DE102019100710A1

DE102019100710A1 - Prädiktives batterie-wärmemanagementsystem

Info

Publication number: DE102019100710A1
Application number: DE102019100710.0A
Authority: DE
Inventors: Matthew Allen TOMAI; Zachary MARCH
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2019-01-12
Publication date: 2019-07-18
Also published as: US11342603B2; US20190221899A1; CN110048181A

Abstract

Die Offenbarung stellt ein „PRÄDIKTIVES BATTERIE-WARMEMANAGEMENTSYSTEM“ bereit. Ein Fahrzeug beinhaltet eine Antriebsbatterie und ein Batteriekühlsystem, das zum Kühlen der Batterie angeordnet ist. Eine Steuerung des Fahrzeugs ist programmiert, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Stromschwellenwert überschreitet und eine Temperatur der Batterie, die niedriger als ein Temperaturschwellenwert ist, das Batteriekühlsystem zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Steuerstrategie und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlers eines Batterie-Kühlmittelsystems und insbesondere Steuerungen und Verfahren, die Temperaturanstiege in der Batterie erwarten und die Batterie basierend auf dem erwarteten Temperaturanstieg proaktiv kühlen.
STAND DER TECHNIK
Die Notwendigkeit, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von Autos und anderen Fahrzeugen zu reduzieren, ist bekannt. Es werden Fahrzeuge entwickelt, die die Abhängigkeit von Verbrennungsmotoren reduzieren oder ganz beseitigen. Elektro- und Hybridfahrzeuge sind eine Art von Fahrzeugen, die derzeit für diesen Zweck entwickelt werden. Elektro- und Hybridfahrzeuge beinhalten einen Antriebsmotor, der von einer Antriebsbatterie betrieben wird. Die Antriebsbatterie benötigt ein Wärmemanagementsystem, um die Temperatur der Batteriezellen wärmezuregeln.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug eine Antriebsbatterie und ein Batteriekühlsystem, das zum Kühlen der Batterie angeordnet ist. Eine Steuerung des Fahrzeugs ist programmiert, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Stromschwellenwert überschreitet und eine Temperatur der Batterie, die niedriger als ein Temperaturschwellenwert ist, das Batteriekühlsystem zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug eine Antriebsbatterie und ein Kühlsystem, das einen Kompressor, einen Kondensator, einen Batteriekühler und einen Kabinenverdampfer beinhaltet. Ferner beinhaltet das Fahrzeug ein Kühlmittelsystem, das eine Leitung aufweist, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch den Kühler und die Batterie zu zirkulieren. Eine Steuerung ist programmiert, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Schwellenwert überschreitet, den Batteriekühler zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.
Nach noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Steuern eines Wärmemanagementsystems einer Antriebsbatterie in Fluidverbindung mit einem Kühler vorgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Zirkulieren von Kältemittel und Kühlmittel durch den Kühler als Reaktion darauf, dass das Kühlmittel unter einem Temperaturschwellenwert liegt und der Strom der Antriebsbatterie einen Schwellenwert für den elektrischen Strom überschreitet.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Hybridfahrzeugs.
2 ist eine schematische Darstellung eines Batterie-Wärmemanagementsystems und eines Klimasteuerungssystems eines Fahrzeugs.
3 ist ein Flussdiagramm für den Betrieb eines Batteriekühlers.
4 ist eine Tabelle der Schwellenwerte für den elektrischen Strom.
5 ist ein anderes Flussdiagramm für den Betrieb eines Batteriekühlers.
6 ist eine Tabelle der Schwellenwerte für die Batterie-Hitze.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die spezifischen strukturellen und funktionellen Details, die hier offenbart sind, nicht als begrenzend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis zum Lehren eines Fachmanns, dass er die vorliegende Erfindung vielfältig einsetzt. Der Durchschnittsfachmann versteht, dass verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
1 zeigt ein Schema eines typischen Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV). Bestimmte Ausführungsformen können jedoch auch im Rahmen von non-plug-in Hybriden und reinen Elektrofahrzeugen umgesetzt werden. Das Fahrzeug 12 beinhaltet eine oder mehrere elektrische Maschinen 14, die mechanisch mit einer Hybridübertragung 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können als Motor oder Generator betrieben werden. Darüber hinaus kann die Hybridübertragung 16 mechanisch mit einem Motor 18 verbunden werden. Die Hybridübertragung 16 kann auch mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden sein, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können Vortriebs- und Abbremsfähigkeiten bereitstellen, wenn der Motor 18 ein- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 14 dienen auch als Generatoren und können durch die Energierückgewinnung durch regeneratives Bremsen Vorteile bei der Kraftstoffeinsparung bereitstellen. Die elektrischen Maschinen 14 reduzieren die Schadstoffemissionen und erhöhen die Kraftstoffeinsparung, indem sie die Arbeitslast des Motors 18 reduzieren.
