-
GEBIET DER TECHNIK
-
Diese Offenbarung betrifft Wärmemanagementsysteme für in Fahrzeugen genutzte Hochspannungsbatterien.
-
HINTERGRUND
-
Fahrzeuge wie Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles, BEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), Mildhybridelektrofahrzeuge (mild hybrid-electric vehicles, MHEV) oder Vollhybridelektrofahrzeuge (full hybrid-electric vehicles, FHEV) enthalten eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Hochspannungsbatterie (high voltage battery, HV-Batterie), die als Antriebsquelle für das Fahrzeug fungieren soll. Die HV-Batterie kann Komponenten und Systeme enthalten, die dabei helfen sollen, die Leistung und Betriebsvorgänge des Fahrzeugs zu verwalten. Die HV-Batterie kann eine oder mehrere Batteriezellenarrays (Batteriezellenanordnungen) enthalten, die elektrisch zwischen Batteriezellenanschlüssen und Verbindungssammelschienen miteinander verbunden sind. Die HV-Batterie und Umgebung können ein Wärmemanagementsystem enthalten, das dabei helfen soll, die Temperatur der Komponenten, Systeme und einzelnen Batteriezellen der HV-Batterie zu verwalten.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Eine Fahrzeug-Traktionsbatteriebaugruppe enthält ein Batteriezellenarray, eine Wärmeleitplatte, die wärmetechnisch mit dem Array verbunden ist und einen Kühlmittelpfad definiert, und einen Elektromagneten. Der Elektromagnet ist dem Pfad benachbart positioniert, und ausgelegt, selektiv ein Magnetfeld abzugeben, um die Bewegung von Magnetpartikeln in einem den Pfad durchströmenden Kühlmittel zu beeinflussen, um das Strömen zu steuern. Der Elektromagnet kann weiterhin so positioniert sein, dass sich die Magnetpartikel bei Vorhandensein des Magnetfelds an Wandungen sammeln, die den Kühlmittelpfad definieren. Der Elektromagnet kann weiterhin so positioniert sein, dass sich die Magnetpartikel bei Vorhandensein des Magnetfelds an Stellen zwischen Wandungen sammeln, die den Kühlmittelpfad definieren, um weiterhin zwei Kühlmittel-Teilpfade zu definieren. Die Baugruppe kann auch zumindest einen zum Array benachbarten Sensor enthalten, der ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das eine Temperatur zumindest einer der Batteriezellen anzeigt. Eine Steuerung kann ausgelegt sein, in Reaktion auf das Signal den Elektromagneten anzuweisen, das Magnetfeld anzupassen. Der Elektromagnet kann weiterhin ausgelegt sein, selektiv ein gepulstes Magnetfeld abzugeben, um das den Pfad durchströmende Kühlmittel in Wirbelung zu versetzen. Der Kühlmittelpfad kann mehr als einen Kanal enthalten und der Elektromagnet kann weiterhin ausgelegt sein, das Magnetfeld selektiv abzugeben, um das zumindest einen der Kanäle durchströmende Kühlmittel zu drosseln. Das Kühlmittel kann eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein Ferrofluid sein.
-
Eine Fahrzeug-Traktionsbatteriebaugruppe enthält ein Batteriezellenarray, eine Wärmeleitplatte, die in wärmetechnischer Verbindung mit dem Array steht und in diesem ein Strömungsfeld definiert, und eine Magnetventilbaugruppe. Die Magnetventilbaugruppe ist ausgelegt, selektiv ein Magnetfeld abzugeben, um eine Viskosität eines in einer Nähe des Magnetfelds befindlichen und im Strömungsfeld strömenden magnetischen Kühlmittels abzustimmen, um das Strömen im Strömungsfeld zu fördern oder zu hemmen. Das Strömungsfeld kann einen ersten und einen zweiten Kanal enthalten, und die Magnetventilbaugruppe kann weiterhin ausgelegt sein, das Magnetfeld selektiv abzugeben, um die Viskosität so abzustimmen, dass das magnetische Kühlmittel durch den zweiten Kanal und nicht den ersten Kanal strömt. Die Wärmeleitplatte kann mehrere Ventilzonen definieren. Die Magnetventilbaugruppe kann einen jeder der Ventilzonen benachbart positionierten Elektromagneten enthalten. Die Magnetventilbaugruppe kann weiterhin ausgelegt sein, die Elektromagnete so zu betreiben, dass sie das Strömen von magnetischem Kühlmittel in jeder der Ventilzonen selektiv steuern. Die Magnetventilbaugruppe kann weiterhin ausgelegt sein, das Magnetfeld basierend auf einer Temperatur der Batteriezellen selektiv abzugeben. Die Magnetventilbaugruppe kann weiterhin ausgelegt sein, das Magnetfeld selektiv abzugeben, um das Strömen in Abschnitten des Strömungsfelds, die den Batteriezellen, deren Temperatur einen Schwellenwert überschreitet, benachbart sind, zu fördern. Das magnetische Kühlmittel kann eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein Ferrofluid sein.
