-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie für ein Fahrzeug, bei welchem mittels einer Pumpeinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter eine Kühlflüssigkeit durch eine zum Kühlen der Batterie ausgelegte Kühleinrichtung gepumpt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung.
-
Zum Kühlen von Hochvoltbatterien, wie sie in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, werden in der Regel Luftkühlungen oder Wasserkühlungen eingesetzt.
-
So beschreibt die
DE 10 2009 010 145 A1 ein Fahrzeug mit einer Batterie zum Versorgen eines das Fahrzeug antreibenden Elektromotors mit elektrischer Energie. Anschlusskabel der Batterie sind in wärmeleitfähigem Kontakt mit einem Wärmetauscher. Der Wärmetauscher wird einerseits mit Luft beaufschlagt, um auf diese Weise Wärme von der Batterie abzuführen. Des Weiteren ist ein Fluidkanal für ein Kühlmittel einer Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs durch den Wärmetauscher hindurchgeführt. Eine Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel der Klimatisierungseinrichtung durch diesen Fluidkanal und trägt so ebenfalls zur Kühlung des Wärmetauschers und somit der Batterie bei. Eine Förderleistung der Pumpe wird hierbei an die zu übertragende Wärmeleistung angepasst.
-
Eine weitere Kühleinrichtung, bei welcher die Kühlung einer Batterie für ein Fahrzeug über einen Luftstrom erfolgt, ist in der
DE 10 2007 016 865 A1 beschrieben.
-
Eine Kühlung mit einer Kühlflüssigkeit ist in der
DE 10 2011 016 070 A1 beschrieben. Hierbei befinden sich in einem Kühlmittelkreislauf eine Umwälzpumpe, ein Kühler und eine Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Umwälzpumpe wird in der Förderleistung auf die Kühlanforderung der Antriebsbatterie abgestimmt.
-
Die
US 8 277 964 B2 beschreibt ein Verfahren zum Optimieren der Leistungsabgabe einer Vanadium-Redox-Batterie, bei welchem der jeweiligen Anodenräumen und Kathodenräumen der einzelnen Zellen der Vanadium-Redox-Batterie zugeführte Elektrolytstrom geregelt wird. Hierbei spielen eine Durchflussrate und eine Temperatur der Elektrolytlösungen eine Rolle.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Batterieanordnung zu schaffen, mittels welchem beziehungsweise mittels welcher eine besonders einfache Kühlung der Batterie realisierbar ist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als der wenigstens eine Parameter, in Abhängigkeit von welchem die Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung gepumpt wird, eine Temperatur der Kühlflüssigkeit herangezogen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Temperatur der Kühlflüssigkeit Auswirkungen auf deren Viskosität hat. Bei niedriger Temperatur ist die Viskosität der Kühlflüssigkeit vergleichsweise hoch. Demgegenüber lässt sich die Kühlflüssigkeit leichter durch die Kühleinrichtung pumpen, wenn ihre Temperatur höher ist, da dann die Viskosität der Kühlflüssigkeit geringer, die Kühlflüssigkeit also dünnflüssiger ist.
-
Diese Erkenntnis macht man sich vorliegend beim Betrieb der Pumpeinrichtung zunutze. Es kann dadurch die Kühleinrichtung so ausgelegt werden, dass sich bei einer bestimmten Temperatur der Kühlflüssigkeit diese bereits mit einer vergleichsweise geringen Pumpleistung durch die Kühleinrichtung fördern lässt. Zudem ist die Regelung der Förderleistung der Pumpeinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlflüssigkeit besonders einfach zu realisieren. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit kann nämlich besonders einfach erfasst werden. Es kann so besonders leicht die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit so angepasst werden, dass eine optimale Abfuhr von Wärme von der Batterie und somit ein Kühlen der Batterie gewährleistet ist.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Pumpeinrichtung erst dann in Betrieb genommen, wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Mit anderen Worten unterbleibt ein Pumpen der Kühlflüssigkeit, wenn deren Temperatur geringer ist als der vorbestimmte Schwellenwert. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Kühlflüssigkeit vergleichsweise zäh, also hochviskos ist, solange der Schwellenwert unterschritten ist. Um auch bei dieser niedrigen Temperatur der Kühlflüssigkeit diese durch die Kühleinrichtung zu pumpen, wären eine vergleichsweise hohe Pumpenleistung und große Strömungsquerschnitte notwendig, wenn eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung erreicht werden soll. Große Strömungsquerschnitte bringen es jedoch mit sich, dass die Kühleinrichtung vergleichsweise viel Bauraum und Gewicht beansprucht. Dadurch, dass vorliegend die Pumpeinrichtung dann keine Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung pumpt, wenn die Kühlflüssigkeit vergleichsweise kalt ist, können also die Strömungsquerschnitte und Radien von Kühlkanälen der Kühleinrichtung so ausgelegt werden, dass dies mit einer Einsparung an Bauraum und Gewicht der Kühleinrichtung einhergeht.
