DE102018208974A1

DE102018208974A1 - Verfahren zum Temperieren einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs mittels einer mechanischen Temperiervorrichtung, Temperiervorrichtung, Hochvoltbatterie sowie Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018208974A1
Application number: DE102018208974.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kowallik; Timo Wenzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-06-08
Also published as: DE102018208974B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren einer Hochvoltbatterie (2) eines Fahrzeugs (1), bei welchem Parameter (P1 bis P15) bestimmt werden, anhand der Parameter (P1 bis P15) eine thermische Anforderung (15) von Batteriezellen (3) der Hochvoltbatterie (2) bestimmt wird und mittels einer Temperiervorrichtung (7) der Hochvoltbatterie (2) eine Wärmeübertagung von den Batteriezellen (3) zu einem Gehäuse (6) der Hochvoltbatterie (2) und/oder von den Batteriezelle (3) zu einer Umgebung (8) der Hochvoltbatterie (2) in Abhängigkeit von der bestimmten thermischen Anforderung (15) gesteuert wird, wobei anhand der Parameter (P1 bis P15) Betriebsdaten (16), welche Zeiten für eine Betrieb des Fahrzeugs (1) und Standzeiten des Fahrzeugs (1) beschreiben, und/oder Lastdaten (17), welche eine für den Betrieb des Fahrzeugs (1) benötigte elektrische Leistung beschreiben, abgeschätzt werden und die thermische Anforderung (15) anhand der Betriebsdaten (16) und/oder der Lastdaten (17) bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs, bei welchem Parameter bestimmt werden, anhand der Parameter eine thermische Anforderung von Batteriezellen der Hochvoltbatterie bestimmt wird und mittels einer Temperiervorrichtung der Hochvoltbatterie eine Wärmeübertragung von den Batteriezellen zu einem Gehäuse der Hochvoltbatterie und/oder von den Batteriezellen zu einer Umgebung der Hochvoltbatterie in Abhängigkeit von der bestimmten thermischen Anforderung gesteuert wird. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Temperiervorrichtung zum Temperieren einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Hochvoltbatterie sowie ein Fahrzeug.
Hochvoltbatterien beziehungsweise elektrochemische Speicher werden üblicherweise zum Speichern von elektrischer Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet. Die Leistungs- sowie Alterungseigenschaften von den elektrochemischen Speichern werden erheblich von dem thermischen Zustand der jeweiligen Batteriezellen der Hochvoltbatterie beeinflusst. Hierzu werden die Batteriezellen durch den Aufbau des Gehäuses der Hochvoltbatterie sowie weiterer technischer Komponenten gekühlt beziehungsweise geheizt. Hierbei unterscheidet man rein luftgekühlte sowie kühl- und kältemittelgekühlte Hochvoltbatterien. Neben der direkten Kühlung der Batteriezellen durch ein Medium beeinflusst aber auch die thermische Isolierung des Gehäuses der Hochvoltbatterie zur Umgebung beziehungsweise Luftanströmung das Abkühlungs- und Aufheizverhalten des Hochvoltspeichers. Dies gilt insbesondere für die Betriebszustände, bei denen keine aktive Temperierung durch ein Kühlmedium vorliegt. Diese Betriebszustände liegen insbesondere vor und nach der Fahrt beziehungsweise dem Betrieb des Fahrzeugs vor. Der Aufbau von Hochvoltspeichereinheiten weist aktuell ein fixes Wärmeübertragungsverhalten beziehungsweise eine definierte thermische Isolierung zur Umgebung auf.
Sobald eine aktive Temperierung durch ein Medium stattfindet, ergibt sich das Wärmeübertragungsverhalten von den Batteriezellen zu der Umgebung aus dem Wärmeleitverhalten des festen Material- und Geometrieaufbaus. In Abhängigkeit von der Nutzung des Fahrzeugs beziehungsweise der Umgebungsbedingungen ist es wünschenswert, die thermischen Isolierungseigenschaften des Gehäuses im Betrieb beziehungsweise vor oder nach einer Fahrt beeinflussen oder ändern zu können.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2009 047 695 A1 ein wärmeisolierendes Gehäusesystem mit einem Gehäuse, das einen Innenraum eingerichtet zur Aufnahme eines Hochleistungsakkumulators aufweist. Das Gehäuse umfasst eine Doppelwand, in der ein Zwischenraum vorgesehen ist, wobei der Zwischenraum über mindestens einen inneren Wärmeabschnitt der Doppelwand mit dem Innenraum wärmeleitend verbunden ist. Zudem ist der Zwischenraum über mindestens einen äußeren Randabschnitt der Doppelwand mit der Umgebung des Gehäuses verbunden. Das Gehäusesystem umfasst ferner eine mit einem Fluidanschluss verbundene Flüssigkeitspumpe. Des Weiteren ist ein Flüssigkeitstank über die Flüssigkeitspumpe mit dem Innenraum verbunden. Durch den Füllstand der Flüssigkeit in dem Zwischenraum zwischen den Wandabschnitten kann eine gesteuerte Kühlung des Hochleistungsakkumulators ermöglicht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, die ein Verfahren zum Temperieren einer Hochvoltbatterie, bei welchem die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und einem Gehäuse gesteuert wird, zuverlässiger durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, durch eine Temperiervorrichtung, durch eine Hochvoltbatterie sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Temperieren einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs. Bei dem Verfahren werden Parameter bestimmt und anhand der Parameter wird eine thermische Anforderung von Batteriezellen der Hochvoltbatterie bestimmt. Darüber hinaus wird mittels einer Temperiervorrichtung der Hochvoltbatterie eine Wärmeübertragung von den Batteriezellen zu einem Gehäuse der Hochvoltbatterie und/oder von den Batteriezellen einer Umgebung der Hochvoltbatterie in Abhängigkeit von der bestimmten thermischen Anforderung gesteuert. Des Weiteren werden anhand der Parameter Betriebsdaten, welche Zeiten für einen Betrieb des Fahrzeugs und Standzeiten des Fahrzeugs beschreiben, und/oder Lastdaten, welche eine für den Betrieb des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung beschreiben, abgeschätzt. Dabei wird die thermische Anforderung anhand der Betriebsdaten und/oder der Lastdaten bestimmt.