-
Ein Fahrzeug enthält ein Batteriezellenarray, eine Wärmeleitplatte, die in wärmetechnischer Verbindung mit dem Array steht und ein Strömungsfeld definiert, ein im Strömungsfeld verteiltes und Magnetpartikel darin aufweisendes Kühlmittel, und eine Elektromagnetventilbaugruppe. Die Elektromagnetventilbaugruppe ist dem Strömungsfeld benachbart und außerhalb desselben angeordnet, und ausgelegt, selektiv ein Magnetfeld abzugeben, um Konfigurationen der Partikel zu beeinflussen, um eine Strömung des Kühlmittels durch das Strömungsfeld zu verändern. Die Elektromagnetventilbaugruppe kann zumindest einen Elektromagneten enthalten. Die Elektromagnetventilbaugruppe kann weiterhin ausgelegt sein, die Abgabe des Magnetfelds zu variieren, so dass sich die Partikel in einem Mittelbereich des Strömungsfelds oder an Wandungen, die das Strömungsfeld definieren, sammeln. Das Strömungsfeld kann mehrere Multipass-Kanäle enthalten, und die Elektromagnetventilbaugruppe kann weiterhin ausgelegt sein, das Magnetfeld selektiv abzugeben, um die Strömung des Kühlmittels in einigen der Multipass-Kanäle zu leiten. Das Fahrzeug kann eine Steuerung enthalten, die ausgelegt ist, in Reaktion auf Temperaturdaten für die Batteriezellen einen Betrieb der Elektromagnetventilbaugruppe zu steuern. Das Kühlmittel kann eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein Ferrofluid sein.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Batterieelektrofahrzeug.
-
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Abschnitts einer Traktionsbatterie.
-
3 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Wärmeleitplatte mit Kühlmittel in einem Strömungsfeld.
-
4 zeigt in einer Draufsicht auf die Wärmeleitplatte von 3 ein Beispiel einer Abgabe aus einer Elektromagnetventilbaugruppe.
-
5 zeigt in einer Draufsicht auf ein anderes Beispiel einer Wärmeleitplatte ein anderes Beispiel einer Abgabe aus einer Elektromagnetventilbaugruppe.
-
6 zeigt in einer Draufsicht auf die Wärmeleitplatte von 5 ein anderes Beispiel einer Abgabe aus einer Elektromagnetventilbaugruppe.
-
7 zeigt in einer Draufsicht auf ein anderes Beispiel einer Wärmeleitplatte ein anderes Beispiel einer Abgabe aus einer Elektromagnetventilbaugruppe.
-
8 zeigt in einer Draufsicht auf die Wärmeleitplatte und Elektromagnetventilbaugruppe von 7 ein Beispiel für eine Einbaulage von Batteriezellen.
-
9 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eines Abschnitts einer Traktionsbatterie Beispiele einer Wärmeleitplatte, eines Batteriezellenarrays, und von Elektromagneten einer Elektromagnetventilbaugruppe.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die hier offenbarten speziellen Strukturen und funktionellen Details sind somit nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann zu lehren, wie er Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in verschiedener Weise einsetzen kann. Für den Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit anderen, in einer oder mehreren der anderen Figuren dargestellten Merkmalen kombiniert werden können, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, erwünscht sein.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Plug-in-Hybridelektrofahrzeugs (PHEV). Ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die Elektromaschinen 14 können imstande sein, als Motor oder Generator zu arbeiten. Des Weiteren ist das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einer Brennkraftmaschine 18 verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist auch mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können eine Antriebs- und Bremsbetriebsfähigkeit bereitstellen, wenn die Brennkraftmaschine 18 an- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bereitstellen, indem sie Energie rückgewinnen, die normalerweise im Friktionsbremssystem als Wärme verlorengehen würde. Die Elektromaschinen 14 können auch reduzierte Schadstoffemissionen bereitstellen, da das Hybridelektrofahrzeug 12 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus oder Hybridmodus betrieben werden kann, um den Gesamtkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs 12 zu reduzieren.
