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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, die mehrere Batteriezellen umfasst, mittels einer von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinrichtung als Teil mindestens eines von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislaufs, der mindestens eine Kühlmittepumpe umfasst, die in einem aktiven Zustand das im mindestens einen Kühlkreislauf befindliche Kühlmittel im Kühlkreislauf zirkuliert. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Kühlanordnung sowie ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Batterien von Kraftfahrzeugen, insbesondere Hochvoltbatterien, durch eine Kühleinrichtung gekühlt werden können. Eine solche Kühleinrichtung kann zum Beispiel als Kühlboden ausgebildet sein, auf welchem die Batteriezellen der Hochvoltbatterie beziehungsweise die Batteriemodule angeordnet sind. Eine solche Kühleinrichtung ist zudem oftmals als metallische Kühlplatte ausgeführt, die von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle umfasst. Um eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr zu ermöglichen, können die Batteriezellen beziehungsweise die Batteriemodule zudem über zum Beispiel eine Wärmeleitpaste oder einen gut thermisch leitfähigen Klebstoff an diese Kühlplatte angebunden sein. Kommt es zu einem sogenannten Thermal Runaway, das heißt einem thermischen Durchgehen, einer Batteriezelle, so erhitzt sich diese Batteriezelle sehr stark. Folglich entstehen sehr hohe Temperaturen an dieser Zelle. Wird diese Wärme an Nachbarzellen übertragen, so erhitzen sich auch diese, was wiederum ein thermisches Durchgehen dieser benachbarten Zellen auslösen kann. Dies kann letztendlich zu einer Kettenreaktion, einer sogenannten thermischen Propagation, führen, im Zuge von welcher alle Zellen der Hochvoltbatterie thermisch durchgehen. Damit einhergehend geht die Batterie oftmals in Flammen auf. Um dies zu verhindern, müssten die Wärmeleitpfade zu benachbarten Zellen unterbunden werden. Bisher wird versucht, dies durch entsprechende thermisch isolierende Zellzwischenmaterialien zu erreichen. Die Zellen sind aber auch auf andere Art und Weise miteinander gekoppelt. Beispielsweise sind diese über Zellverbinder elektrisch miteinander verschalten, sodass über diese Zellverbinder auch ein sehr gut thermisch leitender Pfad zwischen den Zellpolen benachbarter Zellen bereitgestellt ist. Auch sind die Zellen über die oben beschriebene metallische Kühlplatte miteinander thermisch gekoppelt.
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Ein weiteres Problem im Falle eines Thermal Runaways besteht zudem darin, dass bei Detektion eines solchen Fehlerfalls üblicherweise das Hochvoltbordnetz, welches im normalen Betriebsfall von der Batterie mit Energie versorgt wird, deaktiviert wird und die Batterie sofort vom restlichen Hochvoltbordnetz entkoppelt wird. Damit steht auch eine aktive Kühlung, gemäß welcher das Kühlmittelt durch einen Kältekreis aktiv gekühlt wird, für die Batterie nicht mehr zur Verfügung. Gemäß dem Stand der Technik wird daher versucht, durch spezielle Löscheinrichtungen eine thermische Propagation zu verhindern oder einen Batteriebrand zu löschen.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2016 200 368 A1 ein Batteriesystem mit einem Batteriemodul und einem Kühlmittelkreislaufsystem mit mindestens einem Kühlmittelbehälter und einer Kühlmittelleitung, die teilweise durch das Batteriemodul geführt ist, wobei die Kühlmittelleitung eine Notfallöffnung im Batteriemodul aufweist, die durch ein Betätigungselement verschlossen ist, welches als drucksensitives Betätigungselement ausgebildet ist, das bei einem Druck größer einem Schwellwert öffnet und die Notfallöffnung freigibt. Weiterhin weist der Kühlmittelbehälter einen Anschluss für einen Löschmittelschlauch oder eine Schnittstelle zur Befestigung eines Anschlusses für einen Löschmittelschlauch auf. Wird ein Löschmittelschlauch an den Anschluss angeschlossen und Löschmittel eingefüllt, führt dies zu einem erhöhten Druck im Kühlmittelkreislaufsystem, wodurch die Notfallöffnung im Batteriemodul geöffnet wird und das Kühlmittel in das Batteriemodul fließen kann.
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Weiterhin beschreibt die
DE 20 2007 011 578 U1 eine Klimaanlage und einen Energiespeicher, wobei die Klimaanlage ein Kreislaufmedium aufweist, welches in einem Behälter aufgenommen ist, wobei das Kreislaufmedium durch eine Steuereinrichtung zumindest teilweise aus dem Behälter ableitbar ist und dem Energiespeicher zuleitbar ist, um dieses als Löschmittel für einen Brand des Energiespeichers einzusetzen.
