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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers, welcher zumindest einen ersten Temperierkreislauf mit einem Temperiermedium und zumindest einem Temperierelement umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers sowie einen elektrischen Energiespeicher in Kombination mit einer Vorrichtung zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers.
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Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus einer Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel geschalteter Einzelzellen, die sich mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Die Einzelzellen sind in so genannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine Mehrzahl von Einzelzellen inklusive deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtungen zur Temperierung umfassen. Rechteckige Zellen, insbesondere Flachzellen wie Pouchzellen oder prismatische Hardcasezellen, werden in Haltern angeordnet und gehalten, welche beispielsweise in Rahmen- oder Schalenform ausgeführt sind und die Zellen im Wesentlichen durch Kraftschluss fixieren, wenn diese über Spannelemente und Druckbrillen miteinander verpresst werden. Um eine Verlustwärme der Einzelzellen abzuführen, muss der Zellblock gekühlt werden. Dies erfolgt durch Flüssigkeitskühlung oder durch Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die direkt zwischen die Einzelzellen geleitet wird. Aus Bauraumgründen findet üblicherweise die Flüssigkeitskühlung Anwendung. Bei dieser Lösung ist am Zellblock eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers sowie ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Energiespeicher in Kombination mit einer Vorrichtung zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, hinsichtlich des Verfahrens mit den in Anspruch 6 und hinsichtlich des elektrischen Energiespeichers mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Vorrichtung zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers umfasst zumindest einen ersten Temperierkreislauf mit einem Temperiermedium und zumindest ein Temperierelement. Erfindungsgemäß ist ein das Temperiermedium beeinflussendes Strömungselement vorgesehen, welches in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße des ersten Temperierkreislaufs aktivierbar ist, so dass sich das Temperiermedium mindestens im Temperierelement bewegt.
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Da das Strömungselement in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße aktivierbar ist und das Temperiermedium im Temperierelement umwälzt, ist die Abhängigkeit von einem bestehendem ersten Temperierkreislauf und einer Energiequelle zum Antrieb des Energiekreislaufs und die temperaturbedingte Alterung eines elektrischen Energiespeichers gegenüber dem Stand der Technik reduzierbar.
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Eine solche Temperiermediumumwälzung im Temperierelement weist eine verbesserte Temperaturverteilung auch nach der Deaktivierung des ersten Temperierkreislaufs, insbesondere eines Haupttemperierkreislaufs, eines Kraftfahrzeugs auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Ausführungsform eines Temperierkreislaufs mit einem Wärmetauschelement, einer Umwälzpumpe und einem Temperierelement gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematisch eine Ausführungsform eines Temperierkreislaufs mit einem Klimakompressor, einem Kondensator, einer Drossel und einem Temperierelement gemäß dem Stand der Technik und
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3 bis 7 schematisch erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Temperierkreislaufs mit einem Temperierelement und einem Strömungselement.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform eines ersten Temperierkreislaufs 1.1 gemäß dem Stand der Technik, welcher mit einem zweiten Temperierkreislauf 1.2 zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers 2 gekoppelt ist.
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Der erste Temperierkreislauf 1.1 stellt hierbei vereinfacht einen Kältemittelkreislauf eines nicht gezeigten Fahrzeugs dar, welcher von einem Temperiermedium, z. B. ein Kältemittel, durchströmt wird.
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Der elektrische Energiespeicher 2 ist hierbei insbesondere eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs und beispielsweise als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher 2 umfasst üblicherweise eine Anzahl von Zellblöcken, die jeweils aus einer Vielzahl von Einzelzellen gebildet sind, und ein Gehäuse. Zum Abführen einer Verlustwärme des elektrischen Energiespeichers 2 ist dieser mit einem Temperierelement 3 gekoppelt, welches eine oder mehrere Verdampfer- oder Kühlplatten umfasst, die zur Abführung der Verlustwärme von einem Temperiermedium durchströmt werden bzw. wird.
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Das Temperierelement 3 ist in den zweiten Temperierkreislauf 1.2 integriert und dabei entweder innerhalb des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers 2, z. B. seitlich am Zellblock, um alle oder zumindest mehrere Einzelzellen eines Zellblocks zu temperieren, oder außerhalb des Gehäuses angeordnet, wobei Letzteres bevorzugt wird, um im Schadensfall einen Eintritt des Temperiermediums in den elektrischen Energiespeicher 2 zu vermeiden.