-
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 24 speichert und stellt Energie bereit, die von den Elektromaschinen 14 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe aus einem oder mehreren Batteriezellenarrays, manchmal als Batteriezellenstapel bezeichnet, in der Traktionsbatterie 24 bereit. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe kann auch in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Ausgabe für Anwendungen wie Fahrzeug-Stopp/Start umgewandelt werden. Die Batteriezellenarrays können eine oder mehrere Batteriezellen enthalten. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch durch ein oder mehrere Schütze (nicht gezeigt) mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden. Wenn das eine oder die mehreren Schütze geöffnet sind, trennen sie die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten, und wenn sie geschlossen sind, verbinden sie die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten. Das Leistungselektronikmodul 26 ist auch elektrisch mit den Elektromaschinen 14 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, elektrische Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, wohingegen die Elektromaschinen 14 eine dreiphasige Wechselspannung benötigen können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung den Erfordernissen der Elektromaschinen 14 entsprechend in eine dreiphasige Wechselspannung umwandeln. In einem Rekuperationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 die dreiphasige Wechselspannung aus den als Generatoren fungierenden Elektromaschinen 14 in die von der Traktionsbatterie 24 erforderte Gleichspannung umwandeln. Die vorliegende Beschreibung ist gleichermaßen auf ein rein elektrisches Fahrzeug anwendbar. Für ein rein elektrisches Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein mit einer Elektromaschine 14 verbundenes Getriebe sein, und die Brennkraftmaschine 18 kann entfallen.
-
Außer Energie für den Antrieb bereitzustellen, kann die Traktionsbatterie 24 auch Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugverbrauchern kompatibel ist. Andere Hochspannungsverbraucher, wie etwa Verdichter und elektrische Heizungen, können direkt mit der Hochspannung verbunden werden, ohne dass ein Gleichspannungswandlermodul 28 verwendet wird. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-V-Batterie) verbunden.
-
Ein elektrisches Batteriesteuermodul (battery electrical control module, BECM) 33 kann mit der Traktionsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als Steuerung für die Traktionsbatterie 24 fungieren und kann auch ein elektronisches Überwachungssystem enthalten, das die Temperatur und den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen verwaltet. Die Traktionsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 wie einen Thermistor oder ein anderes Temperaturmessgerät aufweisen. Der Temperatursensor 31 kann mit dem BECM 33 in Verbindung stehen, um Temperaturdaten bezüglich der Traktionsbatterie 24 bereitzustellen. Der Temperatursensor 31 kann sich auch an den oder in der Nähe der Batteriezellen in der Traktionsbatterie 24 befinden. Es ist auch vorgesehen, dass zum Überwachen der Temperatur der Batteriezellen mehr als ein Temperatursensor 31 verwendet werden kann.
-
Das Fahrzeug 12 kann zum Beispiel ein Elektrofahrzeug wie ein PHEV, ein FHEV, ein MHEV oder ein BEV sein, in dem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Leistungsquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrisch mit dem „Electric Vehicle Supply Equipment“ (EVSE) 38, verbunden sein. Das EVSE 38 kann Schaltungen und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Gleichspannungs- oder Wechselspannungsleistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladeverbinder 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeport 34 kann ein beliebiger Porttyp sein, der ausgelegt ist, Leistung aus dem EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeport 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem Leistungswandlungsmodul 32 im Fahrzeug verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann die aus dem EVSE 38 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann eine Schnittstelle zum EVSE 38 bilden, um die Leistungszufuhr an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann Pins aufweisen, die mit entsprechenden Ausnehmungen des Ladeports 34 zusammenpassen.
-
Die verschiedenen erörterten Komponenten können eine oder mehrere zugeordnete Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter in Verbindung stehen.
-
Die Batteriezellen, wie etwa eine prismatische Zelle, können elektrochemische Zellen enthalten, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie wandeln. Prismatische Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) enthalten. Ein Elektrolyt kann es Ionen ermöglichen, sich während des Entladens zwischen der Anode und der Kathode zu bewegen und dann während des Wiederaufladens zurückzulaufen. Anschlüsse können ermöglichen, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus der Zelle heraus strömt. Wenn sie in einem Array mit mehreren Batteriezellen positioniert sind, können die Anschlüsse der einzelnen Batteriezelle jeweils mit einander benachbarten gegenüberliegenden Anschlüssen (Plus und Minus) ausgerichtet werden, und eine Sammelschiene kann dabei helfen, eine Reihenverbindung zwischen den mehreren Batteriezellen zu erleichtern. Die Batteriezellen können auch parallel angeordnet sein, so dass gleichartige Anschlüsse (Plus und Plus oder Minus und Minus) zueinander benachbart sind. Zum Beispiel können zwei Batteriezellen so angeordnet sein, dass Plus-Anschlüsse zueinander benachbart sind, und die nächsten beiden Zellen können so angeordnet sein, dass Minus-Anschlüsse zueinander benachbart sind. In diesem Beispiel kann die Sammelschiene Anschlüsse aller vier Zellen kontaktieren. Die Traktionsbatterie 24 kann unter Verwendung eines Flüssig-Wärmemanagementsystems, eines Luft-Wärmemanagementsystems oder eines anderen, im Stand der Technik bekannten Verfahrens beheizt und/oder gekühlt werden.
