DE102013223526A1

DE102013223526A1 - Wärmesteuersystem und -verfahren für hv-batterien

Info

Publication number: DE102013223526A1
Application number: DE201310223526
Authority: DE
Inventors: Kenneth J. Jackson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-11-25
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-05-28
Also published as: CN103832240A; CN103832240B; US20140144160A1

Abstract

Ein Batterie-Wärmesteuersystem weist eine Batterie, einen Heizkörper in Fluidverbindung mit der Batterie und ein Fahrzeug-HLK-System mit einem Verdampfer, der thermisch mit dem Heizkörper verbunden ist, auf. Ein Batterie-Wärmesteuerverfahren wird ebenfalls offenbart.

Description

Ausführungsformen der Offenbarung betreffen allgemein Systeme und Verfahren zur Steuerung der Kühlmitteltemperatur von HV(Hochspannungs)-Batterien in Fahrzeugen. Insbesondere betreffen Ausführungsformen der Offenbarung ein HV-Batterie-Wärmesteuersystem und -Verfahren, bei dem eine HV-Batterie durch Verteilung des Batteriekühlmittels durch einen gekühlten Hilfsheizkörper gekühlt werden kann.
Die Fähigkeit zur Verbesserung des Klimakomforts in Fahrzeugen ist mit den Jahren immer besser geworden. Neue Fahrzeugdesigns, die zurzeit entwickelt werden, stellen jedoch neue Herausforderungen an die Klimatechnik. Da sich die Elektrifizierung von Fahrzeugen inzwischen auf alle Fahrzeugklassen erstreckt, nimmt auch die Komplexität der Behandlung von Temperaturproblemen bei Überlegungen zur Klimaregelung zu. Für Fahrzeuge mit 3 Sitzreihen können zum besseren Ausgleich des Kabinenkomforts für alle Insassen Hilfs-HLK-Geräte verwendet werden. Wenn solche Fahrzeuge elektrifiziert sind und die HV-Batterie im Fahrzeug ein Kühlmittel mit einer Temperatur unter der Umgebungstemperatur benötigt, wäre normalerweise ein dritter Verdampfer in Form eines Kühlmittel-Kühlers notwendig. Dies würde jedoch Hardware erfordern, die teuer und schwer einzubauen ist.
Demnach besteht ein Bedarf an einem HV-Batterie-Wärmesteuersystem und -Verfahren, bei dem eine HV-Batterie durch Verteilung des Batteriekühlmittels durch einen gekühlten Hilfsheizkörper gekühlt werden kann.
Die Offenbarung betrifft allgemein ein Batterie-Wärmesteuersystem. Eine der Veranschaulichung dienende Ausführungsform des Batterie-Wärmesteuersystems weist eine Batterie, einen Heizkörper in Fluidverbindung mit der Batterie und ein Fahrzeug-HLK-System mit einem Verdampfer, der thermisch mit dem Heizkörper verbunden ist, auf.
Die Offenbarung betrifft allgemein ein Batterie-Wärmesteuerverfahren. Eine der Veranschaulichung dienende Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Durchleitung von Umgebungsluft durch einen Verdampfer eines HLK-Systems, die Verteilung der gekühlten Luft von dem Verdampfer an einen Hilfsheizkörper, die Verteilung von Batteriekühlmittel durch den Hilfsheizkörper und die Kühlung der Batterie durch Verteilung des Batteriekühlmittels durch die Batterie.
Ausführungsformen der Offenbarung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm einer der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform des HV-Batterie-Wärmesteuersystems, insbesondere eines Batteriekühlungs-Betriebsmodus des Systems.
1A ein schematisches Diagramm einer der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform des HV-Batterie-Wärmesteuersystems, insbesondere eines Batterieheizungs-Betriebsmodus des Systems.
1B ein schematisches Diagramm einer alternativen der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform des HV-Batterie-Wärmesteuersystems.
1C ein schematisches Diagramm einer alternativen der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform des HV-Batterie-Wärmesteuersystems.
2 ein Fließdiagramm einer der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform des HV-Batterie-Wärmesteuerverfahrens.
3 ein Fließdiagramm zur Systemsteuerung, das ein beispielhaftes Steuerverfahren für das HV-Batterie-Wärmesteuersystem zeigt.
Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die beschriebenen Ausführungsformen oder die Anwendung und Verwendungszwecke der beschriebenen Ausführungsformen nicht einschränken. Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff „beispielhaft“ oder „der Veranschaulichung dienend“ „als Beispiel, Fall oder zur Veranschaulichung dienend“. Jede hierin als „beispielhaft“ oder „der Veranschaulichung dienend“ beschriebene Implementierung ist nicht notwendigerweise als gegenüber anderen Implementierungen bevorzugt oder vorteilhaft auszulegen. Alle unten beschriebenen Implementierungen sind beispielhafte Implementierungen, die es Fachleuten auf dem Gebiet ermöglichen sollen, die Offenbarung in die Praxis umzusetzen; sie sollen den Umfang der anhängenden Ansprüche nicht einschränken. Darüber hinaus sind die hierin beschriebenen der Veranschaulichung dienenden Ausführungsformen nicht erschöpfend und andere Ausführungsformen oder Implementierungen als hierin beschrieben und die innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche liegen, sind möglich. Ferner ist nicht beabsichtigt, an eine aufgeführte oder angedeutete Theorie im vorhergehenden technischen Gebiet, Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung gebunden zu sein.
Zunächst bezugnehmend auf 1 der Zeichnungen ist eine der Veranschaulichung dienende Ausführungsform des HV(Hochspannungs)-Batteriekühlsystems, hiernach System, allgemein durch die Bezugsziffer 100 angedeutet. Das System 100 weist eine HV-Batterie 102 auf. Die HV-Batterie 102 kann zumindest einen Teil der elektrischen Bauteile eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) mit Strom versorgen. In einigen Anwendungen kann das Fahrzeug ein PHEV (Plug-in-Hybridfahrzeug) sein. In einigen Anwendungen kann das Fahrzeug ein großer Personenkraftwagen mit mindestens 2 Sitzreihen sein. Demnach kann ein HLK-System 119 für das Fahrzeug separate Klimaregelungsbauteile für den Vordersitz und den Rücksitz oder die Sitze im Fahrzeug aufweisen, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Die HV-Batterie 102 steht mit einem Hilfs-HLK(Heizung, Lüftung, Klimatechnik)-Heizkörper 108 über einen Batteriekühlmittelkreislauf 103 in Fluidverbindung. Der Hilfsheizkörper 108 ist thermisch mit einem hinteren Verdampfer 122 des Fahrzeug-HLK-Systems 119 verbunden, um die selektive Kühlung des Heizkörpers 108 zu erleichtern, wie hiernach noch beschrieben wird. Das Fahrzeug-HLK-System 119 kann ein hinteres HLK-Gebläse 120 aufweisen, das den hinteren Verdampfer 122 enthält. Der hintere Verdampfer 122 kann neben dem Hilfsheizkörper 108 angeordnet sein. Wie hiernach noch weiter beschrieben wird, wird durch den Betrieb des hinteren HLK-Gebläses 120 Umgebungsluft 140 durch den hinteren Verdampfer 122 gezogen, wobei die Umgebungsluft 140 gekühlt wird. Die gekühlte Luft 142 von dem hinteren Verdampfer 122 fließt durch den Hilfsheizkörper 108 und kühlt diesen.
Ein Klimaanlagen-Kondensator 138 kann mit dem hinteren Verdampfer 122 über eine hintere Verdampfer-Einlassleitung 124 und eine hintere Verdampfer-Auslassleitung 128 in Verbindung stehen. Ein Ventil 126 kann in der hinteren Verdampfer-Einlassleitung 124 enthalten sein. Ein vorderer Verdampfer 130 kann mit dem Klimaanlagen-Kondensator 138 über eine vordere Verdampfer-Einlassleitung 132 und eine vordere Verdampfer-Auslassleitung 134 in Verbindung stehen. Ein Ventil 133 kann in der vorderen Verdampfer-Einlassleitung 132 enthalten sein. Ein Klimaanlagen-Kompressor 136 kann zwischen dem Klimaanlagen-Kondensator 138 und dem vorderen Verdampfer 130 und dem hinteren Verdampfer 122 vorgesehen sein.
Der Batteriekühlmittel-Kreislauf 103 kann eine Batteriekühlmittel-Einlassleitung 104 und eine Batteriekühlmittel-Auslassleitung 106 aufweisen, die mit der HV-Batterie 102 zur Verteilung des Batteriekühlmittels 144 (1) über die HV-Batterie 102 in Verbindung stehen, wie hiernach beschrieben wird. Eine Batteriekühlmittel-Pumpe 105 kann in der Batteriekühlmittel-Einlassleitung 104 enthalten sein. Eine Wärmequellen-Einlassleitung 116 kann mit der Batteriekühlmittel-Einlassleitung 104 in Verbindung stehen. Eine Flüssigkeitswärmequelle 117, wie etwa eine Quelle mit erwärmtem Kühlmittel 146 (1A) aus dem Fahrzeugmotor (nicht gezeigt) kann mit der Wärmequellen-Einlassleitung 116 in Verbindung stehen. Ein Ventil 118 kann in der Wärmequellen-Einlassleitung 116 zum selektiven Schließen oder Blockieren oder Öffnen und zur Erleichterung des Durchflusses von erwärmtem Kühlmittel 146 (1A) von der Flüssigkeitswärmequelle 117 durch die Wärmequellen-Einlassleitung 116 enthalten sein.