Eine Antriebsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 verwendet werden kann. Die Antriebsbatterie 24 stellt typischerweise einen Hochspannungs-Gleichstrom (DC)-Ausgang von einem oder mehreren Batteriezellenarrays, manchmal auch als Batteriezellenstapel bezeichnet, innerhalb der Antriebsbatterie 24 bereit. Die Batteriezellenarrays können eine oder mehrere Batteriezellen beinhalten.
Die Batteriezellen, wie beispielsweise eine prismatische, taschenförmige, zylindrische oder jede andere Art von Zelle, wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Die Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) beinhalten. Ein Elektrolyt kann ermöglichen, dass sich Ionen während der Entladung zwischen Anode und Kathode bewegen und dann während des Ladevorgangs zurückkehren. Klemmen können es ermöglichen, dass Strom aus der Zelle fließt, um vom Fahrzeug verwendet zu werden.
Unterschiedliche Batteriepack-Konfigurationen können verfügbar sein, um individuelle Fahrzeugvariablen beinhaltend Verpackungsbeschränkungen und Energiebedarf zu berücksichtigen. Die Batteriezellen können mit einem Wärmemanagementsystem wärmegeregelt werden. Beispiele für Wärmemanagementsysteme sind Luftkühlsysteme, Flüssigkeitskühlsysteme und eine Kombination aus Luft- und Flüssigkeitssystemen.
Die Antriebsbatterie 24 kann über ein oder mehrere Schütze (nicht dargestellt) elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden sein. Die einen oder mehreren Schütze trennen die Antriebsbatterie 24 beim Öffnen von anderen Komponenten und verbinden die Antriebsbatterie 24 beim Schließen mit anderen Komponenten. Das Leistungselektronikmodul 26 kann elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden sein und die Möglichkeit bereitstellen, elektrische Energie bidirektional zwischen der Antriebsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine typische Antriebsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 eine dreiphasige Wechselspannung (AC) benötigen, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umwandeln, wie sie von den elektrischen Maschinen 14 benötigt wird. In einem regenerativen Modus kann das Leistungselektronikmodul 26 die dreiphasige Wechselspannung der als Generatoren fungierenden elektrischen Maschinen 14 in die von der Antriebsbatterie 24 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die vorliegende Beschreibung gilt gleichermaßen für ein reines Elektrofahrzeug. In einem reinen Elektrofahrzeug kann die Hybridübertragung 16 ein mit einer elektrischen Maschine 14 verbundenes Getriebe sein und der Motor 18 ist nicht vorhanden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Antriebsbatterie 24 auch Energie für andere elektrische Bordnetze liefern. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 beinhalten, das die Hochspannungs-Gleichspannungsausgabe der Antriebsbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugkomponenten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie beispielsweise Kompressoren und elektrische Heizgeräte, können ohne den Einsatz eines Gleichspannungswandlermoduls 28 direkt an die Hochspannungsversorgung angeschlossen werden. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungsanlagen elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-Volt-Batterie) verbunden.
Ein Batterie-Energiesteuermodul (BECM) 33 kann mit der Antriebsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als Steuerung für die Antriebsbatterie 24 dienen und kann auch ein elektronisches Überwachungssystem beinhalten, das Temperatur und Ladezustand jeder der Batteriezellen verwaltet. Die Antriebsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 wie beispielsweise einen Thermistor oder einen anderen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor 31 kann mit dem BECM 33 in Verbindung stehen, um Temperaturdaten über die Antriebsbatterie 24 bereitzustellen.
Das Fahrzeug 12 kann über eine Ladestation aufgeladen werden, die mit einer externen Stromquelle 36 verbunden ist. Die externe Stromquelle 36 kann elektrisch mit der Versorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE) 38 verbunden werden. Die externe Stromquelle 36 kann dem EVSE 38 Gleich- oder Wechselstrom bereitstellen. Die EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 34 kann jede Art von Anschluss sein, der konfiguriert ist, um Energie von der EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem Bordnetzumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die von der EVSE 38 gelieferte Leistung konditionieren, um der Antriebsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Stromwerte bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann mit der EVSE 38 verbunden werden, um die Leistungsabgabe an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Anschluss 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 34 zusammenpassen.
Die verschiedenen diskutierten Komponenten können eine oder mehrere Steuerungen zur Steuerung und Überwachung des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über dedizierte elektrische Leitungen kommunizieren. Die Steuerung beinhaltet im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zu kooperieren und eine Reihe von Vorgängen durchzuführen. Die Steuerung beinhaltet auch vorgegebene Daten oder „Nachschlagetabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und im Speicher gespeichert sind. Die Steuerung kann mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung gängiger Busprotokolle (z. B. CAN und LIN) kommunizieren. Hierin verwendet, bezieht sich der Verweis auf „eine Steuerung“ auf eine oder mehrere Steuerungen.
Die Antriebsbatterie 24 und andere Fahrzeugkomponente werden mit einem oder mehreren Wärmemanagementsystemen wärmegeregelt. Beispiele für Wärmemanagementsysteme sind in den Figuren gezeigt und im Folgenden beschrieben.