Mithilfe des Verfahrens soll die Hochvoltbatterie temperiert werden. Die Hochvoltbatterie kann insbesondere als elektrischer Energiespeicher in dem Fahrzeug verwendet werden. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Hochvoltbatterie umfasst die Mehrzahl von Batteriezellen, welche elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können. Dabei können die Batteriezellen wiederum zu einzelnen Batteriemodulen verbunden sein. Die Batteriezellen sind in dem Gehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet. Mithilfe der Temperiervorrichtung der Hochvoltbatterie kann die Wärmeübertragung, welche zwischen den jeweiligen Batteriezellen und dem Gehäuse der Batterie stattfindet, gesteuert werden. Mit anderen Worten kann das thermische Isolationsverhalten zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse beeinflusst werden. Somit kann einerseits bestimmt werden, welche Wärmemenge von den Batterien an das Gehäuse und somit an die Umgebung abgegeben wird. Zum anderen kann beeinflusst werden, in welchem Umfang die Batteriezellen in Abhängigkeit von den thermischen Bedingungen in der Umgebung des Fahrzeugs beeinflusst werden. Die Temperiervorrichtung kann einen Aktor aufweisen, mit dem die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse variiert werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass mittels der Temperiervorrichtung die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und der Umgebung der Hochvoltbatterie direkt gesteuert wird. Bevorzugt wird mittels der Temperiervorrichtung die Wärmeübertragung von den Batteriezellen zu dem Gehäuse und von dem Gehäuse an die Umgebung gesteuert. Mittels der Temperiervorrichtung kann also die thermische Isolierung zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse beziehungsweise der Umgebung beeinflusst werden. Zudem kann die Temperiervorrichtung eine entsprechende Steuereinrichtung zum Ansteuern des Aktors aufweisen. Mit dieser Steuereinrichtung kann zudem die thermische Anforderung für die Batteriezelle bestimmt werden. Diese thermische Anforderung beschreibt insbesondere, auf welcher Weise beziehungsweise in welchem Umfang die Batteriezellen geheizt beziehungsweise gekühlt werden sollen. Diese thermische Anforderung kann mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern bestimmt werden.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass auf Grundlage der Parameter Betriebsdaten bestimmt werden, welche Zeiten für den Betrieb des Fahrzeugs und Standzeiten des Fahrzeugs beschreiben. Diese Betriebsdaten können also einen Zeitpunkt beschreiben, welcher einen Beginn des Betriebs beziehungsweise der Fahrt des Fahrzeugs beschreiben. Darüber hinaus können Betriebsdaten eine Zeitdauer für den Betrieb des Fahrzeugs beschreiben. Des Weiteren beschreiben die Betriebsdaten zeitliche Informationen für Standzeiten zwischen dem Betrieb des Fahrzeugs. Diese Standzeiten beschreiben insbesondere die jeweilige Zeitdauer, während der das Fahrzeug nicht im Betrieb ist, also abgestellt beziehungsweise geparkt ist. Des Weiteren können anhand der Parameter die Lastdaten bestimmt werden, welche beschreiben, welche elektrische Leistung beziehungsweise welche elektrische Energie während des Betriebs beziehungsweise während der Fahrt des Fahrzeugs benötigt werden. Insbesondere beschreiben die Lastdaten die elektrische Leistung, die während des Betriebs des Fahrzeugs von der Hochvoltbatterie bereitgestellt werden soll. Wenn nun anhand der Parameter abgeschätzt wird, wann und/oder für welche Zeitdauer das Fahrzeug voraussichtlich betrieben wird und welche elektrische Leistung hierbei benötigt wird, kann die thermische Anforderung für die Hochvoltbatterie präzise abgeschätzt werden. Aus den ermittelten Parametern werden also funktionale Zusammenhänge hergeleitet, um die Wärmeübertragung von den Batteriezellen an das Gehäuse und somit die Umgebung einstellen zu können. Dies kann im Vorfeld berücksichtigt werden und somit die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen und dem Gehäuse auf effiziente und zuverlässige Weise gesteuert werden. Insgesamt kann somit die Hochvoltbatterie auf zuverlässige Weise temperiert werden.
Bevorzugt werden anhand der Parameter Alterungsdaten, welche eine Alterung der Batteriezellen in Abhängigkeit von der Temperatur beschreiben, abgeschätzt und die thermische Anforderung wird zusätzlich anhand der Alterungsdaten bestimmt. Diese Alterungsdaten beschreiben insbesondere eine thermische Belastung, die auf die Batteriezellen wirkt. Wenn nun auf Grundlage der Parameter die Betriebsdaten, die Lastdaten und/oder die Alterungsdaten bestimmt werden, kann die thermische Anforderung für die Batteriezellen auf präzise Weise bestimmt werden. Mittels der Temperiervorrichtung kann dann in Abhängigkeit von dieser bestimmten thermischen Anforderung das Wärmeübertragungsverhalten von den Speicherzellen zur Umgebung präzise variiert werden.