-
Die Traktionsbatterie 24 kann unter Verwendung eines Flüssig-Wärmemanagementsystems, eines Luft-Wärmemanagementsystems oder eines anderen, im Stand der Technik bekannten Verfahrens beheizt und/oder gekühlt werden. In einem Beispiel für ein Flüssig-Wärmemanagementsystem kann, um nun auf 2 Bezug zu nehmen, die Traktionsbatterie 24 ein Batteriezellenarray 88 enthalten, das von einer von einem Wärmemanagementsystem zu beheizenden und/oder zu kühlenden Wärmeleitplatte 90 getragen gezeigt ist. Das Batteriezellenarray 88 kann mehrere Batteriezellen 92, die einander benachbart positioniert sind, und bauliche Komponenten enthalten. Das Gleichspannungswandlermodul 28 und/oder das BECM 33 können unter bestimmten Betriebsbedingungen auch ein Kühlen und/oder Beheizen erfordern. Eine Wärmeleitplatte 91 kann das Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33 tragen und bei dessen Wärmemanagement helfen. Zum Beispiel kann das Gleichspannungswandlermodul 28 während der Spannungswandlung Wärme erzeugen, deren Abführen erforderlich sein kann. Alternativ dazu können die Wärmeleitplatte 90 und 91 in strömungstechnischer Verbindung miteinander stehen, um eine gemeinsame Fluid-Einlassöffnung und eine gemeinsame Auslassöffnung zu teilen.
-
In einem Beispiel kann das Batteriezellenarray 88 an der Wärmeleitplatte 90 montiert sein, so dass von jeder Batteriezelle 92 nur eine Oberfläche, wie etwa eine untere Oberfläche, mit der Wärmeleitplatte 90 in Kontakt ist. Die Wärmeleitplatte 90 und die einzelnen Batteriezellen 92 können Wärme zwischen einander übertragen, um dabei zu helfen, während des Fahrbetriebs die Wärmekonditionierung der Batteriezellen 92 im Batteriezellenarray 88 zu verwalten. Eine gleichförmige Wärmefluidverteilung und hohe Wärmeübertragungsfähigkeit sind zwei bei der Wärmeleitplatte 90 zu berücksichtigende Gesichtspunkte, damit ein wirksames Wärmemanagement der Batteriezellen 92 im Batteriezellenarray 88 und anderer umgebender Komponenten bereitgestellt wird. Weil Wärme zwischen der Wärmeleitplatte 90 und dem Wärmefluid über Leitung und Konvektion übertragen wird, ist die Flächenausdehnung bei einem Wärmefluid-Strömungsfeld für die wirksame Wärmeübertragung wichtig, sowohl zum Abführen von Wärme als auch zum Beheizen der Batteriezellen 92 bei niedrigen Temperaturen. Zum Beispiel wird durch Aufladen und Entladen der Batteriezellen Wärme erzeugt, die die Leistung und Lebensdauer des Batteriezellenarrays 88 negativ beeinflussen kann, wenn sie nicht abgeführt wird. Alternativ dazu kann die Wärmeleitplatte 90 auch dem Batteriezellenarray 88 Wärme bereitstellen, wenn dieses niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist.