Mit Bezug auf 2 beinhaltet das Fahrzeug 12 ein Wärmemanagementsystem 56. Das Wärmemanagementsystem 56 kann zum Verwalten von Wärmelasten eingesetzt werden, die von verschiedenen Fahrzeugkomponenten erzeugt werden, wie beispielsweise der Batterieanordnung 24, Komponenten des Antriebsstrangs und leistungselektronische Komponenten. Zum Beispiel kann das Wärmemanagementsystem 56 Kühlmittel selektiv zur Batterieanordnung 24 zirkulieren, um die Batterieanordnung je nach Betriebsbedingungen entweder zu kühlen oder zu erwärmen.
Das Wärmemanagementsystem 56 kann eine oder mehrere Fahrzeugsteuerungen 78 beinhalten. Während die Steuerung 78 in der veranschaulichten Ausführungsform schematisch als ein einziges Modul dargestellt ist, kann sie Teil eines größeren Steuerungssystems sein und von verschiedenen anderen Steuerungen im gesamten Fahrzeug gesteuert werden, wie beispielsweise einer Fahrzeugsystemsteuerung (VSC), die eine Antriebsstrangsteuereinheit, eine Übertragungssteuereinheit, eine Motorsteuereinheit, eine BECM usw. beinhaltet. Es ist zu verstehen, dass die Steuerung 78 und eine oder mehrere andere Steuerungen gemeinsam als „eine Steuerung“ bezeichnet werden können, die, wie beispielsweise durch eine Vielzahl von integrierten Algorithmen, verschiedene Stellglieder als Reaktion auf Signale von verschiedenen Sensoren auf mit dem Fahrzeug verbundene Steuerungsfunktionen und in diesem Fall mit einem Wärmemanagementsystem 56 steuert. Die verschiedenen Steuerungen der VSC können über ein gemeinsames Busprotokoll, z. B. CAN, miteinander kommunizieren.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Batterie-Wärmemanagementsystem 56 ein Kühlmittel-Untersystem 58 und ein Kältemittel-Untersystem 60. Diese beiden Kreisläufe können parallel oder unabhängig voneinander betrieben werden, abhängig von den Anforderungen an die Batteriekühlung, der Umgebungslufttemperatur, der Kabinenlast und anderen Faktoren. Das Kältemittel-Untersystem 60 kann eine Dampfkompressionswärmepumpe sein, die ein Kältemittel zirkuliert, das Wärmeenergie zu verschiedenen Komponenten des Klimasteuerungssystems überträgt. Das Kältemittel-Untersystem 60 kann das Klimaanlagensystem (AC) für die Kabine sein. Die Nutzung der Kabinen-AC kann kostengünstiger sein als ein spezielles Kühlsystem für die Antriebsbatterie 24 vorliegend zu haben. Das Kühlmittel-Untersystem 58 (Kühlmittelkreislauf) zirkuliert das Kühlmittel zur Batterieanordnung 24. Das Kühlmittel kann eine herkömmliche Art von Kühlmittelgemisch sein, wie beispielsweise Wasser, das mit Ethylenglykol vermischt ist. Andere Kühlmittel können auch vom Kühlmittel-Untersystem 58 verwendet werden. Das Kühlmittel-Untersystem 58 kann einen Radiator 64, ein Dosierventil 66, eine Pumpe 68, einen Eingangskühlmitteltemperatursensor 70, die Batterie 24, einen Ausgangskühlmitteltemperatursensor 99 und einen Kühler 76 beinhalten. Das Kühlmittel-Untersystem 58 kann auch zusätzliche Komponenten beinhalten. In einigen Ausführungsformen können der Radiator und die zugehörigen Komponenten weggelassen werden.
Im Betrieb tritt warmes Kühlmittel aus einem Auslass 63 der Batterie 24 aus. Das warme Kühlmittel wird über die Rohrleitung 72 zum Radiator 64 zirkuliert, wenn sich das Ventil 66 in einem ersten Satz von Positionen befindet. Das warme Kühlmittel wird innerhalb des Radiators 64 durch einen Luftstrom gekühlt, der über die Rippen fließt, um den Wärmeübergang zwischen dem Luftstrom und dem warmen Kühlmittel zu bewirken. Das Kühlmittel tritt aus dem Radiator 64 aus und tritt in die Rohrleitung 67 zur Rückführung in die Pumpe 68 ein. Der Radiator 64 und mindestens ein Teil der Rohrleitungen 67 und 79 können als Radiator-Kreislauf bezeichnet werden.
Der Sensor 70 kann in der Nähe eines Einlasses 61 des Batteriepacks 24 positioniert werden. Der Sensor 70 ist konfiguriert, um die Temperatur des Kühlmittels zu überwachen, das an das Batteriepack 24 zurückgeführt wird. In einigen Ausführungsformen können mehrere Sensoren verwendet werden, um die Kühlmitteltemperatur an verschiedenen Stellen zu messen. Das Batteriepack 24 kann auch einen weiteren Sensor 65 beinhalten. Die Sensoren 65 überwachen die Temperaturen verschiedener Batteriezellen (nicht gezeigt) des Batteriepacks 24.