In einer Ausführungsform werden zum Abschätzen der Alterungsdaten als die Parameter eine aktuelle Temperatur der Batteriezellen, eine Außentemperatur und/oder gespeicherte Temperaturwerte, welche einen Temperaturverlauf der Batteriezellen beschreiben, bestimmt. Die Alterungsdaten werden maßgeblich durch die Temperatur der Batteriezellen selbst sowie die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Als Parameter zum Bestimmen der Alterungsdaten kann die aktuelle Temperatur der Batteriezellen bestimmt werden. Dies kann mithilfe eines entsprechenden Temperatursensors der Hochvoltbatterie durchgeführt werden. Des Weiteren kann als Parameter die aktuelle Außentemperatur in der Umgebung des Fahrzeugs beziehungsweise der Hochvoltbatterie bestimmt werden. Zu diesem Zweck kann ein entsprechender Temperatursensor des Fahrzeugs genutzt werden. Zudem kann als Parameter ein Temperaturverlauf berücksichtigt werden. Dieser Temperaturverlauf kann die historische Speichertemperatur beschreiben. Beispielsweise kann die aktuelle Temperatur der Batteriezellen fortlaufend bestimmt und gespeichert werden. Somit liegen Historiendaten vor, welche beispielsweise beschreiben, für welche Zeitdauer die Batteriezellen auf welcher Weise thermisch belastet wurden. Somit kann beispielsweise eine bereits vorhandene thermische Alterung der Batterie berücksichtigt werden.
Bevorzugt werden die Betriebsdaten nach einem Abstellen des Fahrzeugs für eine Folgefahrt bestimmt. Anhand der Parameter kann also abgeschätzt werden, zu welchem Zeitpunkt und/oder für welche Zeitdauer das Fahrzeug bei einer zukünftigen Fahrt beziehungsweise der Folgefahrt betrieben wird. Ferner kann nach dem Abstellen noch abgeschätzt werden, wie lange die Standzeit des Fahrzeugs andauern wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass auch die Lastdaten und/oder die Alterungsdaten nach dem Abstellen des Fahrzeugs für die Folgefahrt bestimmt werden. Somit kann die zukünftige thermische Anforderung für die Folgefahrt bereits abgeschätzt werden und dies für eine entsprechende Ansteuerung der Temperiervorrichtung berücksichtigt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn zum Abschätzen der Betriebsdaten als die Parameter eine aktuelle Uhrzeit, eine aktuelle Position des Fahrzeugs, ein Ladezustand der Batteriezellen, eine Verbindung der Hochvoltbatterie mit einer Ladestation, eine Kalenderinformation eines Nutzers des Fahrzeugs und/oder ein Nutzerprofil des Nutzers bestimmt werden. Auf Grundlage dieser Parameter soll abgeschätzt werden, zu welchem Zeitpunkt und/oder für welche Zeitdauer das Fahrzeug betrieben wird beziehungsweise zu welchem Zeitpunkt und/oder für welche Zeitdauer sich das Fahrzeug im Stillstand befindet. Als Parameter kann hierzu die aktuelle Uhrzeit berücksichtigt werden. Auf Grundlage der aktuellen Uhrzeit kann beispielsweise abgeschätzt werden, ob das Fahrzeug innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer wieder bewegt wird. Wenn beispielsweise das Fahrzeug am späten Abend abgestellt wird, kann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass der Nutzer beziehungsweise der Fahrer wahrscheinlich erst am nächsten Morgen eine Folgefahrt antreten wird. Zusätzlich zu der aktuellen Uhrzeit kann auch eine Tageszeit und/oder ein Wochentag berücksichtigt werden. Hieraus kann beispielsweise abgeleitet werden, dass der Nutzer beziehungsweise der Fahrer wochentags am Vormittag mit dem Fahrzeug zur Arbeit fährt und es dort für eine vorbestimmte Zeitdauer abstellt. Ferner kann die aktuelle Position als Parameter berücksichtigt werden. Wie bereits erläutert, kann hierbei berücksichtigt werden, dass sich der Nutzer zuhause oder an seinem Arbeitsplatz befindet und dort für längere Zeit verweilen wird. Ferner kann anhand der aktuellen Position beispielsweise abgeschätzt werden, dass der Nutzer einen kurzzeitigen Zwischenstopp, beispielsweise zum Einkaufen oder dergleichen, vorsieht. Als weiterer Parameter kann der Ladezustand der Batteriezellen beziehungsweise die aktuelle Ladeleistung berücksichtigt werden. Hieraus kann abgeleitet werden, welche Strecke mit dem Fahrzeug zurückgelegt werden kann beziehungsweise für welche Zeitdauer das Fahrzeug betrieben werden kann. Als weiterer Parameter kann die Verbindung des Fahrzeugs beziehungsweise der Hochvoltbatterie mit einer Ladestation erfasst werden. Als weiterer Parameter kann hierbei eine voraussichtliche Ladedauer bestimmt werden. Als weitere Parameter können auch ein Nutzerprofil, welches ein übliches Verhalten des Nutzers beziehungsweise des Fahrers beschreibt, und/oder Kalenderinformationen herangezogen werden. Diese Kalenderinformationen können beispielsweise von einem Kalender des Nutzers ermittelt werden. Somit können die Betriebsdaten auf zuverlässige Weise abgeschätzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden zum Abschätzen der Lastdaten als die Parameter eine aktuelle Zuladung des Fahrzeugs, eine Verbindung des Fahrzeugs mit einem Anhänger, ein aktuelles Verkehrsaufkommen in der Umgebung des Fahrzeugs, eine Information über eine geplante Fahrroute und/oder eine Information über eine Abfahrt bestimmt. Um die benötigte elektrische Leistung während des Betriebs des Fahrzeugs bestimmen zu können, können als Parameter Informationen bezüglich der aktuellen Zuladung des Fahrzeugs bestimmt