DE102019203303A1 - Device and method for temperature control of an electrochemical storage device and vehicle arranged in a vehicle - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird u.a. eine Vorrichtung (6) zur Temperierung eines in einem Fahrzeug (1) angeordneten elektrochemischen Speichers (3), mit zumindest einem in einen ersten Temperierungsmittel-Kreislauf in Form eines Kühlmittel-Kreislaufs (8) des Fahrzeugs (1) integrierten und dem elektrochemischen Speicher (3) zugeordneten ersten Wärmetauscher (7), wobei der Kühlmittel-Kreislauf (8) mit einem bei Bedarf aktivierbaren zweiten Temperierungsmittel-Kreislauf in Form eines Kältemittel-Kreislaufs (11) des Fahrzeugs (1) thermisch verbunden oder verbindbar ist. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass dem elektrochemischen Speicher (3) zusätzlich zumindest ein zweiter Wärmetauscher (17) zugeordnet ist, welcher in den besagten Kältemittel-Kreislauf (11) integriert ist.Among other things, it is proposed a device (6) for temperature control of an electrochemical storage device (3) arranged in a vehicle (1), with at least one integrated into a first temperature control medium circuit in the form of a coolant circuit (8) of the vehicle (1) and the electrochemical storage device ( 3) associated first heat exchanger (7), the coolant circuit (8) being thermally connected or connectable to a second temperature control circuit in the form of a refrigerant circuit (11) of the vehicle (1) that can be activated if required. It is advantageously provided that at least one second heat exchanger (17), which is integrated into the said refrigerant circuit (11), is additionally assigned to the electrochemical storage device (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines in einem Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speichers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 8 bzw. 9 der Erfindung betrifft dieselbe des Weiteren ein Verfahren zur Temperierung eines in einem Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speichers. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung betrifft diese ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Temperierungsvorrichtung.The invention relates to a device for controlling the temperature of an electrochemical store arranged in a vehicle according to the preamble of
In der jüngeren Vergangenheit werden aufgrund des ständig knapper werdenden Angebotes an Kraftstoffen für den verbrennungsmotorischen Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, große Anstrengungen unternommen, alternative Antriebsarten zur Verfügung zu stellen. Zunehmend an Bedeutung gewinnt dabei der elektromotorische Antrieb, der aus einem oder mehreren elektrochemischen Speichern, wie Batterien bzw. Akkumulatoren, mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Fahrzeug kann dabei als Elektrofahrzeug ausschließlich mittels eines oder mehrerer elektromotorischer Antriebe betrieben werden oder als sogenanntes Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeug zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen oder mehrere Elektromotoren aufweisen. Durch die Fachwelt werden in immer stärkerem Maße Li-lonen-Akkumulatoren als sogenannte Traktionsbatterien respektive Antriebsbatterien favorisiert, die ihrerseits vorteilhaft keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung aufweisen. Ungeachtet dessen ist der Wirkungsgrad derartiger Akkumulatoren bzw. Batterien temperaturabhängig und nimmt bei niedriger Temperatur stark ab. Ferner ist festzustellen, dass im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs sowie in der Ladephase derartiger Batterien oder Batteriesysteme durch elektrische Verlustleistung in stromführenden Bauteilen Wärme in das Batteriesystem eingetragen wird, die zu einer hohen thermischen Belastung der Batterien führen kann. Durch den Betrieb der Batterie bei hohen Zellentemperaturen ist bekanntermaßen eine beschleunigte Alterung der Batteriezellen zu verzeichnen, welches mit einer verkürzten Lebensdauer des Batteriesystems einhergeht. Darüber hinaus wurde erkannt, dass auch eine inhomogene Temperatur innerhalb der Batteriezellen deren Lebensdauer verringern kann. Diese Umstände erfordern Temperierungsmaßnahmen des Batteriesystems, um einen Defekt desselben zu vermeiden und eine hohe Lebensdauer desselben zu erzielen sowie ein mittels Elektromotor angetriebenes Fahrzeug sicher betreiben und als Serienfahrzeug umsetzen zu können. Im Hinblick darauf ist es allgemein bekannt, besagtem Batteriesystem ein Temperier- bzw. Kühlsystem zuzuordnen.In the recent past, due to the constantly decreasing supply of fuels for the internal combustion engine drive of vehicles, in particular motor vehicles, great efforts have been made to provide alternative drive types. The electromotive drive, which is supplied with electrical energy from one or more electrochemical storage devices, such as batteries or accumulators, is becoming increasingly important. The vehicle can be operated as an electric vehicle exclusively by means of one or more electric motor drives or, as a so-called hybrid or plug-in hybrid vehicle, can have both an internal combustion engine and one or more electric motors to drive it. The professional world is increasingly favoring Li-ion accumulators as so-called traction batteries or drive batteries, which for their part advantageously have no memory effect and a low