-
Zudem ist bei kalter Kühlflüssigkeit und damit auch kalter Batterie eine Kühlung der Batterie mit der Kühlflüssigkeit gar nicht erforderlich. Daher ist es im Hinblick auf die Kühlanforderung der Batterie auch unproblematisch, wenn dann die Kühlflüssigkeit in der Kühleinrichtung steht und nicht durch diese hindurchgepumpt wird.
-
Die Strömungsquerschnitte der Kühleinrichtung können hierbei des Weiteren so ausgelegt werden, dass die Kühlflüssigkeit dann leicht durch die Kühleinrichtung gepumpt werden kann, wenn ihre Temperatur größer ist als der vorbestimmte Schwellenwert.
-
Bevorzugt ist der vorbestimmte Schwellenwert geringer als ein unterer Grenzwert eines Betriebstemperaturbereichs der Batterie. In dem Betriebstemperaturbereich weist die Batterie eine im Vergleich zu Temperaturen außerhalb des Betriebstemperaturbereichs erhöhte Leistungsfähigkeit auf. Bei einer als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildeten Batterie liegt der Betriebstemperaturbereich oder optimale Arbeitsbereich in der Regel bei 18°C bis 25°C. Ein Kühlbedarf des Lithium-Ionen-Akkumulators besteht dann, wenn die Temperatur desselben den Betriebstemperaturbereich nach oben verlässt und beispielsweise etwa 30°C erreicht. Vorliegend wird jedoch bevorzugt die Pumpeinrichtung bereits in Betrieb genommen, bevor der untere Grenzwert des Betriebstemperaturbereichs der Batterie erreicht wird. Dann kann nämlich besonders einfach sichergestellt werden, dass die Batterie möglichst dauerhaft im Betriebstemperaturbereich gehalten wird.
-
Der vorbestimmte Schwellenwert wird bevorzugt aus einem Temperaturbereich von 5°C bis 15°C ausgewählt. Insbesondere kann die Pumpeinrichtung in Betrieb genommen werden, wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit einen Schwellenwert von 8°C bis 12°C, also beispielsweise von etwa 10°C erreicht. So wird einerseits sichergestellt, dass die Viskosität der Kühlflüssigkeit beim Inbetriebnehmen der Pumpeinrichtung ein Pumpen derselben bei vergleichsweise geringer Inanspruchnahme der Pumpeinrichtung erlaubt. Zudem kann durch das Auswählen des vorbestimmten Schwellenwerts aus dem genannten Temperaturbereich besonders weitgehend sichergestellt werden, dass die Batterie in ihrem im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit optimalen Betriebstemperaturbereich betrieben wird.
-
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Förderleistung der Pumpeinrichtung mit zunehmender Temperatur der Kühlflüssigkeit erhöht wird. Mit der erhöhten Förderleistung der Pumpeinrichtung geht auch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung einher. Hierbei lässt sich vorteilhaft die Tatsache nutzen, dass sich die Kühlanforderung der Batterie dann, wenn diese viel Abwärme produziert, aufgrund der bei der höheren Temperatur der Kühlflüssigkeit niedrigeren Viskosität derselben sonst einfach erfüllen lässt. Umgekehrt gehen geringere Kühlanforderungen der Batterie mit einer geringeren Temperatur der Kühlflüssigkeit und damit einer höheren Viskosität derselben einher. Hier sind dann auch eine geringere Strömungsgeschwindigkeit und somit eine geringere Förderleistung der Pumpeinrichtung ausreichend.
-
Zudem braucht bei Zunahme der Temperatur der Kühlflüssigkeit um einen bestimmten Prozentsatz die Förderleistung der Pumpeinrichtung nicht um denselben Prozentsatz erhöht zu werden. Bei höherer Temperatur der Kühlflüssigkeit ist diese nämlich dünnflüssiger. Folglich lässt sich selbst bei einer lediglich geringfügig erhöhten Leistungsaufnahme der Pumpeinrichtung eine deutlich höhere Förderleistung erreichen.
-
Durch die Regelung der Förderleistung der Pumpeinrichtung und damit die Anpassung der Pumpeinrichtung an die Betriebsbedingungen im Kühlbetrieb der Batterie lässt sich auch eine Energieeinsparung realisieren.
-
Eine besonders gute Kühlwirkung lässt sich des Weiteren erreichen, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Kühlflüssigkeit durch wenigstens einen Kühlkanal zumindest einer Kühlplatte der Kühleinrichtung gepumpt wird, welche mit Zellgehäusen von Batteriezellen der Batterie in Anlage ist. Mittels einer solchen von einem oder mehreren Kühlkanälen durchzogenen Kühlplatte lässt sich nämlich besonders gut Wärme von den Batteriezellen der Batterie abführen.