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Diese Maßnahmen sind jedoch sehr aufwendig und nur bedingt wirkungsvoll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, eine Kühlanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es auf möglichst effiziente und einfache Weise ermöglichen, eine thermische Propagation innerhalb einer Batterie aufzuhalten oder zumindest hinauszuzögern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Kühlanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, die mehrere Batteriezellen umfasst, mittels einer von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühleinrichtung als Teil mindestens eines von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislaufs, der mindestens eine Kühlmittelpumpe umfasst, die in einem aktiven Zustand das im mindestens einen Kühlkreislauf befindliche Kühlmittel im Kühlkreislauf zirkuliert, steuert eine Steuereinrichtung die mindestens eine Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von einer Detektion eines Fehlerfalls, der ein thermisches Durchgehen zumindest einer der Batteriezellen der Batterie betrifft, so an, dass die mindestens eine Kühlmittelpumpe aktiviert wird oder weiter im aktiven Zustand betrieben wird, wenn der Fehlerfall detektiert wird.
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Die Kühlmittelpumpe kann also, wenn diese sich zum Zeitpunkt der Detektion des Fehlerfalls im inaktiven Zustand befindet, aktiviert werden oder, wenn diese sich bereits im aktiven Zustand befindet, weiterhin aktiviert bleiben oder auch zunächst deaktiviert werden und wieder aktiviert werden. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass, wenngleich im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle zwar keine aktive Kühlung aufgrund der Abschaltung des Hochvoltsystems und damit einhergehend zum Beispiel auch der Abschaltung eines Klimakompressors oder anderer Komponenten, mehr bereitgestellt werden kann, so dass auch keine aktive Kühlung des Kühlmittels mehr bereitgestellt werden kann, die Kühlmittelpumpe im Kühlkreislauf, die aus dem Niedervoltbordnetz versorgt werden kann, dennoch weiter betrieben werden kann beziehungsweise in den aktiven Zustand versetzt werden kann. Das im Kühlkreislauf zirkulierte Kühlmittel kann dann zwar nicht mehr aktiv heruntergekühlt werden, durch den Betrieb der Kühlmittelpumpe kann es jedoch erreicht werden, dass die lokal durch die thermisch durchgehende Batteriezelle an die Kühleinrichtung abgegebene Wärme von diesem Hotspot-Bereich abtransportiert werden kann, und durch andere Komponenten des Kühlsystems aufgenommen werden kann, zum Beispiel durch das Kühlmittel selbst, und andere mit dem Kühlkreislauf gekoppelte Komponenten. Dadurch kann die Wärmemenge, die von der thermisch durchgehenden Zelle auf benachbarte Zellen, insbesondere über die Kühleinrichtung, übertragen wird, deutlich reduziert werden. Durch das Aktivieren der Kühlmittelpumpe beziehungsweise deren Betrieb, wenn ein solcher Fehlerfall detektiert wird, kann also ein Umwälzen des Kühlmediums, das heißt des Kühlmittels, bewirkt werden, um die Wärme gezielt aus diesem Hotspot-Bereich abzutransportieren und zu verteilen. Somit lässt sich also die Wärmekapazität des Kühlsystems als Ganzes nutzen, um die Wärme aufzunehmen, abzuleiten und dadurch eine thermische Propagation zu verhindern oder zumindest deutlich hinauszuzögern. Mit anderen Worten kann die vorhandene Wärmekapazität des Kühlmediums, der z.B. als Kühlplatte ausgebildeten Kühleinrichtung, und anderer Komponenten genutzt werden, um möglichst viel thermische Energie aufzunehmen. Dieser Effekt sorgt dafür, dass nur noch ein geringer Wärmeeintrag in die benachbarten Zellen stattfindet, dieser aber nicht mehr ausreicht, um ein thermisches Durchgehen der nächsten Zelle auszulösen.
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Bei der Batterie kann es sich zum Beispiel um eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln. Diese kann vielzählige Batteriezellen umfassen, die zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein können. Dabei kann die Batterie auch mehrere Batteriemodule aufweisen, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Die Kühleinrichtung kann, wie eingangs beschrieben, zum Beispiel als Kühlboden oder Kühlplatte ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die Kühleinrichtung von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle. Die Kühleinrichtung kann zum Beispiel als eine metallische Platte mit Kühlkanälen ausgebildet sein. Die Kühleinrichtung kann dabei auch zum Beispiel Teil eines Batteriegehäuses der Batterie sein. Zum Beispiel kann die Kühleinrichtung als Kühlboden eines solchen Batteriegehäuses ausgebildet sein. Die Batteriezellen können über eine Wärmeleitmasse oder einen wärmeleitfähigen Klebstoff an die Kühleinrichtung angebunden sein. Das Kühlmittel kann zum Beispiel Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch darstellen.
