DE102018107139A1

DE102018107139A1 - System für Direktkühlung mit geschlossenem Kreislauf eines abgedichteten Hochspannungsantriebsbatteriepacks

Info

Publication number: DE102018107139A1
Application number: DE102018107139.6A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Matthew HAAG; Jason SIELAFF
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108666700A; CN108666700B; US20180287225A1

Abstract

Ein allgemeiner Aspekt beinhaltet ein Kühlsystem eines Hochspannungs(HV)-Batteriepacks eines Elektrofahrzeugs (EV), das folgendes beinhaltet: mindestens eine Batteriezelle, die in einer ersten Kammer eines HV-Batteriepacks positioniert ist, wobei die erste Kammer kommunikativ an einen Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass gekoppelt ist, die am HV-Batteriepack positioniert sind. Das Elektrofahrzeug beinhaltet außerdem ein Kühlfluid. Das Elektrofahrzeug beinhaltet zudem einen Wärmetauscher, der kommunikativ an den Kühlfluideinlass und den Kühlfluidauslass gekoppelt ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dieses System für eine direkte Kühlung mit geschlossenem Kreislauf eines abgedichteten Hochspannungsantriebsbatteriepacks soll erwartungsgemäß als Teil der Antriebsstrangarchitektur von Hybrid- und Batterie-Elektrofahrzeugen verwendet werden. Es gibt vier Hauptarten solcher Fahrzeuge: Vollhybrid-Elektrofahrzeuge (full hybrid electric vehicle - FHEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEV), Batterie-Elektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (fuel cell vehicles - FCV). FHEV nutzen eine Hochspannungsantriebsbatterie und einen Elektromotor, um einen herkömmlichen Verbrennungsmotor (internal combustion - IC) zu ergänzen. PHEV weisen eine ähnliche Systemarchitektur wie FHEV auf, beinhalten aber die Kapazität zum Laden des Batteriesystems und weisen zudem eine größere Energiespeicherkapazität auf, was einen Antrieb nur unter Verwendung des Elektromotors ermöglicht. BEV greifen vollständig auf eine Hochspannungsbatterie mit hoher Kapazität und ein Elektromotorsystem zurück und weisen keinen herkömmlichen IC-Motor auf. FCV wandeln Wasserstoffgas und Sauerstoff in Elektrizität um, um einen Elektromotor zu versorgen, und beinhalten eine Hochspannungsbatterie, um Energie durch regeneratives Bremsen zurückzugewinnen und somit dem Elektromotor zusätzliche Leistung bereitzustellen.
Alle Batteriezellen generieren Wärme, wenn sie Laden und Entladen. Diese Wärme muss in geeigneter Weise gehandhabt werden, um die Lebensdauer der Zelle zu schützen und eine gute Leistung sicherzustellen. Ein Kühlsystem kann genutzt werden, um dieses Ziel zu erreichen. Die zwei Hauptarten für Antriebsbatterien sind luftgekühlte und flüssigkeitsgekühlte Systeme.
Eine herkömmliche luftgekühlte Batterie verwendet Luft als Kühlmedium. Diese Art von Kühlsystem wird häufig genutzt, wenn das Batteriepack im Fahrzeuginneren verbaut ist, wobei die in das Pack angesaugte Luft von dem Klimaanlagensteuersystem des Fahrzeugs sowohl gefiltert als auch temperaturgesteuert wird. Die Luft tritt in das Pack ein und gelangt in direkten Kontakt mit den Zellen, um eine Konvektionskühlung bereitzustellen. Diese Art von Kühlsystem ist aufgrund von möglicherweise hohen Umgebungslufttemperaturen, hohem Feuchtigkeitsgehalt und Schmutz, dem das Batteriepack ausgesetzt wäre, nicht geeignet für Batteriepacks, die am Fahrzeugäußeren verbaut sind.