-
Die Wärmeleitplatte 90 kann einen oder mehrere Kanäle 93 und/oder einen Hohlraum enthalten, um Wärmefluid durch die Wärmeleitplatte 90 zu verteilen. Zum Beispiel kann die Wärmeleitplatte 90 eine Einlassöffnung 94 und eine Auslassöffnung 96 enthalten, die zum Bereitstellen und Umwälzen des Wärmefluids mit den Kanälen 93 in Verbindung stehen können. Die Positionierung der Einlassöffnung 94 und der Auslassöffnung 96 bezüglich der Batteriezellenarrays 88 kann variieren. Zum Beispiel, und wie in 2 gezeigt, können die Einlassöffnung 94 und die Auslassöffnung 96 bezüglich der Batteriezellenarrays 88 mittig positioniert sein. Die Einlassöffnung 94 und Auslassöffnung 96 können auch seitlich der Batteriezellenarrays 88 positioniert sein. Alternativ dazu kann die Wärmeleitplatte 90 einen Hohlraum (nicht gezeigt) definieren, der zum Bereitstellen und Umwälzen des Wärmefluids mit der Einlassöffnung 94 und der Auslassöffnung 96 in Verbindung steht. Die Wärmeleitplatte 91 kann eine Einlassöffnung 95 und eine Auslassöffnung 97 enthalten, um Wärmefluid zuzuführen und abzuführen. Fakultativ kann eine Lage von Thermal-Interface-Material (nicht gezeigt) an der Wärmeleitplatte 90 und/oder 91, unter dem Batteriezellenarray 88 und/oder dem Gleichspannungswandlermodul 28 bzw. dem BECM 33, angebracht werden. Die Lage von Thermal-Interface-Material kann die Wärmeübertragung zwischen dem Batteriezellenarray 88 und der Wärmeleitplatte 90 verbessern, indem sie zum Beispiel Lücken und/oder Luftspalte zwischen den Batteriezellen 92 und der Wärmeleitplatte 90 füllt. Das Thermal-Interface-Material kann auch elektrische Isolierung zwischen dem Batteriezellenarray 88 und der Wärmeleitplatte 90 bereitstellen. Ein Batterietrog 98 kann die Wärmeleitplatte 90, die Wärmeleitplatte 91, das Batteriezellenarray 88 und andere Komponenten tragen. Der Batterietrog 98 kann eine oder mehrere Ausnehmungen enthalten, um Wärmeleitplatten aufzunehmen.
-
Um einzelnen Fahrzeugvariablen, einschließlich Verpackungs-bedingten Einschränkungen und Leistungsanforderungen, Rechnung zu tragen, können unterschiedliche Batteriesatzkonfigurationen zur Verfügung stehen. Das Batteriezellenarray 88 kann in einer Verkleidung oder einem Gehäuse (nicht gezeigt) enthalten sein, um das Batteriezellenarray 88 und andere umgebende Komponenten, wie etwa das Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33, zu schützen und zu kapseln. Das Batteriezellenarray 88 kann an mehreren verschiedenen Stellen positioniert werden, einschließlich zum Beispiel unter einem Vordersitz, unter einem Rücksitz oder hinter dem Rücksitz des Fahrzeugs. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Batteriezellenarrays 88 an jeder geeigneten Stelle im Fahrzeug 12 positioniert werden können.
-
Wie oben beschrieben, verwenden elektrifizierte Fahrzeuge HV-Batteriesysteme. Für die HV-Batteriesysteme sind gleichförmige Temperaturverhältnisse der Batteriezellen im HV-Batteriesystem vorteilhaft. Kühlmittel wird in flüssigkeitsgekühlten HV-Batteriesystemen typischerweise durch eine geschlossene Schleife gepumpt. Das Kühlmittel kann Wärme aus den Batteriezellen und anderen Komponenten ansammeln während das Kühlmittel die geschlossene Schleife durchströmt. Die Batteriezellen des HV-Batteriesystems können aufgrund unterschiedlicher Temperaturen der Batteriezellen während des Betriebs des elektrifizierten Fahrzeugs unterschiedlich altern. Diese unterschiedliche Alterung der Batteriezellen kann zu einer Leistungsminderung des HV-Batteriesystems und des elektrifizierten Fahrzeugs führen. Wärmeleitplatten, die dabei helfen, die Batteriezellen zu kühlen, können oft Kanalkonfigurationen enthalten, um das Kühlmittel durch die Wärmeleitplatte hindurch zu verteilen, um die Wärmeverhältnisse der Batteriezellen zu verwalten. Die Wärmeleitplatten können auf verschiedene Art und Weise geformt werden, die Herstellungskosten der Wärmeleitplatten können sich jedoch durch die Aufwändigkeit der Kanalkonfigurationen erhöhen.
-
In 3 ist ein Beispiel eines Abschnitts eines Wärmemanagementsystems für ein HV-Batteriesystem gezeigt, das eine Magnetventilbaugruppe verwenden kann, um eine Strömung von Kühlmittel, das Magnetpartikel aufweist, zu steuern. Eine Wärmeleitplatte 100 kann eine erste Wandung 104 und eine zweite Wandung 106 enthalten. Ein Einlass 108 kann Kühlmittel 109 einem von der ersten Wandung 104 und der zweiten Wandung 106 definierten Strömungsfeld zuführen. Ein Auslass 110 kann Kühlmittel aus dem Strömungsfeld abführen. Eine Magnetventilbaugruppe kann dabei helfen, einen Kühlmittelstrom in der Wärmeleitplatte 100 zu steuern. Zum Beispiel kann das Kühlmittel 109 Magnetpartikel 114 enthalten, die magnetisch optimierbar sein können. Magnetorheologische(MR-)Flüssigkeit und Ferrofluid sind zwei Beispiele für magnetisch optimierbare Flüssigkeiten, die für das Kühlmittel 109 verwendet werden können. Wenn MR-Flüssigkeit oder Ferrofluid einem Magnetfeld ausgesetzt wird, kann eine Viskosität des Fluids abgestimmt werden, um die Strömung selektiv zu hemmen oder zu fördern. Zum Beispiel kann das Magnetfeld eine Position oder Bewegung der Magnetpartikel beeinflussen. Es stehen verschiedene Verhältnisse von Magnetpartikeln und Fluid zur Verfügung, um vielfältige Möglichkeiten für eine Zusammensetzung des Kühlmittels 109 bereitzustellen. Größe und Typ der Magnetpartikel sind zwei Faktoren, die die Auswahl der Zusammensetzung des Kühlmittels 109 beeinflussen können.