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Die Kühlmittelpumpe kann im Allgemeinen zumindest einen aktiven und einen inaktiven Zustand aufweisen. Im inaktiven Zustand der Kühlmittelpumpe wird das im Kühlkreislauf befindliche Kühlmittel nicht aktiv durch diesen gepumpt und zirkuliert entsprechend nicht, sondern steht vielmehr in den Kühlkanälen und Leitungen. Wird die Kühlmittelpumpe aktiviert, so pumpt diese das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf, wodurch dieses im Kühlkreislauf zirkuliert wird. Der Kühlkreislauf kann zudem auch ein Kühlmittelreservoir zur Bereitstellung des Kühlmittels aufweisen. Zudem ist es denkbar, dass die Kühlmittelpumpe auch verschiedene Betriebsstufen im aktiven Zustand aufweist, um zum Beispiel die Pumpleistung einzustellen. Die Steuereinrichtung ist zur Steuerung der Kühlmittelpumpe ausgelegt. Die Steuereinrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann zudem als Gesamtheit vieler einzelner Steuereinheiten aufgefasst werden. Mit anderen Worten müssen die im Zusammenhang mit der Steuereinrichtung beschriebenen Steuerfunktionen nicht durch zum Beispiel einen einzelnen Controller oder ein Stuergerät umgesetzt sein, sondern können auf viele verschiedene Controller oder Steuergeräte verteilt sein. Auch die Kühlmittelpumpe kann selbst zum Beispiel eine eigens zugeordnete Steuereinheit aufweisen, sowie zum Beispiel auch die Batterie. Die Steuereinrichtung kann zudem auch dazu ausgelegt sein, den genannten Fehlerfall zu detektieren. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung auch dazu ausgelegt sein, ein Detektionssignal von einer Detektionseinrichtung zu empfangen, die den Fehlerfall erfasst. Zur Erfassung eines solchen Fehlerfalls gibt es mehrere verschiedene Möglichkeiten, wie zum Beispiel die Erfassung des Überschreitens eines bestimmten Temperaturschwellwerts durch eine erfasste Temperatur der Batteriezellen, die Erfassung bestimmter elektrischer Größen, zum Beispiel die Erfassung eines Spannungseinbruchs einer Zellspannung, die Erfassung eines Ausgasens der Batteriezelle mittels eines Gassensors oder eines Drucksensors in der Batterie, und so weiter. Wird also ein solcher Fehlerfall, der ein thermisches Durchgehen der zumindest einen Batteriezelle betrifft beziehungsweise darstellt, detektiert, so kann entsprechend die Steuereinrichtung die Kühlmittelpumpe ansteuern, um diese zu aktivieren. Befindet sich die Kühlmittelpumpe in diesem Fall bereits im aktiven Zustand, so kann diese entsprechend weiterbetrieben werden, selbst wenn beispielsweise auch das Hochvoltbordnetz abgeschaltet wird. Denkbar ist es auch, dass zunächst, wie üblich bei Detektion des Fehlerfalls, zunächst die Kühlung deaktiviert wird und in diesem Zusammenhang auch die Kühlmittelpumpe zunächst ausgeschaltet wird wie bisher, und anschließend durch Ansteuerung durch die Steuereinrichtung erneut aktiviert wird.
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Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Steuereinrichtung und die mindestens eine Kühlmittelpumpe im aktiven Zustand von einem Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dem Niedervoltbordnetz kann dabei ein eigener Energiespeicher zugeordnet sein, zum Beispiel eine zweite Batterie, die zum Beispiel als 12-Volt-Batterie ausgebildet sein kann. Damit ist es also vorteilhafterweise möglich, die Steuereinrichtung sowie die Kühlmittelpumpe unabhängig von der Funktionsfähigkeit der Batterie, insbesondere der Hochvoltbatterie, zu betreiben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie in mindestens einem vom Fehlerfall verschiedenen Betriebszustand zur Energieversorgung eines Hochvoltbordnetzes des Kraftfahrzeugs ausgelegt, wobei die Steuereinrichtung bei detektiertem Fehlerfall die mindestens eine Kühlmittelpumpe zum Aktivieren oder Weiterbetreiben unabhängig von einem aktuellen Aktivierungszustand des Hochvoltbordnetzes ansteuert. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, die Kühlmittelpumpe zur Umwälzung des Kühlmittels zu betreiben, selbst wenn das Hochvoltbordnetz nicht mehr aktiv ist und damit auch keine aktive Kühlung des Kühlmittels mehr bereitgestellt werden kann. Wie oben bereits beschrieben, wird hierbei die Erkenntnis genutzt, dass trotzdem eine gewisse Kühlwirkung erreicht werden kann, indem durch den Betrieb der Kühlmittelpumpe das Kühlmittel die im Bereich der thermisch durchgehenden Zelle entstehende Wärme aus diesem Bereich wegtransportieren kann, um dieses auf andere Komponenten und deren Wärmekapazitäten zu verteilen.