Der Hilfsheizkörper 108 steht mit der Batteriekühlmittel-Einlassleitung 104 über eine Heizkörper-Auslassleitung 114 in Verbindung. Eine Heizkörper-Einlassleitung 110 steht mit dem Hilfsheizkörper 108 in Verbindung. Eine Wärmequellen-Rückführungsleitung 111 kann mit der Heizkörper-Einlassleitung 110 in Verbindung stehen. Die Wärmequellen-Rückführungsleitung 111 kann mit der Flüssigkeitswärmequelle 117 für Zwecke, die hiernach beschrieben werden, in Verbindung stehen. Ein Ventil 112 kann in der Wärmequellen-Rückführungsleitung 111 zum selektiven Schließen und Blockieren oder Öffnen und zur Erleichterung des Durchflusses von erwärmtem Kühlmittel 146 (1A) zu der Flüssigkeitswärmequelle 117 durch die Wärmequellen-Rückführungsleitung 111 enthalten sein.
Wie in 1 gezeigt sind im beispielhaften Batteriekühlbetrieb des Systems 100 unter Umständen, in denen die HV-Batterie 102 gekühlt werden muss, die Ventile 118, 112 geschlossen, um einen Durchfluss des erwärmten Kühlmittels 146 (1A) durch die Wärmequellen-Einlassleitung 116 bzw. die Wärmequellen-Rückführungsleitung 111 zu verhindern. Das Fahrzeug-HLK-System 119 wird bedient, um Klimaanlagen-Kühlmittel 148 durch den Klimaanlagen-Kompressor 136, den Klimaanlagen-Kondensator 138, den vorderen Verdampfer 130 und den hinteren Verdampfer 122, in der Regel auf konventionelle Weise umzuwälzen.
Das hintere HLK-Gebläse 120 bläst Umgebungsluft 140 durch den hinteren Verdampfer 122. Die gekühlte Luft 142, die aus dem hinteren Verdampfer 122 austritt, fließt durch den Hilfsheizkörper 108 und kühlt diesen. Batteriekühlmittel 144 wird in einer kontinuierlichen Schleife von der HV-Batterie 102 durch die Batteriekühlmittel-Auslassleitung 106, die Heizkörper-Einlassleitung 110, den Hilfsheizkörper 108, die Heizkörper-Auslassleitung 114 und zurück in die HV-Batterie 102 durch die Batteriekühlmittel-Einlassleitung 104 gepumpt. Während der Zirkulation des Batteriekühlmittels 144 durch den Hilfsheizkörper 108 wird thermische Energie von dem Batteriekühlmittel 144 auf den Hilfsheizkörper 108 übertragen, wodurch das Batteriekühlmittel 144 gekühlt wird. Thermische Energie wird weiterhin von dem Hilfsheizkörper 108 auf die gekühlte Luft 142 übertragen, die von dem hinteren Verdampfer 122 fließt, wodurch der Hilfsheizkörper 108 gekühlt wird. Bei seinem anschließenden Durchfluss durch die HV-Batterie 102 kühlt das Batteriekühlmittel 144 die HV-Batterie 102 durch Übertragung von thermischer Energie von der HV-Batterie 102 auf das Batteriekühlmittel 144.
Nun bezugnehmend auf 1A der Zeichnungen können in einem beispielhaften Wärmebetrieb des Systems 100 unter Umständen, in denen die HV-Batterie 102 erwärmt werden soll, die Ventile 118, 112 geöffnet werden. Dies erleichtert die Zirkulation von erwärmtem Kühlmittel 146 von der Wärmequelle 117 durch die Wärmequellen-Einlassleitung 116, die Batteriekühlmittel-Einlassleitung 104, die HV-Batterie 102, die Batteriekühlmittel-Auslassleitung 106 und die Wärmequellen-Rückführungsleitung 111, bzw. zurück zur Wärmequelle 117. Bei der Zirkulation des erwärmten Kühlmittels 146 durch die HV-Batterie 102 wird thermische Energie von dem erwärmten Kühlmittel 146 auf die HV-Batterie 102 übertragen, wodurch die HV-Batterie 102 erwärmt wird.
Nun bezugnehmend auf 1B der Zeichnungen ist eine alternative der Veranschaulichung dienende Ausführungsform des Batterieheizungsbetriebssystems allgemein durch die Bezugsziffer 200 angezeigt. Das System 200 kann ein ähnliches Design wie das System 100 aufweisen, das oben mit Bezug auf 1 und 1A beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass im System 200 der Hilfsheizkörper 108 und der Hilfsverdampfer 122 bezüglich der Luftströmung ausgetauscht werden können. Die Heizkörper-Einlassleitung 110 und die Heizkörper-Auslassleitung 114 können in Fluidverbindung mit dem hinteren Verdampfer 122 angeordnet sein, um die Strömung von Batteriekühlmittel 144 durch den hinteren Verdampfer 122 zu erleichtern. Diese Konfiguration kann es ermöglichen, dass die HV-Batterie 102 Luft aus dem Fahrzeuginnenraum verwendet und dass die Wärme von der HV-Batterie 102 direkt von dem Hilfsverdampfer 122 absorbiert wird. Folglich kann eine verbesserte Kühlung der Fahrzeuginsassen mit geringem Verlust der Batteriekühlung resultieren.
