DE102013002847A1 - Battery arrangement for e.g. mild hybrid vehicle, has cooling unit for cooling phase change material, where cooling unit is constructed as evaporator of air conditioner, which is acted upon with refrigerants relaxed at expander unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Zum Kühlen der Batteriezellen ist ein Latentwärmespeicher vorgesehen, welcher ein Phasenwechselmaterial aufweist. Eine Kühleinrichtung der Batterieanordnung dient dem Kühlen des Phasenwechselmaterials. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterieanordnung.The invention relates to a battery arrangement for a vehicle, which comprises a plurality of battery cells. For cooling the battery cells, a latent heat storage is provided, which has a phase change material. A cooling device of the battery arrangement serves to cool the phase change material. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a battery arrangement.
Die
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass nicht immer eine ausreichende Kühlung des Phasenwechselmaterials möglich ist.A disadvantage here is the fact that not always sufficient cooling of the phase change material is possible.
Des Weiteren sind Batterieanordnungen in der
Die
Aus dem Kraftwagenbau ist es des Weiteren bekannt, für die Batterie eines Hybridfahrzeugs einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel vorzusehen, welches aus Luft oder aus einem Wasser-Glykolgemisch besteht. Dieser Kühlkreislauf steht über einen Wärmetauscher in thermischer Verbindung zum Kältemittelkreis einer Klimaanlage des Hybridfahrzeugs. Über das Betreiben der Klimaanlage kann so dafür gesorgt werden, dass Abwärme der Batteriezellen mittelbar an den Kältemittelkreis abgegeben wird. Dies ist jedoch dann nicht in ausreichendem Maße möglich, wenn eine große Klimatisierungsleistung der Klimaanlage zum Kühlen der Fahrzeugkabine, also des Fahrgastraums, bereitgestellt werden soll.From the motor vehicle industry, it is also known to provide for the battery of a hybrid vehicle, a cooling circuit with a coolant, which consists of air or a water-glycol mixture. This cooling circuit is connected via a heat exchanger in thermal communication with the refrigerant circuit of an air conditioner of the hybrid vehicle. About the operation of the air conditioner can be ensured so that waste heat of the battery cells is discharged indirectly to the refrigerant circuit. However, this is not sufficiently possible if a large air conditioning capacity of the air conditioning system for cooling the vehicle cabin, so the passenger compartment, to be provided.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterieanordnung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterieanordnung zu schaffen, welche bzw. welches eine verbesserte Kühlung der Batteriezellen ermöglicht.Object of the present invention is to provide a battery assembly of the type mentioned above and a method for operating such a battery assembly, which or which allows improved cooling of the battery cells.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a battery arrangement having the features of
Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung als Verdampfer einer Klimaanlage ausgebildet, welcher mit einem an einer Expansionseinrichtung entspannten Kältemittel beaufschlagbar ist. Durch das Nutzen des Verdampfers der Klimaanlage zum Kühlen des Phasenwechselmaterials kann auch bei vergleichsweise hoher Umgebungstemperatur eine besonders weitgehende Kühlung des Phasenwechselmaterials sichergestellt werden. Würde hingegen das Phasenwechselmaterial lediglich mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt, welcher an einem Wärmetauscher Wärme entzogen wird, so lässt sich bei hohen Außentemperaturen keine ausreichende Abkühlung des Phasenwechselmaterials, insbesondere keine Kühlung unter die Temperatur des Phasenübergangs sicherstellen.According to the invention, the cooling device is designed as an evaporator of an air conditioning system, which can be acted upon by a refrigerant which has been expanded at an expansion device. By using the evaporator of the air conditioner for cooling the phase change material, a particularly extensive cooling of the phase change material can be ensured even at relatively high ambient temperature. If, on the other hand, the phase change material were cooled only by means of a cooling liquid, which heat is removed from a heat exchanger, it is not possible to ensure sufficient cooling of the phase change material, in particular no cooling below the temperature of the phase transition, at high outside temperatures.
Vorliegend sorgt jedoch der Verdampfer dafür, dass das Phasenwechselmaterial so weit abgekühlt wird, dass ein Phasenübergang stattfindet. Dann kann bei einer Wärmeabgabe der Batteriezellen durch einen erneuten Phasenübergang des Phasenwechselmaterials dafür gesorgt werden, dass die Batteriezellen eine kritische Obergrenze der Temperatur nicht überschreiten.In the present case, however, the evaporator ensures that the phase change material is cooled down so far that a phase transition takes place. Then it can be ensured that the battery cells do not exceed a critical upper limit of the temperature at a heat output of the battery cells by a new phase transition of the phase change material.