Das Kühlmittel-Untersystem 58 beinhaltet einen Kühlerkreislauf 74 mit einer Rohrleitung 75, die zwischen der Rohrleitung 72 und der Rohrleitung 67 verbunden ist. Die Rohrleitung 75 ermöglicht, dass das Kühlmittel den Radiator 64 umgeht und stattdessen durch den Kühler 76 zirkuliert. Das Ventil 66 steuert die Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühler 76 und den Radiator 64. Das Ventil 66 kann ein Magnetventil sein, das von der Steuerung 78 elektrisch gesteuert wird. Das Ventil 66 kann einen Schrittmotor zum Vergrößern oder Verkleinern der Öffnung des Ventils beinhalten. Andere Arten von Ventilen können alternativ innerhalb des Kühlmittel-Untersystems 58 eingesetzt werden. Das Ventil 66 beinhaltet einen Einlass 71, der mit der Rohrleitung 72 verbunden ist, einen ersten Auslass 73, der mit der Rohrleitung 79 verbunden ist, und einen zweiten Auslass 77, der mit der Rohrleitung 75 verbunden ist. Das Ventil 66 ist so konfiguriert, dass jeder der Auslässe 73, 77 selektiv einen Anteil des durch das Ventil 66 strömenden Kühlmittels zwischen 0 und 100 Prozent, einschließlich, empfängt, abhängig von einer Position des Ventils. Durch Einstellen des Anteils des Kühlmittels, der zwischen den Auslässen aufgeteilt ist, kann die Menge des Kühlmittels, die durch den Kühler 76 und den Radiator 64 fließt, gemäß den im Speicher der Steuerung 78 gespeicherten Algorithmen gesteuert werden.
Der Kühler 76 tauscht Wärme mit dem Kältemittel-Untersystem 60 aus, um während bestimmten Bedingungen ein gekühltes Kühlmittel bereitzustellen. Ein Teil des warmen Kühlmittels aus dem Batteriepack 24 kann in die Kühlerrohrleitung 75 eintreten und Wärme mit einem Kältemittel des Kältemittel-Untersystems 60 innerhalb des Kühlers 76 austauschen, um Wärme abzuführen.
Der Batteriekühler 76 kann jede geeignete Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel kann der Kühler 76 eine Plattenrippen-, Rohrrippen- oder Rohrbündelkonfiguration aufweisen, die die Übertragung von Wärmeenergie erleichtert, ohne die Wärmeübertragungsflüssigkeiten im Kühlmittel-Untersystem 58 und im Kältemittel-Untersystem 60 zu vermischen.
Das Kältemittel-Untersystem 60 kann einen Kompressor 80, einen Kondensator 82, mindestens einen Kabinenverdampfer 84, den Kühler 76, eine erste Expansionsvorrichtung 86, ein Abschaltventil 87, eine zweite Expansionsvorrichtung 88 und ein zweites Abschaltventil 91 beinhalten. Der Kompressor 80 verdichtet und zirkuliert das Kältemittel durch das Kältemittel-Untersystem 60. Der Verdichter 80 kann von einer elektrischen oder nichtelektrischen Stromquelle betrieben werden. Ein Drucksensor 95 kann den Druck des aus dem Kompressor 80 austretenden Kältemittels überwachen.
Das aus dem Kompressor 80 austretende Kältemittel kann über eine oder mehrere Leitungen in den Kondensator 82 zirkuliert werden. Der Kondensator 82 überträgt Wärme an die Umgebung, indem er das Kältemittel aus einem Dampf in eine Flüssigkeit kondensiert. Ein Ventilator 85 kann selektiv betätigt werden, um den Luftstrom über den Kondensator 82 zu zirkulieren, um ferner die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Luftstrom zu bewirken. Der Ventilator 85 kann auch so angeordnet werden, dass er die Luft über den Radiator 64 zirkuliert.
Mindestens ein Teil des flüssigen Kältemittels, der aus dem Kondensator 82 austritt, kann durch die erste Expansionsvorrichtung 86 (abhängig von der Stellung des Ventils 87) und dann zum Verdampfer 84 zirkuliert werden. Die erste Expansionsvorrichtung 86 ist angepasst, um den Druck des Kältemittels zu ändern. In einer Ausführungsform ist die erste Expansionsvorrichtung 86 ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil (EXV). In einer anderen Ausführungsform ist die erste Expansionsvorrichtung 86 ein thermisches Expansionsventil (TXV). Wenn die Expansionsvorrichtung ein EXV ist, kann das Abschaltventil 87 weggelassen werden. Das flüssige Kältemittel wird innerhalb des Verdampfers 84 von Flüssigkeit zu Gas verdampft, während es Wärme absorbiert. Das gasförmige Kältemittel kann dann zum Kompressor 80 zurückkehren. Das Kältemittel-Untersystem kann einen Verdampfer-Temperatursensor 89 beinhalten, der elektrisch mit der Steuerung 78 verbunden ist. Der Sensor 89 gibt ein Signal aus, das die Verdampfertemperatur anzeigt. Die Steuerung 78 kann das System basierend auf den vom Sensor 89 empfangenen Signalen betreiben. Alternativ kann das Ventil 87 geschlossen werden, um den Verdampfer 84 zu umgehen.