-
Die Berücksichtigung der Temperaturen und somit der Viskosität der Kühlflüssigkeit beim Regeln der Förderleistung der Pumpeinrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mittels der Pumpeinrichtung ein Wasser und Glykol aufweisendes Gemisch als Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung der Batterie gepumpt wird. Hier macht sich nämlich die bei niedriger Temperatur der Kühlflüssigkeit hohe und bei hoher Temperatur der Kühlflüssigkeit niedrige Viskosität derselben besonders stark bemerkbar.
-
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung umfasst eine Batterie für ein Fahrzeug, eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Batterie und eine Pumpeinrichtung. Die Pumpeinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung zu pumpen. Die Batterieanordnung umfasst des Weiteren eine Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Pumpeinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter anzusteuern. Hierfür ist die Steuerungseinrichtung mit wenigstens einem Temperatursensor gekoppelt, mittels welchem als der wenigstens eine Parameter eine Temperatur der Kühlflüssigkeit erfassbar ist. Mittels einer solchen Batterieanordnung lässt sich eine besonders einfache Kühlung der Batterie realisieren, da lediglich die Temperatur des Kühlmittels bei der Ansteuerung der Pumpeinrichtung berücksichtigt wird.
-
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und umgekehrt.
-
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. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Batterieanordnung, bei welcher eine Batterie mittels einer Flüssigkeitskühlung gekühlt wird, wobei zum Regeln einer Förderleistung einer die Kühlflüssigkeit fördernden Pumpe die Temperatur der Kühlflüssigkeit berücksichtigt wird; und
-
2 einen Graphen, in welchem die dynamischen Viskositäten verschiedener Wasser-Glykol-Gemische in Abhängigkeit von deren Temperatur veranschaulicht sind.
-
Eine in 1 schematisch gezeigte Batterieanordnung 10 umfasst eine Batterie 12, welche insbesondere als Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann. Die Batterie 12 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, welche elektrisch miteinander gekoppelt sind, um eine Hochvoltspannung bereitzustellen, wie sie in der Elektromobilität zum Einsatz kommt.
-
Zum Kühlen der Batterie 12 ist eine Kühleinrichtung 14 vorgesehen, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Die Kühleinrichtung 14 umfasst eine Kühlplatte 16, welche sich mit den Batteriezellen der Batterie 12 in Anlage befindet. Die Batteriezellen können hierbei auf der Kühlplatte 16 aufstehen, oder die Kühlplatte 16 kann auf den Batteriezellen aufliegen. Durch die Kühlplatte 16 verlaufen (vorliegend nicht näher gezeigte) Kanäle für die Kühlflüssigkeit. Die Kühlplatte 16 ist über Leitungen 18 der Kühleinrichtung 14 mit einer Pumpe 20 gekoppelt, mittels welcher die Kühlflüssigkeit durch die in der Kühlplatte 16 ausgebildeten Kanäle gepumpt wird.
-
Als Kühlflüssigkeit kommt vorliegend ein Wasser und Glykol aufweisendes Gemisch zum Einsatz. Das Glykol im Wasser-Glykol-Gemisch verhindert ein Einfrieren desselben und somit eine Beschädigung insbesondere der Leitungen 18 der Kühleinrichtung 14.
-
In einem in 2 gezeigten Graphen 22 veranschaulichen Kurven 24 die dynamische Viskosität verschiedener solcher Wasser-Glykol-Gemische in Abhängigkeit von der Temperatur dieser Kühlflüssigkeiten. Auf einer Ordinate 26 im Graphen 22 ist die dynamische Viskosität aufgetragen und auf einer Abszisse 28 die Temperatur der Kühlflüssigkeit. Wie aus den Kurven 24 im Graphen 22 ersichtlich ist, weist die jeweilige Kühlflüssigkeit bei niedrigen Temperaturen eine hohe Viskosität auf, sie ist also entsprechend zäh. Demgegenüber nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur ab, so dass sich die bei höherer Temperatur dünnflüssigere Kühlflüssigkeit leichter durch die Kühleinrichtung 14 pumpen lässt. Dieses Verhalten der Kühlflüssigkeit macht man sich beim Regeln der Pumpe 20 zunutze.
-
Entsprechend wird eine Förderleistung der Pumpe 20 in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlflüssigkeit und somit von deren Viskosität verändert. Hierfür erfassen Temperatursensoren 30 die Temperatur der Kühlflüssigkeit (vergleiche 1) im Bereich der Batterie 12.