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Entsprechend stellt es auch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die Steuereinrichtung das Hochvoltbordnetz in Abhängigkeit von einer Detektion eines Fehlerfalls deaktiviert, insbesondere eine Trenneinrichtung zum elektrischen Trennen der Batterie vom Hochvoltbordnetz ansteuern, wenn der Fehlerfall detektiert wird. Das Trennen der Batterie vom restlichen Hochvoltbordnetz im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle erhöht die Sicherheit. Würde stattdessen die Batterie weiterhin das Hochvoltbordnetz mit Energie versorgen, so würde dies das thermische Durchgehen der betreffenden Zelle und der Nachbarzelle nur zusätzlich fördern. Trotz getrenntem Hochvoltbordnetz lässt sich durch die Erfindung dennoch eine Kühlwirkung durch den Kühlkreislauf bereitstellen, wenn die Kühlmittelpumpe aktiviert wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung koppelt die Steuereinrichtung mindestens eine mit dem mindestens einen Kühlkreislauf koppelbare Komponente im Falle der Detektion des Fehlerfalls mit dem mindestens einen Kühlkreislauf, sodass durch das Kühlmittel, welches im mindestens einen Kühlkreislauf zirkuliert, mehr Wärme auf die mindestens eine Komponente übertragbar ist als im ungekoppelten Zustand.
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Dies beruht auf der Erkenntnis, dass typischerweise über einen solchen Kühlkreislauf nicht nur die Batterie, sondern auch andere Komponenten im normalen Betrieb gekühlt werden können. Je nach aktueller Kühlanforderung der einzelnen Komponenten können diese mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden oder von diesem entkoppelt werden. Dies lässt sich zum Beispiel durch eine entsprechende Ventilansteuerung und durch das Vorsehen entsprechender Kühlkreislaufzweige bewerkstelligen. Die Wärmekapazitäten dieser weiteren Komponenten können nun vorteilhafterweise auch genutzt werden, um im Notfall die von der thermisch durchgehenden Zelle abgegebene Wärme aufzunehmen. Zu diesem Zweck kann also eine solche Komponente aktiv bei Detektion des Fehlerfalls mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden, insbesondere unabhängig vom aktuellen Kühlbedarf dieser Komponente. Damit kann das Kühlmittel, welches im Fehlerfall von der Pumpe durch den Kühlkreislauf zirkuliert wird, auch Wärme an solche weiteren Komponenten abgeben. Dabei kann es sich grundsätzlich um jede beliebige mit dem Kühlkreislauf koppelbare Komponente des Kraftfahrzeugs handeln, sei es eine Batteriekomponente oder eine Komponente außerhalb der Batterie beziehungsweise des Batteriesystems, zum Beispiel eine Hochvoltkomponente. Dabei kann bei Bedarf nicht nur eine solche Komponente mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden, sondern auch mehrere oder auch alle diejenigen, die an den Kühlkreislauf koppelbar sind. Insgesamt kann so eine enorm große thermische Masse bereitgestellt werden, an die die Wärmeenergie übertragen werden kann.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung koppelt die Steuereinrichtung die mindestens eine mit dem mindestens einen Kühlkreislauf koppelbare Komponente im Falle der Detektion des Fehlerfalls in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur der mindestens einen Komponente nur dann mit dem Kühlkreislauf, wenn durch die mindestens eine Komponente Wärme vom Kühlmittel aufnehmbar ist, insbesondere wenn die aktuelle Temperatur der Komponente ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt. Dieses kann zum Beispiel darin bestehen, dass die aktuelle Temperatur der mindestens einen Komponente kleiner ist als eine aktuelle Temperatur des Kühlmittels, insbesondere der Temperatur des Kühlmittels in einem bestimmten der Komponente zugeordneten Bereich des Kühlkreislaufs. Wird die Pumpe aktiv betrieben und wälzt dadurch das Kühlmittel um, so stellt sich ohne aktive Kühlung ohnehin im Laufe der Zeit eine nahezu gleiche Temperatur des Kühlmittels im gesamten Kühlkreislauf ein. Die Temperatur des Kühlmittels kann dabei an einer oder mehreren Stellen mittels geeigneter Temperatursensoren erfasst werden. Auch die mindestens eine Komponente