self-discharge. Regardless of this, the efficiency of such accumulators or batteries is temperature-dependent and decreases sharply at low temperatures. It should also be noted that when the motor vehicle is being driven and in the charging phase of such batteries or battery systems, heat is introduced into the battery system due to electrical power loss in current-carrying components, which can lead to high thermal loads on the batteries. Operating the battery at high cell temperatures is known to result in accelerated aging of the battery cells, which is associated with a shortened service life of the battery system. It was also recognized that an inhomogeneous temperature within the battery cells can also reduce their service life. These circumstances require temperature control measures of the battery system in order to avoid a defect of the same and to achieve a long service life of the same and to be able to safely operate a vehicle driven by an electric motor and implement it as a series vehicle. In view of this, it is generally known to assign a temperature control or cooling system to said battery system.
So ist es aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine im Hinblick auf den Stand der Technik alternative Vorrichtung zur Temperierung eines in einem Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speichers zu schaffen, welche etwaige erforderlichen erhöhten Temperierungsleistungen, insbesondere Kühlleistungen, ausreichend Rechnung trägt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, hierzu ein geeignetes Verfahren zur Temperierung eines in einem Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speichers anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer solchen Temperierungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is to create a device for temperature control of an electrochemical storage device arranged in a vehicle, which is alternative to the prior art and which takes sufficient account of any required increased temperature control performance, in particular cooling performance. A further object of the invention is to specify a suitable method for temperature control of an electrochemical storage device arranged in a vehicle. Another object of the invention is to provide a vehicle with such a temperature control device.
Ausgehend von einer Vorrichtung zur Temperierung eines in einem Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speichers, mit zumindest einem in einen ersten Temperierungsmittel-Kreislauf in Form eines Kühlmittel-Kreislaufs des Fahrzeugs integrierten und dem elektrochemischen Speicher zugeordneten ersten Wärmetauscher, wobei der Kühlmittel-Kreislauf mit einem bei Bedarf aktivierbaren zweiten Temperierungsmittel-Kreislauf in Form eines Kältemittel-Kreislaufs des Fahrzeugs thermisch verbunden oder verbindbar ist, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass dem elektrochemischen Speicher zusätzlich zumindest ein zweiter Wärmetauscher zugeordnet ist, welcher in den besagten Kältemittel-Kreislauf integriert ist.Starting from a device for temperature control of an electrochemical store arranged in a vehicle, with at least one first heat exchanger integrated into a first temperature control medium circuit in the form of a coolant circuit of the vehicle and assigned to the electrochemical store, the coolant circuit having a coolant circuit that can be activated if required second temperature control circuit in the form of a refrigerant circuit of the vehicle is thermally connected or connectable, the object is achieved in that the electrochemical storage device is additionally assigned at least one second heat exchanger which is integrated in the said refrigerant circuit.
Durch diese Maßnahme ist vorteilhaft ein Thermomanagement für den elektrochemischen Speicher mit erhöhten Temperierungsleistungen, insbesondere Kühlleistungen, ermöglicht. Da die Wärmetauscher mit unterschiedlichen Konzepten, nämlich Kühlung mittels Kühlmittel und Kühlung mittels Kältemittel betrieben werden, können auch die Vorteile beider Kühlkonzepte in bestmöglicher Weise zur Wirkung kommen. Da hohe Kühlleistungen (Nutzung beider Wärmetauscher) nur für einen geringen Teil der Nutzungsszenarien benötigt werden, insbesondere bei einem Schnellladen des elektrochemischen Speichers sowie bei hoch-dynamischer Fahrweise des Fahrzeugs, können die Effizienzvorteile der unterschiedlichen Konzepte für einen Großteil der Nutzungsszenarien genutzt werden, insbesondere bei normaler Fahrt und normalem Laden, bei denen die Kühlleistung eines der Wärmetauscher ausreichend ist.This measure advantageously enables thermal management for the electrochemical storage device with increased temperature control outputs, in particular cooling outputs. Since the heat exchangers are operated with different concepts, namely cooling by means of coolant and cooling by means of refrigerant, the advantages of both cooling concepts can also be used in the best possible way. Since high cooling capacities (use of both heat exchangers) are only required for a small part of the usage scenarios, in particular with fast charging of the electrochemical storage unit and with highly dynamic driving of the vehicle, the efficiency advantages of the different concepts can be used for a large part of the usage scenarios, especially for normal driving and normal loading, where the Cooling capacity of one of the heat exchangers is sufficient.
Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims describe preferred developments or embodiments of the invention.
Danach ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Wärmetauscher und der zumindest eine zweite Wärmetauscher auf verschiedenen Seiten wenigstens eines Speichermoduls oder wenigsten einer Speicherzelle des elektrochemischen Speichers angeordnet sind. Diese Anordnung resultiert aus der Erkenntnis, dass zwar bis zu einer bestimmten Kühlleistung ein einziger Wärmetauscher ausreichend ist, jedoch bei erhöhtem Kühlbedarf sich eine hohe Temperaturspreizung innerhalb des zu kühlenden elektrochemischen Speichers einstellt, um die Wärme zum einzigen Wärmetauscher zu transportieren. Diese Temperaturspreizung darf jedoch einen bestimmten Wert nicht überschreiten, um eine Schädigung des elektrochemischen Speichers zu verhindern. In Anbetracht dessen wird durch Anordnung der Wärmetauscher auf verschiedenen Seiten des wenigstens einen Speichermoduls oder der wenigstens einen Speicherzelle des elektrochemischen Speichers besagte Temperaturspreizung vorteilhaft minimiert.Accordingly, it is provided that the at least one first heat exchanger and the at least one second heat exchanger are arranged on different sides of at least one storage module or at least one storage cell of the electrochemical store. This arrangement results from the knowledge that a single heat exchanger is sufficient up to a certain cooling capacity, but when there is an increased need for cooling, a high temperature spread occurs within the electrochemical store to be cooled in order to transport the heat to the single heat exchanger. However, this temperature spread must not exceed a certain value in order to prevent damage to the electrochemical storage device. In view of this, by arranging the heat exchangers on different sides of the at least one storage module or the at least one storage cell of the electrochemical storage device, said temperature spread is advantageously minimized.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der zumindest eine erste Wärmetauscher und der zumindest eine zweite Wärmetauscher auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Speichermoduls oder der wenigstens einen Speicherzelle des elektrochemischen Speichers angeordnet, wodurch besagte Temperaturspreizung auf ein Minimum reduzierbar ist.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one first heat exchanger and the at least one second heat exchanger are arranged on opposite sides of the at least one storage module or the at least one storage cell of the electrochemical store, whereby said temperature spread can be reduced to a minimum.
In Fortbildung der Erfindung ist des Weiteren vorgesehen, dass der zumindest eine in den Kühlmittel-Kreislauf integrierte erste Wärmetauscher bevorzugt außerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Speichers angeordnet, jedoch mit dem Gehäuse thermisch verbunden ist. Da der Kühlmittel-Kreislauf überwiegend mit Wasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch, also einem elektrisch leitenden Temperierungsfluid betrieben wird, ist durch diese Maßnahme wirkungsvoll verhindert, dass im Falle eines etwaigen Defektes, insbesondere einer Leckage im Kühlmittel-Kreislauf, Temperierungsfluid respektive Kühlmittel in das Gehäuse eintritt und so den elektrochemischen Speicher beschädigt oder gar zerstört.In a further development of the invention, it is further provided that the at least one first heat exchanger integrated into the coolant circuit is preferably arranged outside a housing of the electrochemical store, but is thermally connected to the housing. Since the coolant circuit is operated predominantly with water or a water-glycol mixture, i.e. an electrically conductive temperature control fluid, this measure effectively prevents the temperature control fluid or coolant from entering in the event of a possible defect, in particular a leak in the coolant circuit the housing enters and thus damages or even destroys the electrochemical storage device.