Ein anderer Teil des flüssigen Kältemittels, der aus dem Kondensator 82 austritt (oder das gesamte Kältemittel, wenn das Ventil 87 geschlossen ist), kann durch die zweite Expansionsvorrichtung 88 zirkulieren und in den Kühler 76 eintreten, wenn das Ventil 91 offen ist. Die zweite Expansionsvorrichtung 88, die auch ein EXV oder TXV sein kann, ist angepasst, um den Druck des Kältemittels zu ändern. Das Kältemittel tauscht Wärme mit dem Kühlmittel innerhalb des Kühlers 76 aus, um der Batterie 24 während eines Kühlermodus gekühltes Kühlmittel bereitzustellen.
Typische Batteriekühlsysteme warten darauf, die Batterie zu kühlen, bis die Batterie eine Schwellentemperatur überschreitet, bei der der Batteriekühler, der Batterieradiator oder eine andere Kühlvorrichtung aktiviert wird. Diese Strategie wäre in Ordnung, wenn das Batteriekühlsystem eine unbegrenzte Kapazität hätte. Aber Batteriekühlsysteme haben eine maximale Kapazität und in vielen Fällen ist das Batteriekühlsystem ein gemeinschaftliches System, das auch für die Kühlung der Kabine verantwortlich ist.
In Systemen, in denen der Batteriekühler in Fluidverbindung mit dem Kabinen-Wechselstromsystem steht, wie in der dargestellten Ausführungsform, ist ein Potenzial zur negativen Beeinflussung der Temperatur der Kabinenluft möglich, wenn das Wechselstromsystem nicht über genügend Kapazität verfügt, um sowohl die Kabine als auch die Batterie bei ihren jeweiligen Lasten zu kühlen. Zum Beispiel kann an einem heißen Tag die gleichzeitige Kühlung der Batterie und der Fahrgastkabine über das Wechselstromsystem dazu führen, dass die Austrittstemperatur des Kabinenverdampfers 84 über eine Zieltemperatur hinaus zunimmt, was dazu führt, dass die in die Kabine einströmende Luft wärmer ist als von den Insassen angefordert. Die Insassen können es als unangenehm empfinden, wenn die Kabinentemperatur nicht mit der geforderten Temperatur übereinstimmt. Andererseits kann die Batterie nicht, zumindest nicht über einen längeren Zeitraum, über einer maximalen Temperatur betrieben werden, ohne die Gefahr einer Beschädigung der Batterie einzugehen. Daher müssen viele Systementwickler eine vorrangige Wahl zwischen Batteriekühlung und Kabinenkühlung treffen. Einige Entwickler wählten, die Kabine wie gewünscht zu kühlen und die Leistung der Batterie nach Bedarf zu begrenzen, andere wählten die Kühlung der Batterie, um eine Leistungsbegrenzung zu vermeiden und die Temperaturerhöhung der Kabine zuzulassen.
Die Wahl der Vorrangigkeit zwischen Kabine und Batterie ist keine ideale Situation und kann vermieden oder zumindest verzögert werden, indem man die zukünftige Batterietemperatur vorwegnimmt und die Batterie proaktiv abkühlt, bevor der Batterietemperaturschwellenwert erreicht wird. Zum Beispiel kann die Batterie proaktiv gekühlt werden, um die Batterie so lange zu verlängern, bis sie den Batterietemperaturschwellenwert erreicht hat. Die folgenden Figuren und der dazugehörige Text beschreiben beispielhafte Steuerungen und Verfahren zum proaktiven Kühlen der Batterie basierend auf dem Batteriestrom. Die Batterietemperatur ist abhängig vom Batteriestrom, daher ist der Batteriestrom ein guter Indikator für die zukünftige Batterietemperatur.
Mit Bezug auf die 3 und 4 stellt ein Flussdiagramm 100 einen Algorithmus zur Aktivierung des Batteriekühlers dar. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder -logiken dar, die unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsstrategien wie ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multi-Threading und dergleichen implementiert werden können. Als solche können mehrere Schritte oder Funktionen in der dargestellten Sequenz durchgeführt werden, parallel oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Obwohl nicht immer explizit dargestellt, erkennt ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass einer oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen wiederholt ausgeführt werden können, abhängig von der jeweilig verwendeten Verarbeitungsstrategie. Ebenso ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern ist zur Erleichterung der Darstellung und Beschreibung bereitgestellt. Die Steuerlogik kann hauptsächlich in Software implementiert werden, die von einer mikroprozessorbasierten Fahrzeugsteuerung, wie beispielsweise der Steuerung 76, ausgeführt wird. Natürlich kann die Steuerungslogik je nach Anwendung in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen implementiert werden. Wenn sie in der Software implementiert ist, kann die Steuerlogik in einer oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt werden, die gespeicherte Daten aufweisen, die Code oder Anweisungen repräsentieren, die von einem Computer zur Steuerung des Fahrzeugs oder seiner Untersysteme ausgeführt werden. Die computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere von einer Anzahl bekannter physischer Vorrichtungen beinhalten, die elektrische, magnetische und/oder optische Speicher nutzen, um ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen zu erhalten.