kann einen solchen Temperatursensor aufweisen. Im Normalbetrieb kann die Temperatur der Komponente zum Beispiel genutzt werden, um die Kühlleistung für die mindestens eine Komponente einzustellen oder je nach Bedarf zu aktivieren oder zu deaktivieren. Im vorliegenden Fall kann die aktuelle Temperatur der Komponente vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um zu entscheiden, ob diese überhaupt Wärme aus dem Kühlkreislauf aufnehmen kann. Befindet sich das Kraftfahrzeug beispielsweise gerade oder bereits längere Zeit im Stillstand, so sind die Kraftfahrzeugkomponenten im Vergleich zu einer thermisch durchgehenden Zelle und entsprechend auch im Vergleich zur Kühlmitteltemperatur deutlich kühler, sodass vorteilhafterweise diese Komponenten mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden können, um zusätzlich Wärme aus dem Kühlkreislauf aufzunehmen. Ist eine betreffende Komponente aufgrund ihres vorhergehenden Betriebs sehr heiß, so kann entsprechend vorteilhafterweise in dieser Situation auf eine Kopplung dieser mit dem Kühlkreislauf verzichtet werden, um nicht noch zusätzlich Wärmeenergie in diesen einzutragen. Somit kann situativ die für die Wärmeabfuhr effizienteste Lösung gewählt werden. Dabei können einzelnen Komponenten, die mit dem Kühlkreislauf separat koppelbar sind, auch einzelne Temperatursensoren zugeordnet sein, sodass für jede dieser Komponenten einzeln entschieden werden kann abhängig von ihrer zugeordneten Temperatur, ob sie zur Aufnahme von Wärme aus dem Kühlkreislauf aktuell geeignet ist oder nicht und entsprechend kann diese Komponente selektiv mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden oder nicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung koppelt die Steuereinrichtung die mindestens eine Komponente im Falle der Detektion des Fehlerfalls mit dem mindestens einen Kühlkreislauf durch Ansteuerung zumindest einer ersten Ventileinrichtung, sodass sich diese Ventileinrichtung in einem ersten Zustand befindet, in welchem ein der Komponente zugeordneter Kühlreislaufteil des mindestens einen Kühlkreislaufs vom Kühlmittel durchströmt wird, wenn die mindestens eine Kühlmittelpumpe aktiv ist. Mit anderen Worten kann die Kopplung der betreffenden Komponente mit dem Kühlkreislauf einfach dadurch erfolgen, indem ein Ventil, das einer Komponente oder dem Kühlkreislaufteil zugeordnet ist, welchem die Komponente zugeordnet ist, geöffnet wird. Damit kann es also sein, dass sich die Komponente und zum Beispiel die Kühleinrichtung für die Batterie in unterschiedlichen und damit separat steuerbaren Kühlkreislaufzweigen des Kühlkreislaufs befinden.
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Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, dass sich die Komponente in einem separaten Kühlkreislauf befindet, der fluidisch oder thermisch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden kann, in dem sich die Kühleinrichtung für die Batterie befindet. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der mindestens eine Kühlkreislauf einen ersten Kühlkreislauf, welcher die Kühleinrichtung umfasst, und einen zweiten Kühlkreislauf aufweist, welchem die mindestens eine Komponente zugeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung die mindestens eine Komponente im Falle der Detektion des Fehlerfalls mit dem mindestens einen Kühlkreislauf durch Ansteuerung zumindest einer zweiten Ventileinrichtung koppelt, sodass diese sich in einem ersten Zustand befindet, in dem der erste und der zweite Kühlkreislauf fluidisch miteinander verbunden sind. So kann auch zwischen separaten Kühlkreisläufen einfach eine fluidische Verbindung durch zum Beispiel Öffnen eines Ventils hergestellt werden. Damit kann die von anderen Kühlkreisläufen bereitgestellte Wärmekapazität ebenfalls genutzt werden, um Wärme aus der thermisch propagierenden Zelle aufzunehmen. Neben dem Herstellen einer fluidischen Verbindung zwischen verschiedenen Kühlkreisläufen durch Öffnen von Ventileinrichtungen gibt es aber auch andere Kopplungsmöglichkeiten zwischen unterschiedlichen Kühlkreisläufen, zum Beispiel rein thermische Kopplungsmöglichkeiten, zum Beispiel über Wärmetauscher.