-
In 3 ist das Kühlmittel 109 mit den Magnetpartikeln 114 in einer normalen oder ungeordneten Konfiguration gezeigt. Zum Beispiel wird im Fall der MR-Flüssigkeiten die Verteilung der Magnetpartikel 114 von der Strömung des Kühlmittels 109 getrieben, während im Fall der Ferrofluide die Verteilung der Magnetpartikel 114 von der Brown‘schen Bewegung getrieben wird. Bei Magnetpartikeln in MR-Flüssigkeiten wie auch in Ferrofluiden wirkt eine Magnetkraft parallel zu der Linie eines von einem Elektromagneten erzeugten magnetischen Flusses. Das angelegte Magnetfeld ist anisotrop, mit durch die Magnetpol-Lage bedingten Bereichen größeren und kleineren Magnetflusses. Die Magnetpartikel 114 können in spezielle Konfigurationen ausgerichtet werden, um die Strömung von Kühlmittel 109 zu fördern oder zu hemmen, indem selektiv einzelne oder mehrere Elektromagnete dem Kühlmittel 109 benachbart platziert werden. Die Elektromagnete können auch ausgelegt sein, die Abgabe des Magnetfelds zu pulsieren, so dass das Kühlmittel 109 einen Zwischenzustand erreicht, in dem bewirkt wird, dass eine laminare Strömung des Kühlmittels 109 turbulenter wird, um die Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlmittels 109 zu erhöhen.
-
4 zeigt ein Beispiel, in dem die Magnetpartikel 114 aufgrund einer von den Elektromagneten 120 erzeugten Abgabe eines Magnetfelds 118 neu konfiguriert werden. Die Elektromagnete 120 können dem Strömungsfeld der Wärmeleitplatte 100 benachbart platziert werden, um die Strömung des Kühlmittels 109 durch Ausüben einer Kraft gegen die Magnetpartikel 114 selektiv zu steuern. In diesem Beispiel wird der Elektromagnet 120 aktiviert, um das von den Richtungspfeilen dargestellte Magnetfeld 118 abzugeben. Das Magnetfeld 118 übt die Kraft auf die Magnetpartikel 114 aus, so dass eine Positionierung der Magnetpartikel 114 neu konfiguriert werden kann. In diesem Beispiel sind die Magnetpartikel 114 in einer, verglichen mit der in 3 gezeigten normalen oder ungeordneten Konfiguration, im Wesentlichen linearen Konfiguration neu ausgerichtet gezeigt. In 4 ist gezeigt, dass die vier Elektromagnete 120 vier Säulen von Magnetpartikeln 114 erzeugen, die von der magnetischen Kraft des Magnetfelds 118 auf die Wandung 104 zu getrieben werden. Die angewandte magnetische Kraft ist in diesem Beispiel senkrecht zur Richtung der Strömung des Kühlmittels 109, und dadurch dass die Bewegung der Magnetpartikel 114 in die Wandung 104 verursacht wird, ist es möglich, die örtliche Viskosität des Kühlmittels 109 zu erhöhen und einen Wandschubspannungsbeitrag zu erhöhen, um den Strom des Kühlmittels 109 zu verlangsamen.