Bei Betrieb 102 bestimmt die Steuerung die Temperatur der Antriebsbatterieanordnung. Die Batterieanordnung kann einen oder mehrere Temperatursensoren beinhalten, die konfiguriert sind, um die Temperatur einzelner Zellen der Batterieanordnung zu messen und ein Signal an die Steuerung auszugeben, das die Zellentemperatur anzeigt. Die Steuerung kann eine Logik zum Bestimmen einer Durchschnittstemperatur für die Batterieanordnung basierend auf diesem/n einen oder mehreren Sensoren beinhalten. Die Temperatur der Batterieanordnung kann auch basierend auf der Temperatur des aus der Batterieanordnung austretenden Kühlmittels abgeleitet werden. Zum Beispiel kann die Steuerung ein vom Sensor 99 empfangenes Signal verwenden, um die Batterietemperatur abzuleiten.
Bei Betrieb 104 berechnet die Steuerung die Kapazität des Kühlers. Die Steuerung ist konfiguriert, um eine Gesamtkapazität des Wechselstromsystems, die Menge der vom Kabinenverdampfer verwendeten Gesamtkapazität (die als Verdampferkapazität oder Kabinenlast bezeichnet werden kann) und eine Kühlerkapazität zu bestimmen, die bei Bedarf für den Kühler verfügbar ist. Die Kühlerkapazität ist die Reservekapazität des Kühlsystems, um zusätzliche Wärme aus dem Kühler aufzunehmen. Die Kühlerkapazität ist gleich der Gesamtsystemkapazität minus der Verdampferkapazität.
Bei Betrieb 106 bestimmt die Steuerung einen Wert eines Schwellenwerts für elektrischen Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt basierend auf der Batterietemperatur und der Kühlerkapazität zu diesem Zeitpunkt. Ampere können die Einheiten des Schwellenwerts für elektrischen Strom sein. 4 stellt eine beispielhafte Tabelle 114 der Stromschwellenwerte dar. Die Tabelle 114 kann im Speicher der Steuerung gespeichert werden. Der Stromschwellenwert nimmt mit zunehmender Temperatur der Batterie ab, und der Stromschwellenwert nimmt mit abnehmender Kühlerkapazität ab.
Bei Betrieb 108 wird der Batteriestrom mit dem Stromschwellenwert des Betriebs 106 verglichen. Wenn der Batteriestrom den Stromschwellenwert überschreitet, geht die Steuerung in den Betrieb 110 über und der Kühler wird aktiviert. Der Kühler kann aktiviert werden, indem das Kühlsystem und das Batteriekühlsystem, wenn ausgeschaltet, mit Energie versorgt werden und ein oder mehrere Ventile gesteuert werden, um Kältemittel durch eine Seite des Kühlers und Kühlmittel durch die andere Seite des Kühlers zu zirkulieren, um Wärmeenergie vom Kühlmittel auf das kältewirksame Batteriekühlmittel zu übertragen. In der dargestellten Ausführungsform blockiert das Ventil 91 das Kältemittel aus dem Kühler, wenn es sich in einer ersten Position (AUS) befindet, und ermöglicht es, dass das Kältemittel in den Kühler gelangt, wenn es sich in einer zweiten Position (EIN) befindet. Die Steuerung 78 kann das Ventil 91 bei Betrieb 110 in die EIN-Position schalten. Der Batteriestrom kann gefiltert werden. Zum Beispiel kann der Batteriestrom ein durchschnittlicher Strom für ein bestimmtes Zeitfenster sein. Der Batteriestrom kann ein I_RMS-Wert sein.
Wenn der Batteriestrom niedriger als der Stromschwellenwert bei Betrieb 108 ist, geht die Steuerung in den Betrieb 112 über und die Batterietemperatur wird mit einem Batterietemperaturschwellenwert verglichen. Wenn die Batterietemperatur höher als der Temperaturschwellenwert ist, geht die Steuerung in den Betrieb 110 über und der Kühler wird aktiviert.
Mit Bezug auf die 5 und 6 stellt ein Flussdiagramm 150 einen Algorithmus zum Aktivieren des Batteriekühlers gemäß einer anderen Ausführungsform dar. Bei Betrieb 152 bestimmt die Steuerung die Temperatur der Antriebsbatterieanordnung. Bei Betrieb 154 berechnet die Steuerung die Kapazität des Kühlers.