Gemäß einer praxisnahen Ausführung der Erfindung ist der zumindest eine in den Kühlmittel-Kreislauf integrierte erste Wärmetauscher an einem Gehäuseboden des Gehäuses des elektrochemischen Speichers angeordnet.According to a practical embodiment of the invention, the at least one first heat exchanger integrated into the coolant circuit is arranged on a housing base of the housing of the electrochemical storage device.
Was den zumindest einen in den Kältemittel-Kreislauf integrierten zweiten Wärmetauscher anbelangt, ist dieser bevorzugt innerhalb des Gehäuses des elektrochemischen Speichers angeordnet, weiter bevorzugt mit dem wenigstens einen Speichermodul oder der wenigstens einen Speicherzelle des elektrochemischen Speichers thermisch verbunden, wodurch eine besonders wirkungsvolle Temperierung des elektrochemischen Speichers mittels des Kältemittel-Kreislaufs ermöglicht ist. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass in diesem Fall ein Kältemittel Verwendung finden sollte, welches elektrisch nicht leitend ist.As far as the at least one second heat exchanger integrated in the refrigerant circuit is concerned, it is preferably arranged within the housing of the electrochemical storage unit, more preferably thermally connected to the at least one storage module or the at least one storage cell of the electrochemical storage unit, which enables particularly effective temperature control of the electrochemical storage unit Storage is made possible by means of the refrigerant circuit. It goes without saying for the person skilled in the art that in this case a refrigerant should be used which is not electrically conductive.
Das Verfahren zur Temperierung eines in einem Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speichers mittels einer Vorrichtung der vorbeschriebenen Art zur Temperierung zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass der elektrochemische Speicher unterhalb eines bestimmten Schwellwertes einer gemessenen Außentemperatur des elektrochemischen Speichers über den ersten Temperierungsmittel-Kreislauf gekühlt wird, wogegen bei Überschreiten des besagten Schwellwertes, der elektrochemische Speicher wenigstens über den zweiten Temperierungsmittel-Kreislauf gekühlt wird. Besagte Temperaturschwelle kann beispielsweise bei 25°C liegen, so dass bei aktuell zu verzeichnenden niedrigen Außentemperaturen < 25°C über den zumindest einen in den Kühlmittel-Kreislauf integrierten ersten Wärmetauscher gekühlt wird, wogegen bei aktuell zu verzeichnenden hohen Außentemperaturen ≥ 25°C der elektrochemische Speicher wenigstens über den zumindest einen in den Kältemittel-Kreislauf integrierten zweiten Wärmetauscher gekühlt wird.The method for temperature control of an electrochemical store arranged in a vehicle by means of a device of the type described above for temperature control is essentially characterized in that the electrochemical store is cooled below a certain threshold value of a measured outside temperature of the electrochemical store via the first temperature control medium circuit, on the other hand when said threshold value is exceeded, the electrochemical storage device is cooled at least via the second temperature control medium circuit. Said temperature threshold can be, for example, 25 ° C, so that at currently recorded low outside temperatures <25 ° C, the at least one first heat exchanger integrated into the coolant circuit is cooled, whereas at currently recorded high outside temperatures ≥ 25 ° C, the electrochemical one Memory is cooled at least via the at least one integrated into the refrigerant circuit second heat exchanger.
Alternativ oder in Kombination mit vorstehender Maßnahme kann auch vorgesehen sein, dass unter Zuhilfenahme einer elektronischen Regel- und Steuereinheit des Fahrzeugs die Temperierung derart erfolgt, dass die Entscheidung, über welchen Temperierungsmittel-Kreislauf gekühlt wird, sich an einer aktuell zu verzeichnenden höheren Effizienz eines der Temperierungsmittel-Kreisläufe, demgemäß, mittels welchem Temperierungsmittel-Kreislauf aktuell weniger Energie zur Temperierung benötigt wird, orientiert, und dass sobald festgestellt wird, dass die Leistung des effizienteren Temperierungsmittel-Kreislaufes nicht mehr ausreicht, beide Temperierungsmittel-Kreisläufe zum Einsatz kommen.Alternatively or in combination with the above measure, it can also be provided that the temperature control is carried out with the aid of an electronic control unit of the vehicle in such a way that the decision as to which temperature control medium circuit is used for cooling is based on a currently recorded higher efficiency of one of the Temperature control medium circuits, according to which temperature control medium circuit is currently required less energy for temperature control, and that as soon as it is determined that the performance of the more efficient temperature control medium circuit is no longer sufficient, both temperature control medium circuits are used.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, mit einer Temperierungsvorrichtung der vorbeschriebenen Art. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um ein Elektro-, Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeug.The invention also relates to a vehicle with a temperature control device of the type described above. This is essentially an electric, hybrid or plug-in hybrid vehicle.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
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1 äußerst schematisch ein mit einer Temperierungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art ausgestattetes Elektrofahrzeug, -
2 ein Fließbild einer Temperierungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, und -
3 ein Fließbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Temperierungsvorrichtung.