-
In 5 ist ein anderes Beispiel gezeigt, in dem die Magnetpartikel 114 aufgrund eines von einem Elektromagneten 124, der sich unter der Wärmeleitplatte 150 befinden kann, abgegebenen Magnetfelds 122 neu konfiguriert werden. In diesem Beispiel wandert die Abgabe des Magnetfelds 122 von unter der Wärmeleitplatte 150 aus (wie von einer Reihe von Richtungs-X dargestellt) und beeinflusst die Magnetpartikel 114, sich neu zu konfigurieren und sich an der Wandung 104 und der Wandung 106 anzusammeln. Die Strömung des Kühlmittels 109 kann beeinflusst werden, entlang eines Mittelteils des durch die Wärmeleitplatte 100 definierten Strömungsfelds zu wandern. In 6 ist ein anderes Beispiel gezeigt, in dem die Magnetpartikel 114 aufgrund der Abgabe von Magnetfeldern 128 von Elektromagneten 130 und Elektromagneten 132 neu konfiguriert werden. In diesem Beispiel beeinflusst die Abgabe der Magnetfelder 128 die Magnetpartikel 114, sich neu zu konfigurieren und im Mittelteil des Strömungsfelds anzusammeln. Die Strömung des Kühlmittels 109 kann beeinflusst werden, an äußeren Abschnitten des von der Wärmeleitplatte 100 definierten Strömungsfelds entlang zu wandern. Die Lagen der Elektromagnete 130 und der Elektromagnete 132 erzeugen in diesem Beispiel zwei Kühlmittel-Teilpfade 136 und 138 des Strömungsfelds.
-
In 7 und 8 ist ein Beispiel einer anderen Wärmeleitplatte 150 gezeigt, die eine Magnetventilbaugruppe verwenden kann, um eine Strömung von Magnetpartikel aufweisendem Kühlmittel zu steuern. Eine Wärmeleitplatte 150 kann einen Einlass 154 und einen Auslass 156 enthalten. Mehrere Batteriezellen können von der Wärmeleitplatte 150 getragen sein und/oder in wärmetechnischer Verbindung mit dieser stehen. Zwischen dem Einlass 154 und dem Auslass 156 ist ein Strömungsfeld für Kühlmittel enthalten. Zum Beispiel kann die Wärmeleitplatte 150 eine Wandung 160 enthalten, um das Strömungsfeld dazwischen zu definieren. In anderen Beispielen kann die Wärmeleitplatte 150 eine oder mehrere Extrusionen im Strömungsfeld definieren, um das Kühlmittel durch die Wärmeleitplatte 150 hindurch zu verteilen. Die Batteriezellen 164 und 166 sind in einem Beispiel einer Batteriezellenkonfiguration voneinander beabstandet gezeigt.
-
Eine Magnetventilbaugruppe kann dabei helfen, die Strömung des Kühlmittels in der Wärmeleitplatte 150 zu steuern. Zum Beispiel kann die Magnetventilbaugruppe einen oder mehrere Elektromagnete enthalten, wie in 8 gezeigt. Eine erste Ventilzone 170 kann zu einem ersten Elektromagneten 180 gehören. Eine zweite Ventilzone 172 kann zu einem zweiten Elektromagneten 184 gehören. Eine dritte Ventilzone 174 kann zu einem dritten Elektromagneten 186 gehören. Die Ventilzonen sind mit Richtungspfeilen dargestellt, um ein Beispiel einer Richtung von von den Elektromagneten abgegebenen Magnetfeldern zu zeigen. Ein Steuerungssystem kann den Betrieb der Magnetventilbaugruppe basierend auf Betriebsbedingungen der Batteriezellen leiten. Zum Beispiel kann eine Steuerung (nicht gezeigt) den Betrieb des ersten Elektromagneten 180, des zweiten Elektromagneten 184 und des dritten Elektromagneten 186 leiten. Ein oder mehrere Sensoren (nicht gezeigt) können den Batteriezellen 164 und 166 benachbart oder in diese integriert sein. Der eine oder die mehreren Sensoren können Temperaturverhältnisse der Batteriezellen messen. Der eine oder die mehreren Sensoren können mit der Steuerung in Verbindung stehen und ausgelegt sein, ein oder mehrere Signale an diese zu senden. Zum Beispiel können der eine oder die mehreren Sensoren die gemessenen Temperaturverhältnisse in das eine oder die mehreren an die Steuerung gesendeten Signale einschließen. Die Steuerung kann ausgelegt sein, in Reaktion darauf, dass sie das eine oder die mehreren, die gemessene Temperatur der Batteriezellen einschließenden Signale aus dem einen oder den mehreren Sensoren empfängt, einen oder mehrere der Elektromagneten anweisen, ein Abgeben eines Magnetfelds anzupassen, so dass der Kühlmittelstrom basierend auf der gemessenen Temperatur der Batteriezellen verändert wird.