Bei Betrieb 156 bestimmt die Steuerung einen Wert eines Batteriewärmeschwellenwerts zu einem bestimmten Zeitpunkt basierend auf der Batterietemperatur und der Kühlerkapazität zu diesem Zeitpunkt. Der Wärmeschwellenwert kann ein Wert der Leistung mit Einheiten oder Watt oder Kilowatt sein. 6 stellt eine beispielhafte Tabelle 164 der Schwellenwerte für die Batterie-Hitze dar. Die Tabelle 164 kann im Speicher der Steuerung gespeichert werden. Der Wärmeschwellenwert nimmt mit zunehmender Temperatur der Batterie ab, und der Wärmeschwellenwert nimmt mit abnehmender Kühlerkapazität ab. Bei Betrieb 158 wandelt die Steuerung den Wärmeschwellenwert von Betrieb 156 in einen Schwellenwert für elektrischen Strom um. Dies kann durch Teilen des Batteriewärmeschwellenwerts durch einen Widerstand der Batterie und dann durch Bestimmen eines durchschnittlichen Stroms unter Verwendung der Effektivwertmethode oder anderer bekannter Verfahren erreicht werden.
Bei Betrieb 160 wird der Batteriestrom mit dem Stromschwellenwert des Betriebs 158 verglichen. Wenn der Batteriestrom den Stromschwellenwert überschreitet, geht die Steuerung in den Betrieb 162 über und der Kühler wird aktiviert. Wenn der Batteriestrom niedriger als der Stromschwellenwert bei Betrieb 160 ist, geht die Steuerung in den Betrieb 166 über und die Batterietemperatur wird mit einem Batterietemperaturschwellenwert verglichen. Wenn die Batterietemperatur höher als der Temperaturschwellenwert ist, geht die Steuerung in den Betrieb 162 über und der Kühler wird aktiviert.
Das Konzept der Verwendung von Batteriestrom zum Betrieb eines Batterie-Wärmemanagementsystems beschränkt sich nicht auf den Betrieb des Kühlers. Der Betrieb der Kühlerkühlung der Batterie 24 kann auch den Batteriestrom als Parameter verwenden. Das Fahrzeug 12 kann mit einer Kühltabelle (ähnlich den 4 und 6) programmiert werden, die der Kühlerkühlung zugeordnet ist. Die Tabelle beinhaltet Werte der Schwellenwerte für den elektrischen Strom basierend auf der Batterietemperatur und der Kühlkapazität des Batteriekühlsystems. Ventile, Pumpen und dergleichen können als Reaktion auf einen den Schwellenwert für den elektrischen Strom überschreitenden Batteriestrom betätigt werden, um eine gewünschte Menge an Kühlerkühlung der Batterie zu bewirken.
Diese Offenbarung beschränkt sich auch nicht auf das dargestellte Wärmemanagementsystem, bei dem diese Batterie durch einen Kühler oder einen Radiator flüssig gekühlt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann die Batterie luftgekühlt sein. Das luftgekühlte System kann mindestens einen Ventilator, Luftkanäle und eine Steuerung beinhalten. Der Ventilator wird mit Strom versorgt, um einen Luftstrom durch die Batterie zu zirkulieren, um die Batteriezellen zu kühlen oder zu erwärmen. Der Batteriestrom kann ein Parameter sein, der für den Betrieb des luftgekühlten Systems verwendet wird. Zum Beispiel kann der Ventilator als Reaktion darauf mit Strom versorgt werden, dass der Batteriestrom unter einem Batteriestromschwellenwert liegt. Das luftgekühlte System kann eine oder mehrere zugehörige Kühltabellen ähnlich den Tabellen der 4 und 6 aufweisen. Die Kühltabelle beinhaltet Werte der Schwellenwerte für den elektrischen Strom basierend auf der Batterietemperatur und der Kühlkapazität des luftgekühlten Systems.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind Worte zum Beschreiben nicht zum Begrenzen, und es versteht sich, dass mehrere Veränderungen gemacht werden können, ohne von dem Wesen und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, die nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsformen als Vorteile bereitstellend oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf ein oder mehrere gewünschte Eigenschaften bevorzugt hätten bezeichnet werden können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert beschrieben werden als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf ein oder mehrere Eigenschaften, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine Antriebsbatterie aufweist; ein Batteriekühlsystem, das zum Kühlen der Batterie angeordnet ist; und eine Steuerung, die programmiert ist, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Stromschwellenwert überschreitet und eine Temperatur der Batterie, die niedriger als ein Temperaturschwellenwert ist, das Batteriekühlsystem zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Batteriekühlsystem ferner ein Kühlsystem mit einem Kühler und einem Kühlmittelsystem, das eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass sie Kühlmittel durch den Kühler und die Batterie zirkuliert, und wobei die Aktivierung des Batteriekühlsystems die Aktivierung des Kühlers beinhaltet, indem das Kühlmittel durch den Kühler zirkuliert, um Wärmeenergie von der Batterie zu dem Kühlsystem zu übertragen.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Stromschwellenwert auf der Temperatur der Batterie.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt der Stromschwellenwert mit zunehmender Temperatur der Batterie ab.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Stromschwellenwert auf der Kapazität des Kühlers.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt der Stromschwellenwert mit abnehmender Kühlerkapazität ab.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt der Stromschwellenwert mit zunehmender Kühlerkapazität zu.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Stromschwellenwert auf dem elektrischen Widerstand der Batterie.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Stromschwellenwert auf der Temperatur der Batterie und der Kapazität des Kühlmittelsystems.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlsystem ferner ein Ventil, das konfiguriert ist, um Kältemittel zum Kühler zu zirkulieren, wenn er in einer ersten Position ist, und um Kältemittel zum Kühler zu blockieren, wenn er in einer zweiten Position ist, wobei der Kühler durch Platzieren des Ventils in der ersten Position aktiviert wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine Antriebsbatterie aufweist; ein Kühlsystem, das einen Kompressor, einen Kondensator, einen Batteriekühler und einen Kabinenverdampfer beinhaltet; ein Kühlmittelsystem, das eine Leitung beinhaltet, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch den Kühler und die Batterie zu zirkulieren; und eine Steuerung, die programmiert ist, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Schwellenwert überschreitet, den Batteriekühler zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung programmiert, um ferner den Batteriekühler als Reaktion auf eine Temperatur der Batterie, die ein Temperaturschwellenwert überschreitet, zu aktivieren.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Schwellenwert auf der Temperatur der Batterie.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Schwellenwert auf der Kapazität des Kühlers.