Ein solcher Fall, bei welchem eine vergleichsweise starke Kühlleistung gefordert ist, kann beispielsweise dann vorliegen, wenn bei hoher Außentemperatur ein zuvor abgestelltes Fahrzeug in Betrieb genommen wird und beim Losfahren die Batteriezellen elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs bereitstellen. In einem solchen Fall steht nämlich die Kühlleistung der zum Kühlen des Fahrgastraums des Fahrzeugs vorgesehenen Klimaanlage nicht zum Kühlen der Batteriezellen zur Verfügung. Jedoch kann die Abwärme der Batteriezellen von dem Phasenwechselmaterial aufgenommen werden, indem ein Phasenübergang des Phasenwechselmaterials stattfindet.Such a case, in which a comparatively strong cooling capacity is required, may be present, for example, when at high outside temperature a previously parked vehicle is put into operation and when driving off the battery cells provide electrical energy for driving the vehicle. In such a case, namely, the cooling capacity of the air conditioning system provided for cooling the passenger compartment of the vehicle is not available for cooling the battery cells. However, the waste heat of the battery cells can be absorbed by the phase change material by a phase transition of the phase change material takes place.
Steht dann anschließend wieder überschüssige Kühlleistung der Klimaanlage bereit, weil der Fahrgastraum bereits auf eine komfortable Temperatur abgekühlt wurde, so kann die Kühlleistung zum Kühlen des Phasenwechselmaterials verwendet werden, welches dadurch erneut seinen Aggregatszustand ändert. Dies funktioniert auch bei besonders hoher Außentemperatur, bei welcher eine Kühlung der Batteriezellen mit einer Kühlflüssigkeit oder Kühlluft nicht in ausreichendem Maße zu bewerkstelligen wäre.Is then then again excess cooling capacity of the air conditioning ready, because the passenger compartment has already been cooled to a comfortable temperature, the cooling power can be used to cool the phase change material, which thereby again changes its state of aggregation. This also works with a particularly high outside temperature, with which a cooling the battery cells with a cooling liquid or cooling air would not be sufficiently accomplished.
Ein besonders guter Wärmeübergang von dem Phasenwechselmaterial auf den Verdampfer ist erreichbar, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Latentwärmespeicher mit dem Verdampfer in Anlage ist.A particularly good heat transfer from the phase change material to the evaporator can be achieved if, according to an advantageous embodiment of the invention, the latent heat accumulator is in contact with the evaporator.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn durch den Verdampfer eine Bodenplatte einer den Latentwärmespeicher und die Batteriezellen umfassenden Baugruppe der Batterieanordnung gebildet ist. So lässt sich eine besonders kompakte Bauform der Batterieanordnung erreichen, und zugleich gut Wärme von den Batteriezellen abführen.It is furthermore preferred if a bottom plate of an assembly of the battery arrangement comprising the latent heat store and the battery cells is formed by the evaporator. Thus, a particularly compact design of the battery assembly can be achieved, and at the same time dissipate good heat from the battery cells.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn Gehäuse der einzelnen Batteriezellen von dem Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers umfangsseitig umlaufend umschlossen sind und eine Bodenfläche des Gehäuses der jeweiligen Batteriezelle mit dem Phasenwechselmaterial in Anlage ist. So kann auch mittels eines Wärme vergleichsweise schlecht leitenden Phasenwechselmaterials eine besonders gute Kühlung der Batteriezellen erreicht werden.As a further advantage, it has been shown that housing of the individual battery cells are peripherally circumferentially enclosed by the phase change material of the latent heat storage and a bottom surface of the housing of the respective battery cell with the phase change material in plant. Thus, a particularly good cooling of the battery cells can be achieved by means of a heat relatively poorly conducting phase change material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Batterieanordnung eine Steuerungseinrichtung, welche dem Ansteuern einer Ventileinrichtung dient. Die Ventileinrichtung lässt in einer Offenstellung ein Durchströmen des Verdampfers mit dem Kältemittel zu, und in einer Geschlossenstellung der Ventileinrichtung ist das Durchströmen unterbunden. Eine solche Steuerungseinrichtung kann besonders einfach ausgelegt sein, da sie lediglich dafür sorgen muss, dass bei geöffneter Ventileinrichtung der Verdampfer betrieben oder bei geschlossener Ventileinrichtung der Verdampfer inaktiv ist. Ein solches getaktetes Einschalten und Ausschalten des Verdampfers durch Ansteuern der Ventileinrichtung lässt sich steuerungstechnisch oder regelungstechnisch besonders einfach realisieren.In a further advantageous embodiment of the invention, the battery arrangement comprises a control device which serves to control a valve device. The valve device allows in an open position to flow through the evaporator with the refrigerant, and in a closed position of the valve device, the flow is prevented. Such a control device can be designed to be particularly simple, since it merely has to ensure that the evaporator is operated when the valve device is open or the evaporator is inactive when the valve device is closed. Such a clocked switching on and off of the evaporator by controlling the valve device can be particularly simple to implement control technology or control technology.