Herkömmliche flüssigkeitsgekühlte Systeme verwenden entweder Kältemittel oder Kühlmittel als Kühlmedium. Dieses Fluid zirkuliert durch einen Wärmetauscher, der über ein thermisches Schnittstellenmaterial thermisch mit den Zellen verbunden ist, wodurch eine indirekte Kühlung bereitgestellt wird. Flüssigkeitsgekühlte Systeme können häufig eine höhere Wärmeaufnahmefähigkeit als luftgekühlte Systeme bereitstellen, da das Kühlmedium eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Flüssigkeitsgekühlte Systeme sind auch vielseitiger, da sie so gefertigt werden können, dass sie gegenüber der Umwelt abgedichtet sind, wodurch es möglich ist, sie am Fahrzeugäußeren zu verbauen.
KURZDARSTELLUNG
Das vorgeschlagene direktgekühlte System nutzt erzwungene Konvektion mit einem nicht leitfähigen, chemisch inerten Fluid in direktem Kontakt mit Arrays eines Batteriepacks und anderen wärmegenerierenden Komponenten, um eine Kühlung bereitzustellen. Das System besteht aus mindestens drei Komponenten: einer Pumpe, einem Wärmetauscher und einem abgedichteten HV-Batteriepack. Der Strömungspfad des Kühlfluids kann eine von zwei Formen annehmen: (1) Ein unterteiltes System, in dem das Kühlfluid nur mit gewissen wärmegenerierenden Komponenten des Batteriepacks in Kontakt kommt, oder (2) ein geflutetes System, in dem das Kühlfluid mit allen internen Komponenten des Batteriepacks in Kontakt kommen.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Direktkühlsystems mit geschlossenem Kreislauf eines unterteilten Hochspannungs(high voltage - HV)-Antriebsbatteriepacks.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Direktkühlsystems mit geschlossenem Kreislauf für ein HV-Antriebsbatteriepack.
3 ist ein Ablaufplan eines Prozesses, der in einer elektronischen Steuereinheit (electronic control unit - ECU) ausgeführt werden kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun wird auf 1 und 2 Bezug genommen, die Beispiele eines Direktkonvenktions-HV-Batteriekühlsystems 10 mit geschlossenem Kreislauf sind. Auch wenn 1 und 2 jeweils nur eine Ausführungsform einer Elektrofahrzeug(electric vehicle - EV)-Architektur darstellen, kann die offenbarte Technologie auf jede Art von Fahrzeug angewandt werden, das eine abgedichtete Elektrofahrzeugbatterie oder ein nicht abgedichtetes HV-Batteriepack umfasst.
Ein HV-Antriebsbatteriepack 12A enthält ein HV-Array 16. Das HV-Array 16 kann aus einer Batteriezelle oder einer Kombination aus Reihen- und/oder Parallel-Batteriezellen gefertigt sein, um die Spannungen und Ströme zu erlangen, die für einen EV-Wechselrichter benötigt werden, um einen Antriebsmotor anzutreiben. Das HV-Array 16 kann zudem mit einem Kühlkanal konfiguriert sein, um zuzulassen, dass ein Kühlfluid (zwischen den einzelnen Zellen) durch das Array 16 fließt. Das Kühlfluid wird durch das HV-Antriebsbatteriepack 12A gepumpt, um Wärme aus dem HV-Array 12 zu entnehmen.
In einer ersten Ausführungsform ist das HV-Antriebsbatteriepack 12A gegen die Umwelt abgedichtet, wobei es einen Kühlfluideinlass 17 und einen Kühlfluidauslass 19 aufweist. Das Batteriepack 12A kann ferner einzelne Komponenten beinhalten, wie etwa eine elektronische Steuereinheit (ECU) 14, eine elektrische Verteilungsschaltung 15 und einen DC/DC-Wandler (nicht gezeigt). Die einzelnen Komponenten können in Kammern 13A, 13B, 13C unterteilt sein und einer erzwungenen Konvektion unterworfen werden, indem das Kühlfluid durch jede Kammer fließt. Das Kühlfluid kann ein inertes Gas oder ein inertes Fluid sein, das nicht leitfähig und nicht chemisch reaktiv ist.