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Unter verschiedenen Kühlkreisläufen können z.B. im Gegensatz zu unterschiedlichen Kühlkreislaufzweigen Kühlkreisläufe verstanden werden, die jeweils eigene Kreislaufkomponenten, wie eine Pumpe, insbesondere die mindestens eine Kühlmittelpumpe, und ein Kühlmittelreservoir aufweisen, während unterschiedliche Kühlkreislaufzweige gemeinsame Komponenten nuten können, zum Beispiel eine gemeinsame Kühlmittelpumpe und ein gemeinsames Kühlmittelreservoir.
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Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen erlauben es somit, vielzählige bereits bestehende Komponenten in einem Kühlkreislauf auch weiterhin zu nutzen, sowie auch bestehende Kreislauftopologien zu nutzen, und eine vorteilhafte, angepasste Steuerstrategie umzusetzen, um die Wärme von der thermisch durchgehenden Zelle auf besonders effiziente Weise in andere Bereiche des Kraftfahrzeugs zu übertragen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Kühlanordnung zum Kühlen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühlanordnung die Batterie, die mehrere Batteriezellen umfasst, aufweist, sowie einen Kühlkreislauf, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, wobei der Kühlkreislauf eine von dem Kühlmittel durchströmbare Kühleinrichtung zur Kühlung der Batterie umfasst und mindestens eine Kühlmittelpumpe, die dazu ausgelegt ist, in einem aktiven Zustand der mindestens einen Kühlmittelpumpe ein im Kühlkreislauf befindliches Kühlmittel im Kühlkreislauf zu zirkulieren. Darüber hinaus umfasst die Kühlanordnung eine Steuereinrichtung zum Steuern der mindestens einen Kühlmittelpumpe, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, einen ein thermisches Durchgehen zumindest einer der Batteriezellen der Batterie betreffenden Fehlerfall zu detektieren und die mindestens eine Kühlmittelpumpe, insbesondere unabhängig von einem Aktivierungszustand eines Hochvoltbordnetzes des Kraftfahrzeugs, so anzusteuern, dass diese im Falle der Detektion des Fehlerfalls aktiviert wird oder weiter im aktiven Zustand betrieben wird.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Kühlanordnung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung zweier Batteriezellen einer Batterie auf einer Kühleinrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs einer Kühlanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im inaktiven und im aktiven Zustand; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung zweier Batteriezellen 10 einer Batterie 12 auf einer Kühleinrichtung 14 als Teil einer Kühlanordnung 16 (vergleiche 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kühleinrichtung 14 kann dabei zum Beispiel als von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte 14 ausgebildet sein. Die Darstellung in 1 dient hauptsächlich zur Veranschaulichung verschiedener thermischer Pfade 18a, 18b, 18c, über welche Energie, insbesondere Wärmeenergie, von einer Batteriezelle 10 zur anderen Zelle 10 gelangen kann. Kommt es zum Beispiel zu einem thermischen Event einer der Batteriezellen 10, wie im vorliegenden Beispiel exemplarisch bei der Batteriezelle 10a in 1, so erhitzt sich diese sehr stark. Die in der Zelle 10a entstehende Wärme kann sich dabei über die verschiedenen Pfade 18a, 18b, 18c zu einer benachbarten Zelle 10b ausbreiten. Um eine solche Ausbreitung zu verhindern, wird bislang versucht, die Zellen voneinander thermisch zu isolieren, zum Beispiel indem zwischen den Zellen 10 ein Zellzwischenmaterial 20 vorgesehen ist, welches einen hohen thermischen Widerstand aufweist. Dadurch lässt sich zwar prinzipiell der thermische Widerstand des zweiten Übertragungspfads 18b erhöhen, wodurch jedoch im Normalfall keine ausreichende thermische Entkopplung der Zellen bereitgestellt werden kann, um eine thermische Propagation zu verhindern. Dies ist dadurch bedingt, dass die Zellpole der Zellen 10 auch über Zellverbinder 22, sogenannte Busbars, miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wodurch auch eine gute thermische Kopplung der Zellpole bereitgestellt ist, was zum in 1 dargestellten ersten thermischen Pfad 18a führt. Zudem ist auch die Kühlplatte 14 aus metallischem Material und damit sehr gut thermisch leitfähig, wodurch im inaktiven Zustand der Kühlung ebenfalls eine sehr gute thermische Kopplung über den dritten dargestellten Pfad 18c zwischen den Zellen 10 bereitgestellt ist.