-
Zum Beispiel kann die Steuerung ein Signal aus einem der Sensoren empfangen, das anzeigt, dass dem ersten Elektromagneten 180 benachbarte Batteriezellen bei einer Temperatur über einem vorbestimmten Schwellenwert arbeiten. Der vorbestimmte Schwellenwert kann zum Beispiel eine Batteriezellentemperatur sein, bei der die Leistung der Batteriezelle abnehmen kann. Die Steuerung kann den zweiten Elektromagneten 184 und den dritten Elektromagneten 186 anweisen, ein Magnetfeld abzugeben, so dass ein Strömen von Kühlmittel durch die zweite Ventilzone 172 und die dritte Ventilzone 174 verhindert oder eingeschränkt wird. Von daher kann Kühlmittel in Richtung zu den bei einer Temperatur über dem vorbestimmten Schwellenwert arbeitenden Batteriezellen geleitet werden, um dabei zu helfen, die Batteriezellen zu kühlen. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung ein Signal aus einem der Sensoren empfangen, das anzeigt, dass dem zweiten Elektromagneten 184 benachbarte Batteriezellen bei einer Temperatur über dem vorbestimmten Schwellenwert arbeiten. Die Steuerung kann den ersten Elektromagneten 180 und den dritten Elektromagneten 186 anweisen, ein Magnetfeld abzugeben, so dass ein Strömen von Kühlmittel durch die erste Ventilzone 170 und die dritte Ventilzone 174 verhindert oder eingeschränkt wird. Diese Magnetventilbaugruppenkonfiguration stellt eine Fähigkeit bereit, einen Kühlmittelstrom in der Wärmeleitplatte zu steuern, und zwar ohne mechanische Ventile oder mechanische Komponenten in der Wärmeleitplatte 150 zu verwenden. Es ist vorgesehen, dass andere Kombinationen von Magnetfeldabgaben aus dem ersten Elektromagneten 180, dem zweiten Elektromagneten 184 und dem dritten Elektromagneten 186 einen Strom des Kühlmittels in der Wärmeleitplatte 150 verändern können. Weiterhin können mehr oder weniger Elektromagnete eingesetzt werden, um zusätzliche Kühlmittelstromsteuerungsmöglichkeiten bereitzustellen.
-
In 9 ist ein anderes Beispiel einer Wärmeleitplatte 220 gezeigt, die eine Magnetventilbaugruppe verwenden kann, um dabei zu helfen, die Wärmeverhältnisse eines Batteriezellenarrays 224 zu verwalten. Die Batteriezellen 224 können wärmetechnisch mit der Wärmeleitplatte 220 verbunden sein. In diesem Beispiel kann über einen Platteneinlass 230 und einen Plattenauslass 234 Kühlmittel in die Wärmeleitplatte 220 eintreten bzw. aus dieser austreten. Die Wärmeleitplatte 220 kann mehrere Multipass-Kanäle, wie einen ersten Multipass-Kanal 226a, einen zweiten Multipass-Kanal 226b, einen dritten Multipass-Kanal 226c und einen vierten Multipass-Kanal 226d (hier gemeinsam als Multipass-Kanäle 226 bezeichnet) definieren. Durch die Multipass-Kanäle 226 kann Kühlmittel strömen, um dabei zu helfen, die Wärmeverhältnisse der Batteriezellen 224 zu verwalten. In den Multipass-Kanälen 226 können ein oder mehrere Elektromagnete angeordnet sein, um dabei zu helfen, den Kühlmittelstrom in der Wärmeleitplatte 220 zu verwalten. Zum Beispiel kann ein erster Elektromagnet 250 mit dem ersten Multipass-Kanal 226a angeordnet sein, so dass eine Magnetfeldabgabe des ersten Elektromagneten 250 Magnetpartikel des zum oder im ersten Multipass-Kanal 226a strömenden Kühlmittels beeinflussen kann. Der Einfluss des Magnetfelds kann solcherart sein, dass die Magnetpartikel neu konfiguriert werden, um den Kühlmittelstrom zu verhindern, einzuschränken oder zu verändern, wie oben beschrieben. Analog dazu können ein zweiter Elektromagnet 252, ein dritter Elektromagnet 254 und ein vierter Elektromagnet 256 Magnetpartikel im jeweils zum oder im zweiten Multipass-Kanal 226b, dritten Multipass-Kanal 226c und vierten Multipass-Kanal 226d strömenden Kühlmittel beeinflussen. In diesem Beispiel befinden sich die Elektromagnete über den Batteriezellen 224.
-
Obgleich vorstehend verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, wird nicht bezweckt, dass diese Ausführungsformen alle von den Ansprüchen umfassten möglichen Formen beschreiben sollen. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind beschreibende, nicht einschränkende Worte und es versteht sich, dass diverse Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Für den Durchschnittsfachmann ist zu erkennen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen derart hätten beschrieben werden können, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften Vorteile bieten oder bevorzugt sind, bei einem oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden können, um gewünschte, von der speziellen Anwendung und Implementierung abhängige Gesamtsystemattribute zu erzielen. Diese Attribute können Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Beschaffenheit, Robustheit, Akzeptanz beim Kunden, Zuverlässigkeit, Genauigkeit, usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher fallen Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