2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform, bei der das gesamte Batteriepack 12B mit dem Kühlfluid geflutet wird. Die einzelnen Komponenten sind nicht unterteilt. Das Kühlfluid durchquert das Batteriepack 12B, kühlt die ECU 14 und die elektrische Verteilungsschaltung 15, ebenfalls mittels erzwungener Konvektion des Kühlfluids.
Eine Pumpe 20 kann kommunikativ an die ECU 14 gekoppelt sein, um die Zirkulation des Kühlfluids durch das geschlossene Kreislaufsystem 10 zu steuern. Das Kühlfluid kann von der Pumpe 20 über einen Fluidpfad 18 zum HV-Antriebsbatteriepack 12A, 12B fließen. Die Pumpe 20 kann bei Anweisungen, die von der ECU 14 gesendet werden, gesteuert werden, um die Temperatur des HV-Antriebsbatteriepacks 12A, 12B zu regulieren. Ein Filter 24 kann genutzt werden, um alle Verunreinigungen, die das Kühlfluid kontaminieren könnten, herauszufiltern.
Das Kühlfluid des HV-Antriebsbatteriepacks 12A, 12B kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, die weder chemisch reaktiv noch elektrisch leitfähig ist, wie etwa Helium, Argon oder Stickstoff. Das Kühlfluid kann zudem eine leichte Mischung höherer Alkane aus einer mineralischen Quelle sein, wie etwa ein Destillat von Erdöl (z. B. ein Mineralöl). Schließlich kann ein Silikonöl oder ein Fluorkohlenstofföl genutzt werden, um das HV-Antriebsbatteriepack 12A, 12B zu kühlen.
Die ECU 14 kann Programmierung beinhalten, um verschiedene Aspekte des HV-Arrays 16 zu überwachen und zu steuern, die Batteriespannung, Temperatur und Stromfluss beinhalten können. Die ECU 14 kann mindestens einen Prozessor aufweisen und weist üblicherweise einen Speicher auf, z. B. umfassend verschiedene Arten von Permanent- und Transientenspeicher, wie die bekannten, um Computeranweisungen, Registerwerte und temporäre und permanente Variable zu speichern. Ferner kann die ECU 14 allgemein Anweisungen zum Austauschen von Daten bezüglich des Batteriekühlstatus des Fahrzeugs, z. B. von oder zu einem Fahrer oder einem Bediener, über eine mobile Vorrichtung, ein Smartphone, einen tragbaren Computer, eine Benutzervorrichtung und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle innerhalb des Fahrzeugs beinhalten.
Die elektrische Verteilungsschaltung 15 kann eine Fülle von Verkabelungen und Bussen umfassen, die zum Leiten und Überwachen des Hochstroms in der Lage sind, der von dem HV-Array 16 bereitgestellt wird, wenn das Fahrzeug eingeschaltet wird. Die elektrische Verteilungsschaltung 16 kann mindestens einen Stromsensor, einen Spannungssensor, einen Temperatursensor und einen Kühlmittelströmungssensor beinhalten, um das HV-Antriebsbatteriepack 12A, 12B zu überwachen, wenn das Fahrzeug geladen wird.
Das Kühlfluid, das von dem HV-Antriebsbatteriepack 12A, 12B ausgegeben wird, kann dann zu einem Wärmetauscher 28 befördert werden, um die Batteriewärme von dem HV-Antriebsbatteriepack 12A, 12B zu einer ersten Seite des Wärmetauschers 28 weiterzuleiten. Bei dem Wärmetauscher kann es sich um eine beliebige Art handeln (z. B. einen Rohrbündelwärmetauscher, einen Plattenwärmetauscher usw.).
Eine zweite Seite des Wärmetauschers 28 ist kommunikativ an einen Wärmeableitungskreis (nicht gezeigt) gekoppelt. Ein Wärmeableitungskreis kann eine Umwälzpumpe, die mit einem luftgekühlten Radiator verbunden ist, einen Radiator mit einem Peltier-Kühler oder einen Radiator mit einem Wärmerohr beinhalten, um Wärme abzuleiten.