-
1 extremely schematically an electric vehicle equipped with a temperature control device of the generic type, -
2 a flow diagram of a temperature control device according to the prior art, and -
3 a flow diagram of a temperature control device designed according to the invention.
Gemäß
Dem elektrochemischen Speicher
Der besagte erste Wärmetauscher
Um die Kühlleistung des in den ersten Temperierungsmittel-Kreislauf in Form des Kühlmittel-Kreislaufes
Der Kältemittel-Kreislauf
Unter Kühlmittel werden bevorzugt flüssige (z. B. Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch, etc.), alternativ jedoch auch gasförmige Stoffe oder Stoffgemische (z. B. Luft), zum Transport von Wärme verstanden. Kühlmittel sind jedoch lediglich in der Lage, in einem Kühlzyklus die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren. Demgegenüber kann ein Kältemittel (z. B. besagtes CO2 oder R1234yf, etc.) dies in einem Kältezyklus entgegen einem Temperaturgradienten tun, so dass die Umgebungstemperatur höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden elektrochemischen Speichers.Coolants are preferably understood to be liquid (e.g. water, water-glycol mixture, etc.), but alternatively also gaseous substances or mixtures of substances (e.g. air) for the transport of heat. However, coolants are only able to transport the enthalpy along the temperature gradient to a point of lower temperature in a cooling cycle. In contrast, a refrigerant (e.g. said CO2 or R1234yf, etc.) can do this in a cold cycle against a temperature gradient so that the ambient temperature may be higher than the temperature of the electrochemical storage device to be cooled.
Um ein Thermomanagement für den elektrochemischen Speicher
Wie der
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, sondern erfasst auch zumindest einen zweiten Wärmetauscher
Gemäß dieser Erfindung wird unter einem Temperierungsmittel nicht nur ein Kühlmittel, sondern auch ein flüssiger oder gasförmiger Wärmeträger verstanden, der bei Bedarf auch Wärme an den elektrochemischen Speicher
Ein bevorzugtes Verfahren zur Temperierung des im Fahrzeug
Die Temperierung des elektrochemischen Speichers
Da hohe Kühlleistungen (Nutzung beider Wärmetauscher
Bezugszeichenliste List of reference symbols
- 11
- Fahrzeugvehicle
- 22
- ElektromotorElectric motor
- 33
- elektrochemischer Speicherelectrochemical storage
- 44th
- Gehäusecasing
- 55
- SpeichermodulMemory module
- 66th
- Vorrichtung zur TemperierungDevice for temperature control
- 77th
- erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
- 88th
- Kühlmittel-KreislaufCoolant circuit
- 99
- GehäusebodenCase back
- 1010
- Pumpepump
- 1111
- Kältemittel-KreislaufRefrigerant circulation
- 1212
- Kompressorcompressor
- 1313
- VerflüssigerCondenser
- 1414th
- DrosseleinrichtungThrottle device
- 1515th
- VerdampferEvaporator
- 1616
- WärmetauschervorrichtungHeat exchanger device
- 1717th
- zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
- 1818th
- SpeichermodulgehäuseMemory module housing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102013213114 A1 [0003]DE 102013213114 A1 [0003]
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-
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CN 208 352 485 U (Maschinenübersetzung, EPO-online, [abgerufen am 16.01.2020]), und Derwent-abstract, AN_WPI : 201886030J * |
JP 2014 203 736 A (Maschinenübersetzung, EPO-online, [abgerufen am 16.01.2020]), und Derwent-abstract, AN_WPI : 2014T65286 * |
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