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Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen ermöglichen es nun vorteilhafterweise, vor allem eine Wärmeübertragung über diesen letztgenannten dritten thermischen Pfad 18c deutlich zu verringern, und indirekt auch über den Pfad 18a. Dies wird nun nachfolgend näher erläutert. Hierzu zeigt 2 eine schematische Darstellung einer Kühleinrichtung 16, oben im inaktiven Zustand und unten nochmal im aktiven Zustand. Grundsätzlich weist die Kühlanordnung 16 dabei die Batterie 12 auf, die wiederum mehrere Batteriezellen 10 umfassen kann, von welchen exemplarisch nur drei aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt sind.
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Weiterhin umfasst die Kühlanordnung 16 wieder eine Kühleinrichtung 14, wie diese ebenfalls bereits zu 1 beschrieben wurde. Zudem weist die Kühlanordnung 16 einen Kühlkreislauf 24 auf. In diesem ist ein Kühlmittel zirkulierbar. Um dabei das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf 24 zu bewegen, umfasst der Kühlkreislauf 24 eine Kühlmittelpumpe 26. Ist diese inaktiv, wie in der oberen Darstellung in 2, so steht das Kühlmittel in den Leitungen, Rohren und Kanälen des Kühlkreislaufs 24. Der inaktive Zustand der Kühlmittelpumpe 26 ist vorliegend mit i bezeichnet. Kommt es nun zu einem Fehlerfall F, der ein thermisches Durchgehen einer der Batteriezellen 10 betrifft, wie in 2 unten dargestellt, so wird die Kühlmittelpumpe 26 aktiviert und damit in ihren aktiven Zustand a überführt. Dadurch bedingt wird nun das Kühlmittel im Kühlkreislauf 24 zirkuliert, was durch den Pfeil 28 veranschaulicht ist. Damit einhergehend findet eine Umwälzung des Kühlmittels statt. Die Detektion des Fehlerfalls F ist mit dem Pfeil D veranschaulicht. Mit anderen Worten führt die Detektion D eines solchen Fehlerfalls F unmittelbar zur Aktivierung der Kühlmittelpumpe 26.
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Eine aktive Kühlung durch das Kühlmittel erfolgt dabei nicht. Dies ist dadurch bedingt, dass einhergehend mit der Detektion D des Fehlerfalls F auch das Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs deaktiviert wird, wodurch auch der elektrische Klimakompressor deaktiviert wird. Bislang hat man fälschlicherweise angenommen, dass demzufolge auch keine Kühlung der Batterie 12 mehr möglich ist. Die Kühlmittelpumpe 26 sowie auch eine vorliegend nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Ansteuern der Pumpe 26 kann jedoch über ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt werden, sodass ein Betrieb der Pumpe 26 auch möglich ist, selbst wenn die Batterie 12 vom restlichen Bordnetz entkoppelt ist. Zusätzlich bewirkt die durch die Aktivierung der Pumpe 26 ermöglichte Umwälzung des Kühlmittels, dass nun weiterhin die vorhandene Wärmekapazität des Kühlmittels selbst sowie der Kühlplatte und andere an den Kühlkreislauf 24 gekoppelte Komponenten genutzt werden können, um möglichst viel thermische Energie aufzunehmen. Dieser Effekt sorgt dafür, dass nur noch ein geringer Wärmeeintrag in die benachbarten Zellen 10b stattfindet und dieser somit nicht mehr ausreicht, um auch ein thermisches Durchgehen dieser benachbarten Zellen 10b auszulösen. Somit kann die von der thermisch durchgehenden Zelle 10a abgegebene Wärme, wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht, sehr schnell durch das fließende Kühlmittel von diesem Temperaturhotspot wegtransportiert werden, selbst dann, wenn das Kühlmittel selbst nicht mehr gekühlt werden kann. Der Wärmeübertrag über den dritten Pfad 18c ist dadurch deutlich reduziert. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr gelangt zudem auch weniger Wärme über den ersten Pfad 18a. Die Wärme wird stattdessen vom Kühlmittel aufgenommen, weitertransportiert und an andere Komponenten abgegeben, zum Beispiel auch von der Kühlplatte 14 selbst aufgenommen, jedoch deutlich besser und homogener über die gesamte Kühlplatte verteilt, vom Kühlmittel selbst aufgenommen und verteilt, und zum Beispiel auch an andere Batteriekomponenten, zum Beispiel Steuergeräte oder ähnliches, verteilt. Auch können in den Kühlkreis aktiv andere Komponenten, zum Beispiel auch andere Hochvoltkomponenten des Fahrzeugs, eingebunden werden, um zusätzlich noch Wärme an diese übertragen zu können. Dies ist insbesondere in 3 nochmal veranschaulicht.