In einer zusätzlichen Ausführungsform kann der Wärmetauscher 28 ein Querströmungswärmetauscher sein, der das geschlossene Kreislaufsystem 10 nicht von dem Wärmeableitungskreis isoliert. Der Querströmungswärmetauscher wird verwendet, um Druckverluste zu vermeiden und wird häufig für Flüssigkeitskühlungsanwendungen verwendet, wenn eine Flüssigkeit eine deutlich höhere Strömungsrate als die andere Flüssigkeit aufweist.
PROZESSABLÄUFE
3 ist ein Ablaufplan, der einen beispielhaften Prozess 100 veranschaulicht, der gemäß Programmierung in der ECU 14 ausgeführt werden kann, um eine Temperatur innerhalb des HV-Antriebsbatteriepacks 12A zu erfassen und die Drehzahl der Pumpe 20 zu steuern, um die Kühlung des HV-Antriebsbatteriepacks 12A zu regulieren.
Der Prozess 100 beginnt in einem Block 110. Die ECU 14 empfängt ein Temperatursignal von einem Sensor, der in dem HV-Antriebsbatteriepack 12A positioniert ist. Das Signal kann vom Temperatursensor angeschoben werden und eine Unterbrechung in der ECU 14 auslösen, oder alternativ kann die ECU 14 das Signal lesen oder vom Temperatursensor anfordern.
In einem Block 115 bestimmt die ECU 14, ob die Temperatur vom HV-Antriebsbatteriepack 12A innerhalb einer annehmbaren Spanne für einen optimalen Betrieb der Batteriezellen liegt. Wenn die Temperatur außerhalb dieser Spanne liegt, wird ein Block 125 ausgeführt. Wenn die Temperatur innerhalb einer annehmbaren Spanne liegt, wird ein Block 120 ausgeführt.
Im Block 120 verändert die ECU 14 die Drehzahl der Pumpe 20 nicht und der Prozess 100 kehrt zu Block 110 zurück.
Im Block 125 bestimmt die ECU 14, ob die Temperatur des HV-Antriebsbatteriepacks 12A über oder unterhalb der annehmbaren Spanne liegt. Wenn die Temperatur des HV-Antriebsbatteriepacks 12A höher als die annehmbaren Grenzen ist, wird ein Block 130 ausgeführt. Wenn die Temperatur des HV-Antriebsbatteriepacks 12A geringer als die annehmbaren Grenzen ist, wird ein Block 135 ausgeführt.
Im Block 130 sendet die ECU 14 ein Signal an die Pumpe 20, um die Kühlmittelströmung zu erhöhen, um die Temperatur des HV-Antriebsbatteriepacks 12A zu senken. Der Prozess 100 geht dann mit Block 110 weiter.
Im Block 135 sendet die ECU 14 ein Signal an die Pumpe 20, um die Kühlmittelströmung zu verringern, um die Temperatur des HV-Antriebsbatteriepacks 12A zu erhöhen. Der Prozess 100 kehrt dann zu Block 110 zurück.
SCHLUSSFOLGERUNG
Wie hier verwendet, bedeutet das Adverb „im Wesentlichen“, das ein Adjektiv modifiziert, dass eine Form, eine Struktur, eine Messung, ein Wert, eine Berechnung usw. aufgrund von Unvollkommenheiten bei Materialien, bei der Bearbeitung, bei der Herstellung, bei Sensormessungen, bei Berechnungen, bei der Verarbeitungszeit, bei der Kommunikationszeit usw. von einer genau beschriebenen Geometrie, Strecke, Messung, Wert, Berechnung usw. abweichen kann.