Gemäß einer Ausführungsform basiert die Kapazität des Kühlers auf einer Last des Kabinenverdampfers.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Schwellenwert auf dem elektrischen Widerstand der Batterie.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlsystem ferner ein Ventil, das konfiguriert ist, um Kältemittel zum Kühler zu zirkulieren, wenn er in einer ersten Position ist, und um Kältemittel zum Kühler zu blockieren, wenn er in einer zweiten Position ist, wobei der Kühler durch Platzieren des Ventils in der ersten Position aktiviert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Wärmemanagementsystems einer Antriebsbatterie in Fluidverbindung mit einem Kühler, das Verfahren beinhaltet das Zirkulieren von Kältemittel und Kühlmittel durch den Kühler als Reaktion darauf, dass das Kühlmittel unter einem Temperaturschwellenwert liegt und der Strom der Antriebsbatterie einen Schwellenwert für den elektrischen Strom überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel und das Kühlmittel aufgrund der Überschreitung des Temperaturschwellenwerts durch den Kühler zirkuliert werden.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der Schwellenwert für den elektrischen Strom auf der Temperatur des Kühlmittels.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Antriebsbatterie; ein Batteriekühlsystem, das zum Kühlen der Batterie angeordnet ist; und eine Steuerung, die programmiert ist, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Stromschwellenwert überschreitet und eine Temperatur der Batterie, die niedriger als ein Temperaturschwellenwert ist, das Batteriekühlsystem zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Batteriekühlsystem ferner ein Kühlsystem mit einem Kühler und einem Kühlmittelsystem, das eine Leitung beinhaltet, die so angeordnet ist, dass sie Kühlmittel durch den Kühler und die Batterie zirkuliert, beinhaltet, und wobei die Aktivierung des Batteriekühlsystems die Aktivierung des Kühlers beinhaltet, indem das Kühlmittel durch den Kühler zirkuliert, um Wärmeenergie von der Batterie zu dem Kühlsystem zu übertragen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Stromschwellenwert auf der Temperatur der Batterie basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Stromschwellenwert mit zunehmender Temperatur der Batterie abnimmt.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei der Stromschwellenwert auf der Kapazität des Kühlers basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Stromschwellenwert zunimmt, wenn die Kühlerkapazität zunimmt.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Stromschwellenwert abnimmt, wenn die Kühlerkapazität abnimmt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Stromschwellenwert auf dem elektrischen Widerstand der Batterie basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Stromschwellenwert auf der Temperatur der Batterie und der Kapazität des Kühlmittelsystems basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei das Kühlsystem ferner ein Ventil beinhaltet, das konfiguriert ist, um Kältemittel zum Kühler zu zirkulieren, wenn er in einer ersten Position ist, und um Kältemittel zum Kühler zu blockieren, wenn er in einer zweiten Position ist, wobei der Kühler durch Platzieren des Ventils in der ersten Position aktiviert wird.
Fahrzeug, umfassend: eine Antriebsbatterie; ein Kühlsystem, das einen Kompressor, einen Kondensator, einen Batteriekühler und einen Kabinenverdampfer beinhaltet; ein Kühlmittelsystem, das eine Leitung beinhaltet, die angeordnet ist, um Kühlmittel durch den Kühler und die Batterie zu zirkulieren; und eine Steuerung, die programmiert ist, um als Reaktion auf den Strom der Batterie, der einen Schwellenwert überschreitet, den Batteriekühler zum Kühlen der Batterie zu aktivieren.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Steuerung programmiert ist, um ferner den Batteriekühler als Reaktion auf eine Temperatur der Batterie, die einen Temperaturschwellenwert überschreitet, zu aktivieren.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei der Schwellenwert auf der Temperatur der Batterie basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei der Schwellenwert auf der Kapazität des Kühlers basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 14, wobei die Kapazität des Kühlers auf einer Last des Kabinenverdampfers basiert.