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt ist, das Verbringen der Ventileinrichtung in die Offenstellung und in die Geschlossenstellung in Abhängigkeit von einer Temperatur der Batteriezellen zu bewirken. So kann immer dann für ein Öffnen der Ventileinrichtung und somit ein durch das Beaufschlagen des Verdampfers mit dem entspannten Kältemittel bewirktes Kühlen des Phasenwechselmaterials gesorgt werden, wenn die Temperatur der Batteriezellen einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht.In this case, it has proven to be advantageous if the control device is designed to bring about the movement of the valve device into the open position and into the closed position as a function of a temperature of the battery cells. Thus, opening of the valve device and thus cooling of the phase change material caused by the pressurization of the evaporator with the expanded refrigerant can always be ensured when the temperature of the battery cells reaches a predetermined threshold value.
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt sein, das Verbringen der Ventileinrichtung in die Offenstellung bzw. in die Geschlossenstellung in Abhängigkeit von einer für einen Phasenübergang des Phasenwechselmaterials vorgesehenen Zeitspanne zu bewirken. So kann etwa dann die Ventileinrichtung in die Offenstellung verbracht werden, wenn davon auszugehen ist, dass in der Zeitspanne ein gewisser Prozentsatz des Phasenwechselmaterials seinen Aggregatszustand geändert hat.Additionally or alternatively, the control device may be designed to bring about the movement of the valve device into the open position or into the closed position as a function of a time span provided for a phase transition of the phase change material. For example, then the valve device can be moved into the open position, if it can be assumed that in the period of time a certain percentage of the phase change material has changed its state of aggregation.
Dies kann beispielsweise dann geschehen, wenn 80% bis nahezu 100%, insbesondere 90% bis 95%, des Phasenwechselmaterials den Phasenübergang vollzogen haben. Wird dann die Ventileinrichtung in die Offenstellung verbracht, so ist eine ebenso lange Zeitspanne notwendig, um das Phasenwechselmaterial wieder in den zum Aufnehmen von Wärme geeigneten vormaligen Aggregatszustand zu überführen. Wird dann die Ventileinrichtung weiter in der Offenstellung belassen, so sinkt die Temperatur der Batteriezellen. Dies kann solange weitergehen, bis die Batteriezellen eine Untergrenze der Temperatur erreicht haben.This can happen, for example, when 80% to nearly 100%, in particular 90% to 95%, of the phase change material have completed the phase transition. If the valve device is then moved into the open position, it takes an equally long period of time to transfer the phase change material back into the previous state of aggregation, which is suitable for absorbing heat. If then the valve device is left in the open position, the temperature of the battery cells decreases. This can continue until the battery cells have reached a lower limit of the temperature.
Von Vorteil ist es des Weiteren, wenn Wärmeleitelemente mit dem Verdampfer verbunden sind, mittels welchen bei einem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials freigesetzte Wärme auf den Verdampfer übertragbar ist. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass Phasenwechselmaterialien üblicherweise eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Durch die mit dem Verdampfer verbundenen Wärmeleitelemente kann jedoch trotzdem eine besonders gute Wärmeübertragung von dem Phasenwechselmaterial auf den Verdampfer sichergestellt werden.It is furthermore advantageous if heat-conducting elements are connected to the evaporator, by means of which heat released during a phase transition of the phase-change material can be transferred to the evaporator. This takes into account the fact that phase change materials usually have a comparatively poor thermal conductivity. Nevertheless, a particularly good heat transfer from the phase change material to the evaporator can be ensured by the heat-conducting elements connected to the evaporator.
Derartige Wärmeleitelemente können beispielsweise als massive Körper aus einem gut Wärme leitenden Material, etwa aus einem Metall oder einer Legierung, ausgebildet sein.Such heat-conducting elements can be formed, for example, as a solid body made of a good heat-conducting material, for example of a metal or an alloy.