werden. Diese Zuladung kann die Anzahl der Insassen in dem Fahrzeug und/oder eine Beladung des Fahrzeugs beschreiben. Bei einer höheren Zuladung kann mit einem höheren Leistungsbedarf gerechnet werden. Dies gilt in gleicher Weise, wenn das Fahrzeug mit dem Anhänger verbunden ist. Um die Lastdaten abschätzen zu können, können auch Informationen über eine geplante Fahrroute verwendet werden, die beispielsweise von einem Navigationssystem empfangen werden. Ferner können Verkehrsinformationen bestimmt werden, welche das Verkehrsaufkommen in der Umgebung des Fahrzeugs beschreiben. Wenn in der Umgebung des Fahrzeugs beispielsweise ein erhöhtes Verkehrsaufkommen vorhanden ist, kann mit einem höheren Leistungsbedarf gerechnet werden. Somit können die Lastdaten insbesondere zuverlässig bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden anhand der Parameter Fehlerdaten bestimmt, welche einen fehlerhaften Zustand zumindest einer der Batteriezellen beschreiben, und die thermische Anforderung wird zusätzlich anhand der Fehlerdaten bestimmt. Zusätzlich zu den Alterungsdaten können auch die Fehlerdaten bestimmt werden. Diese können beispielsweise anhand einer Diagnosefehlfunktion eines Temperatursensors der Batterie bestimmt werden. Wenn diese Fehlerdaten zusätzlich bestimmt werden, welche zum Schutz der Hochvoltbatterie beziehungsweise der Batteriezellen dienen, kann die Batterie auf zuverlässige Weise temperiert werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn eine Kühlung der Batteriezellen mit einer Kühlvorrichtung erkannt wird und die thermische Anforderung zusätzlich anhand der Kühlung der Batteriezellen mittels der Kühleinrichtung bestimmt wird. Die Kühlvorrichtung kann dazu dienen, die Batteriezellen beziehungsweise die Hochvoltbatterie mit einem Kühlmittel und/oder einem Kältemittel zu temperieren. Wenn eine derartige Kühlung erkannt wird, kann dies bei der Bestimmung der thermischen Anforderung berücksichtigt werden. Es kann also erkannt werden, ob die Batteriezellen oder die Hochvoltbatterie mit der Kühleinrichtung gekühlt wird oder nicht. Dies kann bei der Bestimmung der thermischen Anforderung berücksichtigt werden. Ferner kann überprüft werden, ob die Möglichkeit zum Wiederaufheizen der Hochvoltbatterie beziehungsweise der Batteriezellen durch eine Infrastruktur besteht. Beispielsweise kann ein Durchlauferhitzer bei der Verbindung der Hochvoltbatterie mit einer Ladestation betrieben werden. Somit kann eine ökonomische Konditionierung durch die Infrastruktur erkannt werden und bei der Bestimmung der thermischen Anforderung berücksichtigt werden.
Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung dient zum Temperieren einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs. Die Temperiervorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung zum Bestimmen von Parametern und einer thermischen Anforderung der Batteriezellen der Hochvoltbatterie anhand der Parameter. Des Weiteren umfasst die Temperiervorrichtung einen Aktor zum Steuern einer Wärmeübertragung von den Batteriezellen zu einem Gehäuse der Hochvoltbatterie und/oder von den Batteriezellen zu einer Umgebung der Hochvoltbatterie, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Aktor in Abhängigkeit von der bestimmten thermischen Anforderung anzusteuern. Dabei ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der Parameter Betriebsdaten, welche Zeiten für einen Betrieb des Fahrzeugs und Standzeiten des Fahrzeugs beschreiben, und/oder Lastdaten, welche eine für den Betrieb des Fahrzeugs benötigte elektrische Leistung beschreiben, abzuschätzen. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die thermische Anforderung anhand der Betriebsdaten und/oder der Lastdaten zu bestimmen.
Bevorzugt weist der Aktor ein Stellelement und ein Wärmleitelement auf, wobei das Stellelement dazu ausgelegt ist, einen Abstand zwischen dem Wärmeleitelement sowie einem Modulgehäuse, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind, und dem Gehäuse zu verändern. Die jeweiligen Batteriezellen können in einem oder mehreren Modulgehäusen angeordnet sein. Dieses zumindest eine Modulgehäuse ist dann wiederum in dem Gehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet. Mithilfe des Aktors kann die Wärmeübertragung zwischen dem Modulgehäuse und dem Gehäuse der Hochvoltbatterie beziehungsweise dem Speichergehäuse variiert werden. Sowohl das Modulgehäuse als auch das Speichergehäuse können entsprechende Vorsprünge aufweisen, zwischen denen das Wärmeleitelement angeordnet sein kann. Dieses Wärmeleitelement weist eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Mit dem Stellelement, das nach Art einer Schraube ausgebildet sein kann, kann dann der Abstand zwischen dem Wärmeleitelement einerseits sowie dem Modulgehäuse und dem Gehäuse andererseits gesteuert werden. Wenn das Wärmeleitelement beispielsweise einen vorbestimmten Abstand zu dem Modulgehäuse und/oder dem Gehäuse aufweist, ergibt sich eine geringe thermische Ableitung durch das Gehäuse und somit eine hohe thermische Isolation. Wenn das Wärmeleitelement sowohl mit dem Modulgehäuse als auch mit dem Speichergehäuse in Kontakt ist, ergibt sich eine hohe thermische Ableitung durch den Kontakt des Modulgehäuses und des Speichergehäuses mit dem Wärmeleitelement und somit eine geringe thermische Isolation.
Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung. Außerdem umfasst die Hochvoltbatterie die Mehrzahl von Batteriezellen, die in einem oder mehreren Modulgehäusen angeordnet sind. Die jeweiligen Modulgehäuse mit den darin angeordneten Batteriezellen bilden ein Batteriemodul. Die jeweiligen Batteriemodule sind wiederum in dem Gehäuse beziehungsweise dem Speichergehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere ist das Fahrzeug als Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung, für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie sowie für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug, welches eine Hochvoltbatterie umfasst;
2 eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie, welche eine Temperiervorrichtung zum Steuern einer Wärmeübertragung zwischen Batteriezellen der Hochvoltbatterie und einem Gehäuse der Hochvoltbatterie aufweist;
3 einen Aktor der Temperiervorrichtung in einem ersten Zustand;
4 den Aktor der Temperiervorrichtung in einem zweiten Zustand; und
5 ein Funktionsdiagramm, welches ein Verfahren zum Temperieren der Hochvoltbatterie veranschaulicht.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fahrzeug 1, welches vorliegend als Personenkraftwagen ausgebildet ist. Bei dem Fahrzeug 1 handelt es sich um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Fahrzeug 1 umfasst eine Hochvoltbatterie 2, mittels welcher elektrische Energie zur Versorgung des elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs 1 bereitgestellt werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Hochvoltbatterie 2, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen 3 aufweist. In dem vorliegenden Beispiel sind die Batteriezellen 3 zu zwei Batteriemodulen 4 zusammengefasst. Dabei sind die Batteriezellen 3 eines Batteriemoduls 4 jeweils in einem Modulgehäuse 5 angeordnet. Des Weiteren sind die jeweiligen Batteriemodule 4 beziehungsweise die Modulgehäuse 5 in einem Gehäuse 6 beziehungsweise einem Speichergehäuse der Hochvoltbatterie 2 angeordnet.
Darüber hinaus umfasst die Hochvoltbatterie 2 eine Temperiervorrichtung 7. Mittels der Temperiervorrichtung 7 kann eine Wärmeübertragung von den Batteriezellen 3 zu dem Gehäuse 6 und somit an eine Umgebung 8 der Hochvoltbatterie 2 gesteuert werden. Die Temperiervorrichtung 7 umfasst eine Steuereinrichtung 9 sowie zumindest einen Aktor 10. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Temperiervorrichtung 7 zwei Aktoren 10. Mithilfe der Aktoren 10 kann die jeweilige Wärmeübertragung zwischen den Modulgehäusen 5 und dem Gehäuse 6 variiert beziehungsweise gesteuert werden.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Aktors 10 in einer schematischen Darstellung. Vorliegend weist das Modulgehäuse 5 einen Vorsprung 11 beziehungsweise eine Erhebung auf und das Gehäuse 6 weist einen Vorsprung 12 beziehungsweise eine Erhebung auf. Der Aktor 10 umfasst ein Wärmeleitelement 13, welches zwischen den Vorsprüngen 11, 12 angeordnet ist. Das Wärmeleitelement 13 ist aus einem Material mit einer hohen Wärmleitfähigkeit gefertigt. Beispielsweise kann das Wärmeleitelement 13 aus einem Metall gefertigt sein. Zudem weist der Aktor 10 ein Stellelement 14 auf, welches vorliegend nach Art einer Schraube ausgebildet ist. Mithilfe des Stellelements 14 kann der Abstand zwischen dem Wärmeleitelement 13 sowie dem Modulgehäuse 5 und dem Gehäuse 6 verändert werden.
Das Wärmeleitelement 13 kann nach Art einer thermisch leitenden Scheibe ausgebildet sein. Das Stellelement 14 ist vorliegend nach Art einer Schraube beziehungsweise Schraubverbindung ausgebildet. Je nachdem, ob nun die Schraubverbindung angezogen wird, kann hierdurch die thermische Isolation verringert oder erhöht werden. In dem Beispiel von 3 weist das Wärmeleitelement 13 einen vorbestimmten Abstand zu dem Gehäuse 6 beziehungsweise dem Vorsprung 12 auf. Im Vergleich hierzu zeigt 4 einen Zustand, bei welchem das Wärmeleitelement 13 sowohl mit dem Modulgehäuse 5 als auch mit dem Gehäuse 6 in Kontakt ist. In dem Fall ergibt sich eine geringe thermische Isolierung, wodurch die Wärme der Batteriezellen 3 durch das Gehäuse 6 nach außen an die Umgebung 8 abgeführt werden kann.