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Der in 1 gezeigte erste Temperierkreislauf 1.1 umfasst eine Umwälzpumpe 4 und ein Wärmetauschelement 5 und ist mittels des Wärmetauschelements 5 mit dem zweiten Temperierkreislauf 1.2 gekoppelt. Der zweite Temperierkreislauf 1.2 ist hierbei als ein separater Kältemittelkreislauf zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers 2 ausgebildet und wird von einem separaten Temperaturmedium durchströmt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein flüssiges und verdichtetes Temperaturmedium mittels der Umwälzpumpe 4 kontinuierlich oder in bestimmten Intervallen durch den ersten Temperierkreislauf 1.1 gefördert. Dabei wird ein Teil des durch den ersten Temperierkreislauf 1.1 strömenden Temperiermediums durch das Wärmetauschelement 5 verdampft und die Kälte an den zweiten Temperierkreislauf 1.2 abgegeben. Der zweite Temperierkreislauf 1.2 umfasst als separates Temperiermedium beispielsweise Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Luft, wobei das Temperiermedium über nicht gezeigte Leitungen in und/oder an den elektrischen Energiespeicher 2 geführt wird und diesen temperiert.
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Der in 2 gezeigte erste Temperierkreislauf 1.1 umfasst einen Klimakompressor 6 und ist über einen Kondensator 7 mit dem zweiten Temperierkreislauf 1.2 gekoppelt. Der zweite Temperierkreislauf 1.2 ist hierbei ein Teil des ersten Temperierkreislaufs 1.1, wobei der zweite Temperierkreislaufs 1.2 von dem Temperiermedium des ersten Temperierkreislaufs 1.1 durchströmt wird. Der zweite Temperierkreislauf 1.2 umfasst weiterhin eine Drossel 8, die dem Temperierelement 3 vorgeschaltet ist.
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Der Klimakompressor 6 dient hierbei der Verdichtung des durch den ersten Temperierkreislauf 1.1 strömenden Temperiermediums, welches gasförmig ist und sich nachfolgend unter Wärmeabgabe im Kondensator 7 verflüssigt. Anschließend wird ein Teil des flüssigen und verdichteten Temperiermediums zum elektrischen Energiespeicher 2 geleitet und zuvor durch die Drossel 8 entspannt, wobei das Temperiermedium durch Wärmeaufnahme im Temperierelement 3 wieder in den gasförmigen Zustand übergeht.
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Entspricht eine mittlere Temperatur des zu temperierenden elektrischen Energiespeichers 2 einem vorgegebenen Sollwert, dann wird die Temperierung gemäß dem Stand der Technik deaktiviert, was beispielsweise durch Abschaltung des Fluidstroms des Temperiermediums erfolgt. Hierbei wird beispielsweise die Umwälzpumpe 4 abgeschaltet oder ein Ventil der Drossel 8 geschlossen.
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Dabei kann trotz geringer mittlerer Wärmeentwicklung des elektrischen Energiespeichers 2 dieser lokal überhitzen, z. B. an einigen noch in Betrieb befindlichen Teilen von elektronischen Schaltungen, da durch Abschaltung des Fluidstroms die Wärmequerleitung in dem Temperierelement 3 deutlich reduziert ist.
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Erfindungsgemäß wird daher eine interne Fluidumwälzung vorgeschlagen, mittels welcher auch bei deaktivierter Temperierung, d. h. ohne weiteres Zuführen des Temperaturmediums, für eine Vergleichmäßigung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers 2 gesorgt wird. In den nachfolgenden 3 bis 7 wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist innerhalb des Temperierelements 3 eine mechanische Umwälzvorrichtung 9 angeordnet, die beispielsweise einen Rührer, ein Flügelrad, eine Schraube oder einen Propeller umfasst. Mittels der internen Umwälzvorrichtung 9 kann einer zuvor beschriebenen lokalen Überhitzung entgegengewirkt werden. Dabei wird das durch das Temperierelement 3 strömende Temperiermedium kontinuierlich oder in vorgegebenen Intervallen umgewälzt, so dass eine Vergleichmäßigung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers 2 ermöglicht ist.
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In der in 4 gezeigten Ausführungsform umfasst der erste Temperierkreislauf 1.1 die Umwälzpumpe 4, der ein erstes Ventil 10.1 vorgeschaltet ist sowie ein zweites Ventil 10.2, welches dem elektrischen Energiespeicher 2 nachgeschaltet ist. Der zweite Temperarturkreislauf 1.2 umfasst eine weitere Umwälzpumpe 11 und ein drittes Ventil 10.3 angeordnet, wobei die weitere Umwälzpumpe 11 dem dritten Ventil 10.3 vorgeschaltet ist.