Nun bezugnehmend auf 1C der Zeichnungen ist eine alternative der Veranschaulichung dienende Ausführungsform des Batterieheizungsbetriebssystems allgemein durch die Bezugsziffer 300 angezeigt. Das System 300 kann ein ähnliches Design wie das System 100 aufweisen, das oben mit Bezug auf 1 und 1A beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass im System 300 die Wärmequellen-Rückführungsleitung 111 und die Wärmequellen-Einlassleitung 116 in Fluidverbindung mit einem Kühlmittel-Wärmeaustauscher 150 gebracht werden können. Der Kühlmittel-Wärmeaustauscher 150 kann in Nähe der Luftströmung des Klimaanlagen-Kondensators 138 angeordnet sein. Folglich kann das Ventil 112 so ausgelegt sein, dass das Kühlmittel durch den Kühlmittel-Wärmeaustauscher 150 fließt, so dass die Wärme von dem Batteriekühlmittel 144 abgeleitet wird. Das gekühlte Batteriekühlmittel 144 fließt von dem Kühlmittel-Wärmeaustauscher 150 durch die Wärmequellen-Einlassleitung 116 und durch die HV-Batterie 102, wodurch die HV-Batterie 102 gekühlt wird. Das Batteriekühlmittel 144 fließt dann von der HV-Batterie 102 durch den Wärmeaustauscher 150 über die Batteriekühlmittelauslassleitung 106, wonach sich der Vorgang wiederholt. Dies ermöglicht die Kühlung der Batterie ohne Betrieb des Klimaanlagen-Kompressors 136.
Nun bezugnehmend auf 2 der Zeichnungen ist ein Fließdiagramm 200 einer der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform des HV-Batterie-Wärmesteuerverfahrens gezeigt. In Block 202 fließt Umgebungsluft durch einen hinteren Verdampfer eines Fahrzeug-HLK-Systems. In Block 204 wird gekühlte Luft von dem hinteren Verdampfer zu einem Hilfsheizkörper verteilt. In Block 206 wird Batteriekühlmittel durch den Hilfsheizkörper verteilt. In Block 208 kann die Strömung von erwärmtem Kühlmittel zu einer HV-Batterie beendet werden. In Block 210 wird die HV-Batterie durch Verteilung des Batteriekühlmittels durch die Batterie gekühlt. In Block 212 kann die Batterie in einigen Anwendungen durch Verteilung des Fahrzeugmotor-Kühlmittels durch die Batterie als Alternative zur Kühlung der Batterie erwärmt werden.
Nun bezugnehmend auf 3 in Verbindung mit 1B der Zeichnungen ist ein Systemsteuerungs-Fließdiagramm 300, das ein beispielhaftes Steuerverfahren für das HV-Batterie-Wärmesteuersystem 200 zeigt, gezeigt. Das Steuerverfahren beginnt bei Block 302. Bei Block 306 kann ein Batterie-Temperatursensor 304 feststellen, ob die HV-Batterie 102 gekühlt werden muss. Wenn die HV-Batterie 102 nicht gekühlt werden muss, kann das Verfahren bei Block 308 enden.
Wenn der Batterie-Temperatursensor 304 feststellt, dass die HV-Batterie 102 in Block 306 gekühlt werden muss, können die Ventile 112, 118 in Block 310 geschlossen werden und das hintere HLK-Gebläse 120 und die Batteriekühlmittelpumpe 105 können angeschaltet werden. In Block 312 können ein Verdampfer-Temperatursensor 316 und ein Batteriekühlmittel-Temperatursensor 318 feststellen, ob die Verdampfertemperatur des hinteren Verdampfers 122 geringer als die Temperatur des Batteriekühlmittels 144 ist. Wenn die Verdampfertemperatur des hinteren Verdampfers 122 geringer als die Temperatur des Batteriekühlmittels 144 ist, kann das Ventil 126 geöffnet werden, um die Strömung von Kühlmittel 148 zum hinteren Verdampfer 122 zu erleichtern. Wenn die Verdampfertemperatur des hinteren Verdampfers 122 nicht geringer als die Temperatur des Batteriekühlmittels 144 ist, kann das Verfahren bei Block 320 enden.
Obwohl die Ausführungsformen dieser Offenbarung mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht es sich, dass die spezifischen Ausführungsformen der Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend sind, da andere Abwandlungen für den Fachmann offensichtlich sind.

