTBat vermieden werden. Wenn allerdings ein gewisses Limit TBat,limit überschritten wird (TBat,max > TBat,limit), dann hat die Erniedrigung der maximalen Temperatur TBat,max Vorrang vor der Einhaltung einer gewissen Temperaturspreizung ΔTBat. D. h., dass bei TBat,max > TBat,limit und ΔTBat > ΔTBat,high bzw. TKM,in < TKM,low das Ventil 170 geöffnet wird (V = 1). Bei einer nachfolgenden Absenkung von TBat,max und ΔTBat > ΔTBat,high bzw. TKM,in TKM,low wird das Ventil 170 erst nach einer gewissen Unterschreitung von TBat,limit bei TBat,limit-Δ wieder geschlossen (V = 0), um ein häufiges Schalten des Ventils 170 zu vermeiden. Sofern sich im Bereich TBat,high < TBat,max < TBat,limit die Temperaturspreizung ΔTBat erniedrigt, wird ab ΔTBat < ΔTBat,low bzw. TKM,in TKM,high das Ventil 170 zur schnelleren Kühlung wieder geöffnet (V = 1).
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5 zeigt eine Modifikation des in 4 dargestellten Diagramms. Die Grenzlinien für die maximal zulässige Temperaturspreizung ΔTBat,high und den unteren Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low (bzw. für die minimale und maximale Kühlmitteltemperatur TKM,low und TKM,high) verliefen bei den 2 bis 4 immer bei konstanter Temperaturspreizung ΔTBat (bzw. bei konstanter Kühlmitteleinrittstemperatur TKM,in). 5 zeigt als Abwandlung die Grenzwerte der Kühlmitteleintrittstemperaturen TKM,low, TKM,high als Funktion der maximalen Batterietemperatur TBat,max. 5 stellt die minimal zulässige Kühlmitteleintrittstemperatur TKM,low und den oberen Grenzwert der Kühlmitteleintrittstemperatur TKM,high als Gerade mit identischer, positiver Steigung mit steigender Kühlmitteleintrittstemperatur TKM,in dar. Dies ermöglicht eine schnelle Kühlung bzw. konstante Temperaturspreizung ΔTBat in einer Zelle zu halten.
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6 zeigt eine Modifikation des in 5 dargestellten Diagramms. Die Grenzlinie für den unteren Grenzwert der Temperaturspreizung ΔTBat,low verläuft im Bereich BG im Gegensatz zu 5 mit positiver Steigung bzw. für den oberen Grenzwert der Kühlmitteleintrittstemperatur TKM,high mit negativer Steigung.
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Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt bei niedriger maximaler Batterietemperatur TBat,max beim Übergang E → G → B später mit der Chiller-Kühlung 110 zu beginnen als bei großer maximaler Batterietemperatur. Diese Ausgestaltung des Verfahrens bietet den Vorteil, dass es energiesparender ist, und zu einer kleineren maximalen Temperaturspreizung ΔTBat bei gleichzeitig weniger Ventil-Schaltungen führt. Dabei muss eine längere Kühldauer in Kauf genommen werden.
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7 zeigt eine Modifikation des in 6 dargestellten Diagramms. Auch die Grenzlinien der Temperaturspreizung ΔTBat oberhalb des oberen Grenzwerts TBat,high der Batterietemperatur TBat,max können in Abhängigkeit von der maximalen Batterietemperatur TBat,max ausgebildet werden, als Gerade mit positiver Steigung. Gleicherweise können die Grenzlinien der Kühlmitteleintrittstemperaturen TKM,in oberhalb des oberen Grenzwertes TBat,high der Batterietemperatur TBat,max in Abhängigkeit von der maximalen Batterietemperatur TBat,max ausgebildet werden, als Gerade mit negativer Steigung.
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Diese Abhängigkeit bedeutet, dass bei hohen Zelltemperaturen im Bereich TBat,high < TBat,max < TBat,limit das Ventil 170 erst bei geringeren Kühlmitteleintrittstemperaturen TKM,in zu schließen ist (A → F → D), da dies einen kritischeren Kühlfall darstellt.
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Im Betrieb ergeben sich je nach Belastung der Batterie unterschiedliche Verlustleistungen. Dementsprechend können in Abhängigkeit der Verlustleistung auch unterschiedliche Verläufe der Grenzlinien gewünscht sein. Die Grenzlinien AB und BC können somit auch lastabhängig bei unterschiedlichen Zellmaximaltemperaturen liegen. Ebenso können die Grenzlinien EG und GB lastabhängig verschoben bzw. mit unterschiedlichen Steigungen versehen werden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009014300 A1 [0005]