Mithilfe der Steuereinrichtung 9 der Temperiervorrichtung 7 kann nun eine thermische Anforderung 15 bestimmt werden, in Abhängigkeit von der mittels der Steuereinrichtung 9 die Aktoren 10 angesteuert werden und somit die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 3 und dem Gehäuse 6 gesteuert wird. Die Bestimmung der thermischen Anforderung 15 ist in dem Funktionsdiagramm gemäß 5 veranschaulicht. Dabei ist es vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Parametern P1 bis P15 zur Bestimmung der thermischen Anforderung 15 bestimmt werden. Aufgrund der Parameter P1 bis P15 werden Betriebsdaten 16 bestimmt. Diese Betriebsdaten 16 beschreiben Zeiten, an denen das Fahrzeug 1 betrieben wird und Standzeiten, an denen das Fahrzeug 1 steht beziehungsweise abgestellt ist. Zum Bestimmen der Betriebsdaten 16 wird als Parameter P1 die aktuelle Uhrzeit bestimmt. Auf Grundlage der aktuellen Uhrzeit kann abgeschätzt werden, ob das Fahrzeug 1 zukünftig betrieben wird oder ob es für längere Zeit still steht beziehungsweise geparkt wird. Als weiterer Parameter P2 wird die aktuelle Position des Fahrzeugs 1 bestimmt. Unter Berücksichtigung der Parameter P1 und P2 kann beispielsweise erkannt werden, dass das Fahrzeug 1 abends an einem Wohnort des Nutzers abgestellt wird. Somit kann davon ausgegangen werden, dass das Fahrzeug 1 eine längere Zeitdauer abgestellt bleibt. Als weiterer Parameter P3 kann der aktuelle Ladezustand der Batteriezellen 3 bestimmt werden. Somit kann abgeleitet werden, ob aktuell eine Fahrt mit dem Fahrzeug 1 möglich ist und welche Strecke mit dem Fahrzeug 1 zurückgelegt werden kann. Ferner kann als Parameter P4 bestimmt werden, ob die Hochvoltbatterie 2 oder das Fahrzeug 1 mit einer Ladesäule verbunden ist. Hierbei kann ferner die voraussichtliche Ladedauer ermittelt werden. Als weiterer Parameter P5 kann eine Kalenderinformation des Nutzers beziehungsweise des Fahrers des Fahrzeugs 1 herangezogen werden, um die Betriebsdaten 16 zu bestimmen. Als weiterer Parameter P6 kann hier auch ein Nutzerprofil verwendet werden, welches das typische Fahrverhalten des Nutzers beschreibt.
Des Weiteren werden Lastdaten 17 bestimmt, welche die benötigte elektrische Leistung bei einer Fahrt mit dem Fahrzeug 1 beschreiben. Zur Bestimmung der Lastdaten 17 kann als Parameter P11 eine Information über die Abfahrt bestimmt werden. Ferner kann als Parameter P12 die Information empfangen werden, ob das Fahrzeug 1 mit einem Anhänger verbunden ist. Als Parameter P13 können Routeninformationen für eine zukünftige Fahrt empfangen werden. Ferner kann als Parameter P14 ein aktuelles Verkehrsaufkommen in der Umgebung des Fahrzeugs 1 ermittelt werden. Schließlich kann als Parameter P15 die aktuelle Zuladung des Fahrzeugs 1 bestimmt werden.
Darüber hinaus werden Alterungsdaten 18 ermittelt. Zur Bestimmung der Alterungsdaten 18 kann als Parameter P7 beispielsweise die aktuelle Temperatur der Batteriezellen 3 beziehungsweise der Hochvoltbatterie 2 herangezogen werden. Ferner kann als Parameter P8 eine Diagnose für die Funktion eines Temperatursensors ermittelt werden. Außerdem kann als Parameter P9 eine Historie der Speichertemperatur beziehungsweise der Temperatur der Batteriezellen 3 ermittelt werden. Schließlich können die Alterungsdaten 18 anhand des Parameters P10 bestimmt werden, der die aktuelle Außentemperatur beziehungsweise die Temperatur der Umgebung 8 der Hochvoltbatterie 2 beschreibt. Die Betriebsdaten 16, die Lastdaten 17 und/oder die Alterungsdaten 18 werden nun verwendet, um die thermische Anforderung 15 der Batteriezellen 3 zu bestimmen und die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 3 und dem Gehäuse 6 mittels der Temperiervorrichtung 7 zu steuern. Anhand der einzelnen Parameter P1 bis P15 werden funktionale Zusammenhänge bestimmt, auf Grundlage derer die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 3 und dem Gehäuse 6 und damit an die Umgebung 8 vorgegeben wird.
Nachfolgend werden die Anwendungsfälle beschrieben, bei denen eine hohe thermische Isolierung zwischen den Batteriezellen 3 und dem Gehäuse 6 wünschenswert sind. Für die nachfolgenden Betriebspunkte und Anwendungsfälle ist es wünschenswert, die Hochvoltbatterie 2 möglichst gut thermisch von ihrer Umgebung 8 zu isolieren.
Ein Beispiel ist die sogenannte Kaltabfahrt: Für den Fall einer Abfahrt mit kalter Hochvoltbatterie 2 und/oder einer kalten Umgebungstemperatur ist es wünschenswert, die Hochvoltbatterie 2 beziehungsweise die Batteriezellen 3 möglichst schnell aufzuheizen und in ein gewünschtes Temperaturfenster zu bringen. Hierfür ist es vorteilhaft, die Aufheizung durch eine möglichst gute thermische Isolation zu unterstützen.
Ein weiteres Beispiel ist die Wärmehaltung bei aufeinanderfolgenden Fahrten: Um ein erneutes Aufheizen einer kalten Hochvoltbatterie 2 auf eine Wunsch-Fahrtemperatur bei Antritt einer Folgefahrt zu vermeiden, ist es wünschenswert, die entstandene Wärme einer vorhergehenden Fahrt zu nutzen. Dies eignet sich insbesondere, falls die vorliegende Temperatur am Ende der Vorfahrt nicht zu hoch, beispielsweise höher als 40 °C, war und die Dauer nicht zu hoch war. Somit kann die kalendarische Alterung durch beschleunigte Zersetzungsprozesse der Zellchemie bei längerem Anliegen höherer Temperaturen vermieden werden.