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3 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 30 mit einer Kühlanordnung 16 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kühlanordnung 16 kann insbesondere, wie zur 2 und 1 bereits beschrieben, ausgebildet sein. Dargestellt ist hierbei wiederum der Kühlkreislauf 24, der als Komponenten die Kühleinrichtung 14 für die Batterie 12 aufweist, die Kühlmittelpumpe 26 sowie beispielsweise auch ein Kühlmittelreservoir 32. In dem Kühlkreislauf 24 ist in diesem Beispiel eine weitere Kühleinrichtung 34 für eine weitere Komponente 36 dargestellt. Die weitere Komponente 36 kann ein Hochvoltverbraucher sein, zum Beispiel eine Leistungselektronik für den Elektromotor, eine Wandlereinrichtung oder ähnliches. Die weitere Kühleinrichtung 34 kann als Kühlplatte, Wärmetauscher oder ähnliches ausgebildet sein. Der Kühlkreislauf 24 umfasst also zwei Teilpfade, einen ersten Teilpfad 24a, in welchem die Kühleinrichtung 14 angeordnet ist, und einen zweiten Teilpfad 24b, in welchem die Kühleinrichtung 34 für die weitere Komponente 36 eingebunden ist. Jedem Pfad 24a, 24b ist zudem ein Ventil 38a, 38b zugeordnet. Dadurch lässt sich die Kühlleistung für die jeweiligen Kühleinrichtungen 14, 34 steuern, insbesondere auch im Normalbetrieb ohne einen Fehlerfall F. Weiterhin ist vorliegend auch eine Steuereinrichtung 40 als Teil der Kühlanordnung 16 dargestellt. Diese ist dazu ausgelegt, sowohl die Pumpe 26 anzusteuern, als auch die Ventile 38a, 38b. Tritt nun ein Fehlerfall F auf, der ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle 10a der mehreren von der Batterie 12 umfassten Batteriezellen 10 betrifft, so kann diese von einer Detektionseinrichtung 42 detektiert werden. Die Detektionseinrichtung 42 kann den detektierten Fehlerfall F entsprechend an die Steuereinrichtung 40 signalisieren. Im Zuge der Detektion des Fehlerfalls F kann die Batterie 12 durch Ansteuern einer Trenneinrichtung 44, zum Beispiel ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 40, vom restlichen Hochvoltbordnetz 46 getrennt werden. Die Trenneinrichtung 44 kann zum Beispiel durch Hochvoltschütze 44 bereitgestellt sein, die in Zuge des Trennens geöffnet werden. Die Steuereinrichtung 40 selbst, sowie auch die Pumpe 26 und optionale weitere Komponenten, können weiterhin mit Strom über das Niedervoltbordnetz 48 und eine von diesem umfassten Energiespeicher 50 versorgt werden. Dies ermöglicht es nun vorteilhafterweise auch, dass die Steuereinrichtung 40 die Pumpe 26 ansteuert, um diese zu aktivieren. Zudem kann sie auch das Ventil 38a ansteuern, um dieses zu öffnen. Die Ansteuerung der Trenneinrichtung 44, der Ventile 38a, 38b, und der Pumpe 26 durch die Steuereinrichtung 40 ist in 3 durch gestrichelte Pfeile veranschaulicht. Dadurch kann also die Kühleinrichtung 14 vom Kühlmittel durchströmt werden, wodurch die Wärme aus der Batterie 12 abtransportiert werden kann und von anderen Komponenten des Kühlkreislaufs 24 aufgenommen werden kann. Optional kann die Steuereinrichtung 40 dabei auch das Ventil 38b ansteuern, um dieses zu öffnen, um so auch zusätzlich die weitere Komponente 36 in den Kühlkreislauf 24 einzubinden, insbesondere über ihre zugeordnete Kühleinrichtung 34. Die aus der Batterie 12 abtransportierte Wärme kann somit von diversen anderen Komponenten und Einrichtungen, insbesondere des gesamten Kraftfahrzeugs 30, aufgenommen werden. Eine übermäßig starke Erwärmung benachbarter Zellen 10 zur thermisch durchgehenden Zelle 10a kann damit vorteilhafterweise verhindert oder deutlich länger hinausgezögert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung die Nutzung der Wärmekapazität des Kühlsystems zur Verhinderung einer thermischen Propagation bereitgestellt wird. Damit einhergehend kann der Wärmeeintrag in das Kühlsystem so genutzt werden, dass nur ein möglichst geringer Wärmeeintrag über das Kühlsystem in die benachbarte Zelle oder benachbarte Zellen entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016200368 A1 [0004]
- DE 202007011578 U1 [0005]