Rechenvorrichtungen, wie etwa die in dieser Schrift erörterten, beinhalten im Allgemeinen jeweils Anweisungen, die durch eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, wie etwa die vorstehend genannten, und zum Ausführen von Blöcken oder Schritten von vorstehend beschriebenen Prozessen ausgeführt werden können. Vom Computer ausführbare Anweisungen können von Computerprogrammen kompiliert oder interpretiert werden, die unter Verwendung einer Vielzahl von Programmiersprachen und/oder -technologien hergestellt wurden, einschließlich unter anderem, entweder allein oder in Kombination, Java™, C, C++, C#, Visual Basic, Java Script, Perl, HTML, PHP usw. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor (z. B. ein Mikroprozessor) Anweisungen, z. B. von einem Speicher, einem computerlesbaren Medium usw., und führt diese Anweisungen aus, wodurch ein oder mehrere Prozesse durchgeführt wird bzw. werden, darunter einer oder mehrere der hierin beschriebenen Prozesse. Solche Anweisungen und anderen Daten können unter Verwendung einer Vielzahl computerlesbarer Medien gespeichert und übertragen werden. Eine Datei in einer Rechenvorrichtung ist im Allgemeinen eine Sammlung von Daten, die auf einem computerlesbaren Medium, wie etwa einem Speichermedium, einem Direktzugriffsspeicher usw., gespeichert werden.
Ein computerlesbares Medium beinhaltet jedes Medium, das sich an der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen), die von einem Computer gelesen werden können, beteiligt. Solch ein Medium kann viele Formen annehmen, einschließlich unter anderem nicht flüchtige Medien, flüchtige Medien, usw. Nicht flüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Disks und andere persistente Speicher beinhalten. Flüchtige Medien beinhalten dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM), der in der Regel einen Hauptspeicher bildet. Zu gängigen Formen computerlesbarer Medien gehören beispielsweise eine Diskette, eine flexible Magnetplatte, eine Festplatte, ein Magnetband, ein beliebiges anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, eine DVD, ein beliebiges anderes optisches Medium, Lochkarten, Lochstreifen, ein beliebiges anderes physisches Medium mit Lochmustern, ein RAM, ein PROM, ein EPROM, ein FLASH-EEPROM, ein beliebiger anderer Speicherchip oder eine beliebige andere Speicherkassette oder ein beliebiges anderes Medium, von dem ein Computer lesen kann.
Mit Bezug auf die hier beschriebenen Medien, Prozesse, Systeme, Verfahren usw. versteht es sich, dass, obwohl die Schritte derartiger Prozesse usw. als gemäß einer gewissen geordneten Sequenz erfolgend beschrieben wurden, derartige Prozesse praktiziert werden könnten, indem die beschriebenen Schritte in einer anderen als der hier beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Es versteht sich ferner, dass bestimmte Schritte gleichzeitig durchgeführt, andere Schritte hinzugefügt oder bestimmte hierin beschriebene Schritte weggelassen werden können. Mit anderen Worten werden die hier enthaltenen Beschreibungen von Systemen und/oder Prozessen zum Zweck der Veranschaulichung gewisser Ausführungsformen bereitgestellt und sind in keinem Fall so auszulegen, dass sie den offenbarten Gegenstand beschränken.
Dementsprechend versteht es sich, dass die obige Beschreibung als erläuternd und nicht einschränkend zu betrachten ist. Nach dem Lesen der obigen Beschreibung wären für den Fachmann viele der von den bereitgestellten Beispielen abweichenden Ausführungsformen und Anwendungen offensichtlich. Der Umfang der Erfindung sollte nicht mit Bezug auf die obige Beschreibung, sondern stattdessen mit Bezug auf die hieran angehängten und/oder die in einer hierauf basierenden nicht vorläufigen Patentanmeldung beinhalteten Ansprüche bestimmt werden, zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, auf den derartige Ansprüche Anspruch haben. Es wird vorhergesehen und ist beabsichtigt, dass künftige Entwicklungen in dem hier erörterten Fachgebiet erfolgen und die offenbarten Systeme und Verfahren in derartige künftige Ausführungsformen aufgenommen werden. Zusammenfassend versteht es sich, dass der offenbarte Gegenstand modifiziert und variiert werden kann.