Ein weiteres Beispiel, bei dem eine hohe thermische Isolierung wünschenswert ist, ist ein Anwendungsfall, bei dem eine Folgefahrt wahrscheinlich ist und keine ökonomische Konditionierung durch eine Infrastruktur vorhanden ist: Für den Fall, dass eine Folgefahrt in zeitlich kurzem Abstand, beispielsweise kleiner als zwölf Stunden, erwartet werden kann und keine effiziente und keine kostengünstige Möglichkeit zum Wiederaufheizen des Speichers durch die Infrastruktur (zum Beispiel Durchlauferhitzer und Stromversorgung über Ladestation). In diesem Fall ist es wünschenswert, die Wärme im Speicher zu erhalten, damit das System keine Eigenmaßnahmen zur Aufheizung des Speichers unternehmen muss, die zu einer Verringerung der Reichweite führen würde. Ein Beispiel hierfür wäre ein Fahrzeug 1, das in einer kalten Umgebung geparkt wird und bei dem keine externe Stromzufuhr vorhanden ist.
Ein weiteres Beispiel ist eine Fahrt in kalter Umgebung: Wie zuvor beschrieben, ist es bei kalter Umgebung auch nach der Kaltabfahrt im regulären Fahrbetrieb zweckmäßig, die Hochvoltbatterie 2 in einem betriebseffizienten, wärmeren Temperaturfenster, beispielsweise zwischen 25 und 35 °C, zu halten. Für den Fall, dass keine hohe Leistungsanforderung die Kühlung erforderlich macht, ist eine möglichst hohe Selbsterhaltung des höheren Temperaturniveaus durch gesteigerte thermische Isolierung zur Umgebung wünschenswert. Die reduzierten Innenwiderstände der Batteriezellen 3 begünstigen das Reichweitenverhalten des Fahrzeugs 1.
Ein weiteres Beispiel, bei dem eine hohe thermische Isolierung wünschenswert ist, ist die sogenannte Heißlandfahrt, welche beispielsweise bei einer hohen Umgebungstemperatur größer als 35 °C vorliegt. Hierbei soll das passive Aufheizen im Stand reduziert werden. Falls das Fahrzeug 1 in einem Heißland parkt, ist es wünschenswert, die Hochvoltbatterie 2 nicht übermäßig durch die Umgebung aufheizen zu lassen. Dies gilt vorwiegend für Regionen, in denen die durchschnittliche Temperatur oberhalb des gewünschten Temperaturfensters für einen effizienten Betrieb der Hochvoltbatterie 2 liegt. Hierbei ist es dabei hilfreich, die thermische Isolierung im abgestellten Zustand möglichst hoch zu halten.
Nachfolgend werden Beispiele beziehungsweise Betriebszustände aufgezählt, bei denen eine niedrige thermische Isolierung wünschenswert ist. Ein Beispiel wäre die dynamische Fahrt in heißer Umgebung: Für eine dynamische Fahrt unter hoher Belastung und/oder bei höheren Außentemperaturen ist es wünschenswert, zusätzlich zu einer zugeführten thermischen Leistung (aktive Kühlung) eine möglichst gute Wärmeabfuhr der in der Hochvoltbatterie 2 entstehenden Wärme zur Umgebung 8 durch eine geringe Isolierung sicherzustellen.
Ein weiteres Beispiel ist der Betriebszustand, in dem eine längere Standzeit erkannt wird beziehungsweise erkannt wird, dass keine Folgefahrt vorgesehen ist. Für den Fall, dass eine Folgefahrt für einen längeren Zeitraum, beispielsweise mehr als zwölf Stunden, ausgeschlossen werden kann, ist es wünschenswert, zur Reduzierung der kalendarischen Alterung die Temperatur der Hochvoltbatterie 2 schnellstmöglich effizient zu senken. Daher ist für diesen Fall eine niedrige thermische Isolierung wünschenswert, welche zu einem schnellen Auskühlen der Batteriezellen 3 führt.
Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem eine niedrige thermische Isolierung wünschenswert ist, ist ein Zustand, bei dem eine Folgefahrt möglich ist, aber eine ökonomische Konditionierung durch die Infrastruktur gewährleistet ist: Für den Fall, dass eine Folgefahrt in zeitlich kurzem Abstand, beispielsweise geringer als zwölf Stunden, erwartet werden kann - allerdings ein effizientes und für den Fahrer kostengünstiges Wiederaufheizen der Batteriezellen 3 gewährleistet werden kann (zum Beispiel Durchlauferhitzer und Stromversorgung über Ladestation) - ist es wie im vorliegenden Fall wünschenswert, zur Verringerung der kalendarischen Alterung die Hochvoltbatterie 2 schnellstmöglich durch Reduzierung der thermischen Isolierung auszukühlen.