Claims

Batterie-Wärmesteuersystem, umfassend: eine Batterie; einen Heizkörper in Fluidverbindung mit der Batterie; und ein Fahrzeug-HLK-System mit einem Verdampfer, der thermisch mit dem Heizkörper verbunden ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Wärmequellen-Einlassleitung und eine Wärmequellen-Rückführungsleitung, die mit der Batterie verbunden sind.
System nach Anspruch 2, ferner umfassend jeweils ein Ventil in der Wärmequellen-Einlassleitung und in der Wärmequellen-Rückführungsleitung.
System nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Flüssigkeitswärmequelle, die mit der Wärmequellen-Einlassleitung und der Wärmequellen-Auslassleitung in Verbindung steht.
System nach Anspruch 4, worin die Flüssigkeitswärmequelle eine Quelle von erwärmtem Kühlmittel umfasst.
System nach Anspruch 5, worin die Flüssigkeitswärmequelle eine Quelle von erwärmtem Fahrzeugmotor-Kühlmittel umfasst.
System nach Anspruch 1, worin das Fahrzeug-HLK-System einen Klimaanlagen-Kompressor, der mit dem Verdampfer in Verbindung steht, und einen Klimaanlagen-Kondensator, der mit dem Klimaanlagen-Kompressor und dem Verdampfer in Verbindung steht, umfasst.
System nach Anspruch 7, worin der Verdampfer zur Aufnahme von Luft von dem hinteren Heizkörper positioniert ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kühlmittel-Wärmeaustauscher in Fluidverbindung mit dem Heizkörper.