Bevorzugt sind die Wärmeleitelemente in jeweiligen Zwischenräumen angeordnet, welche zwischen den einzelnen Batteriezellen ausgebildet sind. Dann lässt sich die Wärme besonders gleichmäßig von dem Phasenwechselmaterial abführen.Preferably, the heat-conducting elements are arranged in respective intermediate spaces, which are formed between the individual battery cells. Then the heat can be removed particularly evenly from the phase change material.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Wärmeleitelemente umfangsseitig umlaufend von dem Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers umschlossen sind. Dann kann nämlich besonders gut die beim Phasenübergang des Phasenwechselmaterials freigesetzte Wärme über die Wärmeleitelemente auf den Verdampfer übertragen werden.Finally, it has proven to be advantageous if the heat-conducting elements are peripherally surrounded circumferentially by the phase change material of the latent heat storage. In that case, the heat released during the phase transition of the phase change material can be transmitted to the evaporator via the heat conducting elements in a particularly good way.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung für ein Fahrzeug wird von einer Mehrzahl von Batteriezellen der Batterieanordnung Wärme freigesetzt. Diese Wärme wird auf ein Phasenwechselmaterial eines Latentwärmespeichers übertragen. Anschließend wird das Phasenwechselmaterial mittels einer Kühleinrichtung wieder gekühlt. Dies kann insbesondere geschehen, um einen Phasenübergang des Phasenwechselmaterials zu bewirken. Als Kühleinrichtung wird ein Verdampfer einer Klimaanlage eingesetzt, welcher zum Kühlen des Phasenwechselmaterials mit einem Kältemittel beaufschlagt wird, welches an einer Expansionseinrichtung entspannt wurde.In the method according to the invention for operating a battery arrangement for a vehicle, of a plurality of battery cells of the Battery assembly releases heat. This heat is transferred to a phase change material of a latent heat storage. Subsequently, the phase change material is cooled by means of a cooling device again. This can be done in particular to effect a phase transition of the phase change material. As a cooling device, an evaporator of an air conditioner is used, which is acted upon for cooling the phase change material with a refrigerant which has been expanded at an expansion device.
Mit dem entspannten Kältemittel lässt sich über den Verdampfer eine besonders hohe Kühlleistung bereitstellen, auch wenn hohe Außentemperaturen vorliegen. So kann dafür gesorgt werden, dass auch bei hohen Außentemperaturen eine effiziente Kühlung der Batteriezellen sichergestellt ist.With the expanded refrigerant, a particularly high cooling capacity can be provided via the evaporator, even if high outside temperatures are present. So it can be ensured that even at high outside temperatures efficient cooling of the battery cells is ensured.
Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.The advantages and preferred embodiments described for the battery arrangement according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. Showing:
Eine in
Durch das häufige Entladen und Laden der Batteriezellen
Vorliegend ist zur Kühlung der Batteriezellen
Vorliegend wird die Klimaanlage sowohl zum Klimatisieren des Fahrgastraums genutzt als auch zum Abführen von Wärme von den Batteriezellen
Die Verdampferplatte
Die jeweiligen Batteriezellen
Wenn der Fahrgastraum des Hybridfahrzeugs vorrangig gekühlt werden soll, etwa weil das Fahrzeug an einem heißen Tag längere Zeit in der Sonne abgestellt war, so wird die von der Klimaanlage zur Verfügung stellbare Kühlleistung zunächst zum Kühlen des Fahrgastraums verwendet. Um dies sicherzustellen, wird ein Absperrventil
Wenn dann das in der Sonne abgestellte Hybridfahrzeug losfährt, so stellen die Batteriezellen
Dadurch, dass sich das Phasenwechselmaterial
Wenn also beim Boost-Vorgang des Hybridfahrzeugs, also beispielsweise beim Losfahren, der Batterie gerade keine Kühlleistung von der Klimaanlage zur Verfügung gestellt wird, so wird die Abwärme der Batteriezellen
Dies ist anhand von
Nachdem der Fahrgastraum auf eine komfortable Temperatur abgekühlt wurde, kann die Klimaanlage nun auch wieder nicht für die Kühlung des Fahrgastraums benötigte Kühlleistung zum Kühlen des Phasenwechselmaterials
Zum Ansteuern des Absperrventils
Durch ein solches getaktetes Einschalten und Ausschalten der Verdampferplatte
In zwei in
Bei nicht mit dem Kältemittel beaufschlagter Verdampferplatte
Sobald dann ein Großteil des Phasenwechselmaterials
Während des zweiten Zeitabschnitts
Zu einem nachfolgenden Zeitpunkt
Die in
Die Wärmeleitplatten
Das Steuergerät
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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