-
Wenn die Batterie 12 und somit auch die Kühlflüssigkeit kalt ist, ist eine Kühlung der Batterie 12 nicht erforderlich. Entsprechend wird vorliegend die Pumpe 20 erst dann in Betrieb genommen, wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat. Dadurch braucht die Kühlflüssigkeit nicht im kalten, zähen Zustand durch die Kühleinrichtung 14 gepumpt zu werden. Daher ist es vorliegend nicht notwendig, die Kühlkanäle geometrisch und die Leistung der Pumpe 20 so auszulegen, dass die Pumpe 20 die kalte, zähe Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle zu pumpen imstande ist.
-
Vielmehr sind die Kühlkanäle bei der vorliegend gezeigten Batterieanordnung 10 so ausgelegt, dass die Pumpe 20 die Kühlflüssigkeit dann mit geringer Leistung durch die Kühleinrichtung 14 pumpen kann, wenn die Kühlflüssigkeit eine Viskosität aufweist, welche sie im Betriebstemperaturbereich der Batterie 12 hat. In diesem Betriebstemperaturbereich der Batterie 12 hat die Batterie 12 ihre größte Leistungsfähigkeit, während bei niedrigeren oder höheren Temperaturen der Batterie 12 die Leistungsfähigkeit abnimmt. Bei einer als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildeten Batterie 12 liegt der Betriebstemperaturbereich etwa bei 18°C bis 25°C.
-
Vorliegend steht also die Kühlflüssigkeit in der Kühleinrichtung 14, wenn die Kühlflüssigkeit eine niedrige Temperatur, beispielsweise eine Temperatur von weniger als 10°C aufweist. Die Kühlflüssigkeit strömt dann also nicht durch die Kühleinrichtung 14. Erst bei einer höheren Temperatur der Kühlflüssigkeit wird die Pumpe 20 in Betrieb genommen und sorgt für ein Abführen von Wärme von der Batterie 12.
-
Die Pumpe 20 ist bevorzugt elektrisch angetrieben und somit kein Nebenaggregat eines Antriebsstrangs des die Batterie 12 aufweisenden Fahrzeugs. Dadurch kann die Pumpe 20 jederzeit derart mit Strom versorgt werden, wie es für eine Beaufschlagung der Batterie 12 mit der Kühlflüssigkeit gewünscht ist.
-
Bevorzugt wird bei der schematisch gezeigten Batterieanordnung 10 die Förderleistung der Pumpe 20 und somit die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung 14 geregelt. Im kalten Zustand der Kühlflüssigkeit steht daher dieselbe in der Kühleinrichtung 14, und bei einer höheren Temperatur der Kühlflüssigkeit wird diese durch die Kühleinrichtung 14 gepumpt. Da bei höherer Temperatur der Kühlflüssigkeit deren Viskosität abnimmt, ist nur eine kaum erhöhte Leistungsaufnahme der Pumpe 20 erforderlich, um die dann wärmere Kühlflüssigkeit mit erhöhter Geschwindigkeit durch die Kühleinrichtung 14 zu pumpen.
-
Die Wärme von den Batteriezellen der Batterie 12 kann auch über Kühlkanäle abgeführt werden, welche zusätzlich oder alternativ zu den Kühlkanälen in der Kühlplatte 16 vorgesehen sind. Beispielsweise können in die Batteriezellen elektrisch voneinander isolierenden Separatoren oder Spacern Kanäle für die Kühlflüssigkeit ausgebildet sind. Die Kühlflüssigkeit kann also auch die Batterie 12 durchströmen.
-
Vorliegend wertet eine Auswerteeinrichtung 32 die Signale der Temperatursensoren 30 aus, welche über die Temperatur der Kühlflüssigkeit Aufschluss geben. Die Auswerteeinrichtung 32 kann in ein die Batterie 12 überwachendes Steuergerät integriert sein. Ein die Temperatur der Kühlflüssigkeit angebender Datenwert wird dann einer Steuerungseinrichtung 34 übermittelt, welche die Pumpe 20 regelt. Über die Auswerteeinrichtung 32 ist die Steuerungseinrichtung 34 also mit den Temperatursensoren 30 gekoppelt Durch die Regelung der Leistung der Pumpe 20 und somit der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle in Abhängigkeit von der Temperatur der Kühlflüssigkeit lässt sich eine besonders einfache Regelung der Pumpe 20 erreichen. Zudem kann Energie eingespart werden, da die Pumpe 20 bei kalter Kühlflüssigkeit nicht in Betrieb genommen wird.
-
Durch eine Veränderung der Förderleistung der Pumpe 20 kann die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit durch die Kühleinrichtung 14 so angepasst werden, dass jederzeit eine optimale Abfuhr von Wärme von der Batterie 12 sichergestellt ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009010145 A1 [0003]
- DE 102007016865 A1 [0004]
- DE 102011016070 A1 [0005]
- US 8277964 B2 [0006]