Ein weiteres Beispiel, bei dem eine geringe thermische Isolierung wünschenswert ist, ist das gezielte Ansteuern einer thermischen Isolierung aufgrund einer Anforderung zur funktionalen Sicherheit: Für den Fall, dass aus Gründen der funktionalen Sicherheit eine gewünschte schnelle Abkühlung des Speichers nach oder während einer Fahrt gewünscht ist, soll die Isolierung bei einem solchen Bedarfsfall mittels der Temperiervorrichtung 7 reduziert werden. Dieser Fall kann beispielsweise bei einer erkannten Fehlfunktion von Temperatursensoren, welche zu einem Fehler in der Zustandserkennung führen, vorhanden sein.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Hochvoltbatterie
3: Batteriezelle
4: Batteriemodul
5: Modulgehäuse
6: Gehäuse
7: Temperiervorrichtung
8: Umgebung
9: Steuereinrichtung
10: Aktor
11: Vorsprung
12: Vorsprung
13: Wärmeleitelement
14: Stellelement
15: thermische Anforderung
16: Betriebsdaten
17: Lastdaten
18: Alterungsdaten
P1 bis P15: Parameter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009047695 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Temperieren einer Hochvoltbatterie (2) eines Fahrzeugs (1), bei welchem Parameter (P1 bis P15) bestimmt werden, anhand der Parameter (P1 bis P15) eine thermische Anforderung (15) von Batteriezellen (3) der Hochvoltbatterie (2) bestimmt wird und mittels einer Temperiervorrichtung (7) der Hochvoltbatterie (2) eine Wärmeübertagung von den Batteriezellen (3) zu einem Gehäuse (6) der Hochvoltbatterie (2) und/oder von den Batteriezellen (3) zu einer Umgebung (8) der Hochvoltbatterie (2) in Abhängigkeit von der bestimmten thermischen Anforderung (15) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Parameter (P1 bis P15) Betriebsdaten (16), welche Zeiten für eine Betrieb des Fahrzeugs (1) und Standzeiten des Fahrzeugs (1) beschreiben, und/oder Lastdaten (17), welche eine für den Betrieb des Fahrzeugs (1) benötigte elektrische Leistung beschreiben, abgeschätzt werden und die thermische Anforderung (15) anhand der Betriebsdaten (16) und/oder der Lastdaten (17) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Parameter (P1 bis P15) Alterungsdaten (18), welche eine Alterung der Batteriezellen (3) in Abhängigkeit von der Temperatur beschreiben, abgeschätzt werden und die thermische Anforderung (15) zusätzlich anhand der Alterungsdaten (18) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschätzen der Alterungsdaten (18) als die Parameter (P1 bis P15) eine aktuelle Temperatur der Batteriezellen (3), eine Außentemperatur und/oder gespeicherte Temperaturwerte, welchen eine Temperaturverlauf der Batteriezellen (3) beschreiben, bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten (16) nach einem Abstellen des Fahrzeugs (1) für eine Folgefahrt bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschätzen der Betriebsdaten (16) als die Parameter (P1 bis P15) eine aktuelle Uhrzeit, eine aktuelle Position des Fahrzeugs (1), ein Ladezustand der Batteriezellen (3), eine Verbindung der Hochvoltbatterie (2) mit einer Ladestation, eine Kalenderinformation eines Nutzers des Fahrzeugs (1) und/oder ein Nutzerprofil des Nutzers bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschätzen der Lastdaten (17) als die Parameter (P1 bis P15) eine aktuelle Zuladung des Fahrzeugs (1), eine Verbindung des Fahrzeugs (1) mit einem Anhänger, ein aktuelles Verkehrsaufkommen in einer Umgebung des Fahrzeugs (1), eine Information über eine geplante Fahrroute und/oder eine Information über eine Abfahrt bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Parameter (P1 bis P15) Fehlerdaten bestimmt werden, welche einen fehlerhaften Zustand zumindest einer der Batteriezellen (3) beschreiben, und die thermische Anforderung (15) zusätzlich anhand der Fehlerdaten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung der Batteriezellen (3) mit einer Kühlvorrichtung erkannt wird und die thermische Anforderung (15) zusätzlich anhand der Kühlung der Batteriezellen (3) mittels der Kühlvorrichtung bestimmt wird.
Temperiervorrichtung (7) zum Temperieren einer Hochvoltbatterie (2) eines Fahrzeugs (1), mit einer Steuereinrichtung (9) zum Bestimmen von Parametern (P1 bis P15) und einer thermischen Anforderung (15) von Batteriezellen (3) der Hochvoltbatterie (1) anhand der Parameter (P1 bis P15) und mit einem Aktor (10) zum Steuern einer Wärmeübertagung von den Batteriezellen (3) zu einem Gehäuse (6) der Hochvoltbatterie (2) und/oder von den Batteriezellen (3) zu einer Umgebung (8) der Hochvoltbatterie (2), wobei die Steuereinrichtung (9) dazu ausgelegt ist, den Aktor (10) in Abhängigkeit von der bestimmten thermischen Anforderung (15) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, anhand der Parameter (P1 bis P15) Betriebsdaten (16), welche Zeiten für eine Betrieb des Fahrzeugs (1) und Standzeiten des Fahrzeugs (1) beschreiben, und/oder Lastdaten (17), welche eine für den Betrieb des Fahrzeugs (1) benötigte elektrische Leistung beschreiben, abzuschätzen und die thermische Anforderung (15) anhand der Betriebsdaten (16) und/oder der Lastdaten (17) zu bestimmen.
Temperiervorrichtung (7) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) ein Stellelement (14) und ein Wärmeleitelement (13) aufweist, wobei das Stellelement (14) dazu ausgelegt ist, einen Abstand zwischen dem Wärmeleitelement (13) sowie einem Modulgehäuse (5), in welchem die Batteriezellen (3) angeordnet sind, und dem Gehäuse (5) zu verändern.
Hochvoltbatterie (2) für ein Fahrzeug (1) mit einer Temperiervorrichtung (7) nach Anspruch 9 oder 10.
Fahrzeug (1) mit einer Hochvoltbatterie (2) nach Anspruch 11.