Claims

Kühlsystem eines Hochspannungs(HV)-Batteriepacks eines Elektrofahrzeugs (EV), umfassend: mindestens eine Batteriezelle, die in einer ersten Kammer eines HV-Batteriepacks positioniert ist, wobei die erste Kammer mit einem Kühlfluideinlass und einem Kühlfluidauslass, die am HV-Batteriepack positioniert sind, verbunden ist; ein Kühlfluid; und einen Wärmetauscher, der mit dem Kühlfluideinlass und dem Kühlfluidauslass verbunden ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine elektronische Steuereinheit (ECU), die in einer zweiten Kammer, die in dem Batteriepack positioniert ist, positioniert ist, wobei die zweite Kammer mit dem Kühlfluideinlass und dem Kühlfluidauslass verbunden ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine elektrische Verteilungsschaltung, die in einer dritten Kammer in dem Batteriepack positioniert ist, wobei die dritte Kammer mit dem Kühlfluideinlass und dem Kühlfluidauslass verbunden ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine(s) von einem Filter, einer Pumpe und einem Wärmetauscher, die mit dem Kühlfluideinlass und dem Kühlfluidauslass verbunden sind.
System nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid mindestens eines von einem inerten Gas und einem elektrisch nicht leitfähigem Fluid ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Batteriepack gegen die Umwelt abgedichtet ist.
Hochspannungs(HV)-Batteriepack eines Elektrofahrzeugs (EV), umfassend: mindestens eine Batteriezelle, die in einer ersten Kammer eines HV-Batteriepacks positioniert ist, eine elektronische Steuereinheit (ECU), die in einer zweiten Kammer positioniert ist, eine elektrische Verteilungsschaltung, die in einer dritten Kammer positioniert ist, wobei die erste Kammer, die zweite Kammer und die dritte Kammer mit einem Kühlfluideinlass und einem Kühlfluidauslass, die am HV-Batteriepack positioniert sind, verbunden sind, damit ein Kühlfluid durch diese drei Kammern fließt.
Batteriepack nach Anspruch 7, wobei mindestens eines von einem Filter und einem Wärmetauscher mit dem Kühlfluideinlass und dem Kühlfluidauslass verbunden ist.
Batteriepack nach Anspruch 7, wobei ein Kühlfluid, das zum Kühlen des Batteriepacks genutzt wird, ein inertes Gas ist.
Batteriepack nach Anspruch 7, wobei ein Kühlfluid, das zum Kühlen des Batteriepacks genutzt wird, ein elektrisch nicht leitfähiges Fluid ist.
Batteriepack nach Anspruch 7, wobei das Batteriepack gegen die Umwelt abgedichtet ist.
Abgedichtetes Hochspannungs(HV)-Batteriepack eines Elektrofahrzeugs (EV), umfassend: mindestens eine Batteriezelle; eine elektronische Steuereinheit (ECU); eine elektrische Verteilungsschaltung, wobei die mindestens eine Batteriezelle, die ECU und die elektrische Verteilungsschaltung in einer Kammer des Batteriepacks positioniert sind; und wobei ein Kühlfluideinlass und ein Kühlfluidauslass mit der Kammer verbunden sind, damit ein Kühlfluid über die Batteriezelle, die ECU und die elektrische Verteilungsschaltung fließt.
Batteriepack nach Anspruch 12, wobei ein Kühlfluid, das zum Kühlen des Batteriepacks genutzt wird, ein inertes Gas ist.
Batteriepack nach Anspruch 12, ferner umfassend einen Wärmetauscher, der mit dem Kühlfluideinlass und dem Kühlfluidauslass verbunden ist.
Batteriepack nach Anspruch 12, wobei ein Kühlfluid, das zum Kühlen des Batteriepacks genutzt wird, ein elektrisch nicht leitfähiges Fluid ist.