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Hierbei wird das Temperiermedium durch die weitere Umwälzpumpe 11 bei Deaktivierung der Temperierung, d. h. das erste Ventil 10.1 und das zweite Ventil 10.2 sind geschlossen, umgewälzt. Im normalen Betrieb des ersten Temperierkreislaufs 1.1 sind das erste und zweite Ventil 10.1, 10.2 geöffnet und das dritte Ventil 10.3 geschlossen. Die Funktion des geschlossenen dritten Ventils 10.3 kann hierbei durch eine Sperrwirkung der deaktivierten weiteren Umwälzpumpe 11 erreicht werden.
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Das erste Ventil 10.1 und das zweite Ventil 10.2 können entfallen, wenn der erste Temperierkreislauf 1.1 gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, wobei ein Temperiermedium, insbesondere ein flüssiges Temperiermedium erforderlich ist, bei welchem keine Aggregatzustandsänderungen erfolgen.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Umwälzpumpe 4 dem ersten Ventil 10.1 vorgeschaltet und kann somit auch den zweiten Temperierkreislauf 1.2 beeinflussen. Hierbei werden bei Deaktivierung der Temperierung das erste und zweite Ventil 10.1, 10.2 geschlossen. Die Umwälzpumpe 4 übernimmt die Aufgabe der weiteren Umwälzpumpe 11. Auch hier können analog zum in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das erste und zweite Ventil 10.1, 10.2 entfallen, wenn der erste Temperierkreislauf 1.1 gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Stand der Technik ausgebildet ist, wobei ein Temperiermedium, insbesondere ein flüssiges Temperiermedium, erforderlich ist, bei welchem keine Aggregatzustandsänderungen erfolgen.
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In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist anstelle der weiteren Umwälzpumpe 11 eine thermische Konvektionseinheit 12 angeordnet. Zum Abführen der Verlustwärme wird an dem Temperierelement 3 ein Steigrohr angeordnet oder das Temperierelement 3 wird senkrecht angeordnet, so dass das erwärmte Temperiermedium durch seine geringere Dichte aufsteigt. In einer wieder nach unten führenden Leitung, in welcher die thermische Konvektionseinheit 12 angeordnet ist, kühlt sich das Temperiermedium ab, so dass dieses durch seine höhere Dichte nach unten bewegt wird, wodurch ein ständiges Umwälzen des Temperiermediums erfolgt. Die Anordnung der thermischen Konvektionseinheit 12 ist hierbei optional. Die Umwälzung des Temperiermediums mittels Konvektion kann hierbei auch ohne die thermische Konvektionseinheit 12 erfolgen.
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In der in 7 gezeigten Ausführungsform ist der elektrische Energiespeicher 2 mit einem elektronischen Bauelement 13 gekoppelt, welches beispielsweise einen Gleichspannungswandler darstellt. Dabei ist zwischen dem elektronischen Bauelement 13 und dem elektrischen Energiespeicher 2 das Temperierelement 3 angeordnet. Der erste Temperierkreislauf 1.1 ist analog zu der in 5 gezeigten Ausführungsform ausgebildet. Hierbei werden sowohl beim elektrischen Energiespeicher 2 als auch beim elektronischen Bauelement 13 bei deaktivierter Temperierung für eine gleichmäßige Temperaturverteilung gesorgt und lokalen Überhitzungen vorgebeugt.
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Das Umwälzen des Temperiermediums bei Deaktivierung der Temperierung im ersten Temperierkreislauf 1.1 ist in allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße aktivierbar. Diese Betriebsgröße kann dabei durch einen Betriebszustand der Umwälzpumpe 4, der weiteren Umwälzpumpe 11, der Umwälzvorrichtung 9 und/oder der Ventile 10.1 bis 10.3 ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich ein Strömungsmesselement und/oder ein Temperaturmesselement innerhalb des Temperierkreislaufs 1.1 und/oder des zweiten Temperierkreislaufs 1.2 anzuordnen und somit eine Aktivierung der Temperierung des elektrischen Energiespeichers 2 zu steuern, wenn die Temperierung im ersten Temperierkreislaufs 1.1 deaktiviert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- erster Temperierkreislauf
- 1.2
- zweiter Temperierkreislauf
- 2
- elektrischer Energiespeicher
- 3
- Temperierelement
- 4
- Umwälzpumpe
- 5
- Wärmetauschelement
- 6
- Klimakompressor
- 7
- Kondensator
- 8
- Drossel
- 9
- Umwälzvorrichtung
- 10.1
- erstes Ventil
- 10.2
- zweites Ventil
- 10.3
- drittes Ventil
- 11
- weitere Umwälzpumpe
- 12
- thermische Konvektionseinheit
- 13
- elektronisches Bauelement
