DE102021126471A1

DE102021126471A1 - Kühlanordnung, Kraftfahrzeugbatterie und Verfahren zum Betreiben von Kühleinheiten

Info

Publication number: DE102021126471A1
Application number: DE102021126471.5A
Authority: DE
Inventors: Eduard Main
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2023-04-13
Also published as: US20230112971A1; CN115966814A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung (12) zum Kühlen einer Zellanordnung (16) mit mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) einer Kraftfahrzeugbatterie (10), wobei die Kühlanordnung (12) mehrere Kühleinheiten (22, 22a, 22b) aufweist, wobei eine jeweilige der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) einer der Zelleinheiten (14, 14a, 14b) zugeordnet ist, und wobei die Kühlanordnung (12) eine Steuereinrichtung (24) aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Kühlleistung für eine jeweilige der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) separat zu steuern. Dabei ist die Steuereinrichtung (24) dazu ausgelegt, die Kühleinheiten (22, 22a, 22b) in einem bestimmten ersten Kühlmodus (M1) anders zu steuern als in einem bestimmten zweiten vom ersten verschiedenen Kühlmodus (M2), wobei die Kühlanordnung (12) derart ausgelegt ist, dass im Falle eines eine erste Zelleinheit (14, 14a) der mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) betreffenden Fehlerfalls (F) vom ersten Kühlmodus (M1) in den zweiten Kühlmodus (M1) gewechselt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen einer Zellanordnung mit mehreren Zelleinheiten einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei die Kühlanordnung mehrere Kühleinheiten aufweist, wobei eine jeweilige der Kühleinheiten einer der Zelleinheiten zugeordnet ist, und wobei die Kühleinheiten eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Kühlleistung für eine jeweilige der Kühleinheiten separat zu steuern. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer solchen Kühlanordnung und ein Verfahren zum Betreiben von Kühleinheiten.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge bekannt. Diese sind üblicherweise als Hochvolt-Batterien ausgebildet und umfassen vielzählige Batteriezellen, die beispielsweise auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Beim Laden dieser Zellen und im Betrieb des Kraftfahrzeugs müssen diese Zellen üblicherweise gekühlt werden. Zu diesem Zweck werden aktuelle Hochvolt-Batterien nach heutigem Stand der Technik mit großen Kühlplatten bestückt. Dabei werden alle oder zumindest mehrere Zellmodule über einer Kühlplatte positioniert. Somit teilen sich immer mehrere Zellmodule eine Kühlplatte. Das Kühlwasser erfasst immer alle Module gleichzeitig, die auf dieser gemeinsamen Kühlplatte positioniert sind. Durch die Verteilung der Module auf einer gemeinsamen Kühlplatte können damit nachteiligerweise die Module nur gemeinsam gekühlt oder geheizt werden. Eine gezielte Kühlung einzelner Module ist somit nicht möglich. Die Kühlleistung wird somit immer nach dem Kühlbedarf des heißesten Moduls gesteuert. Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind auch Kühlsysteme aus dem Stand der Technik bekannt, die es ermöglichen, Zellen oder Batteriemodule einzeln zu kühlen.
Beispielsweise beschreibt die WO 2013/178577 A1 ein Kühlmittelverteilersystem, gemäß welchem einzelne Zellen separat kühlbar sind. Weiterhin beschreibt die DE 10 2010 025 525 A1 ein Verfahren zur Kühlung von Batteriepacks, wobei wenigstens ein Batteriepack in mehrere Module aufgeteilt wird, und jedes Modul eigenständig gekühlt wird. Dabei kann die Kühlung eines Moduls unabhängig von der Temperatur der Kühlung anderer Module erfolgen. Nichts desto weniger kann die Kühlung eines Moduls auch abhängig von der Temperatur eines anderen Moduls erfolgen, welches den höchsten Temperaturwert aufweist. Dabei soll eine Vereinfachung erzielt werden, indem nur auf die Temperatur des heißesten Moduls geregelt wird. Dies macht jedoch den Vorteil der separaten Kühlmöglichkeit zunichte.
Weiterhin beschreibt auch die DE 10 2016 215 851 A1 eine Kühlvorrichtung für eine Batteriebaugruppe. Dabei weist die Kühlvorrichtung wenigstens zwei separat ausgebildete, einer Batterie gegenüberliegende Einzelkühlelemente auf, die jeweils über ein eigenes, dem jeweiligen Einzelkühlelement zugeordnetes Ventil mit Kühlmedium versorgt werden.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2019 213 757 B3 eine Kühlkreisvorrichtung für eine Batterieeinrichtung, welche mehrere Batteriemodule aufweist, dabei kann das dem jeweiligen Batteriemodul zugeordnete Kühlmittelventil geöffnet werden, wenn die Betriebstemperatur für das jeweilige Batteriemodul einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, insbesondere zum Zwecke des Kühlens des betreffenden Batteriemoduls, oder unterschreitet, insbesondere zum Zwecke des Beheizens des Batteriemoduls.
Bei den oben beschrieben Systemen steht dabei immer eine möglichst homogene Kühlung aller Batteriezellen einer Batterie im Vordergrund, um ein möglichst gleichmäßiges Altern aller Batteriezellen zu erreichen und damit die Lebensdauer der Gesamtbatterie möglichst zu erhöhen. Andere Aspekte, insbesondere Sicherheitsaspekte, werden dabei jedoch vernachlässigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlanordnung, eine Kraftfahrzeugbatterie und ein Verfahren bereitzustellen, die es erlauben, die Sicherheit im Zusammenhang mit der Kraftfahrzeugbatterie zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung, eine Kraftfahrzeugbatterie und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Kühlanordnung zum Kühlen einer Zellanordnung mit mehreren Zelleinheiten einer Kraftfahrzeugbatterie weist mehrere Kühleinheiten auf, wobei eine jeweilige der Kühleinheiten einer der Zelleinheiten zugeordnet ist, und wobei die Kühlanordnung eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Kühlleistung für eine jeweilige der Kühleinheiten separat zu steuern. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Kühleinheiten in einem bestimmten ersten Kühlmodus anders zu steuern als in einem bestimmten zweiten, vom ersten verschiedenen Kühlmodus, wobei die Kühlanordnung derart eingerichtet ist, dass im Falle eines eine erste Zelleinheit der mehreren Zelleinheiten betreffenden Fehlerfalls vom ersten Kühlmodus in den zweiten Kühlmodus gewechselt wird.
Die Erfindung beruht dabei gleichzeitig auf mehreren Erkenntnissen: In manchen Fällen, zum Beispiel bei Krafteinwirkung von außen oder im Falle eines Kurzschlusses, kann es zu einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle kommen. Daraus resultiert eine starke Wärmeentwicklung in der betreffenden Zelle, die sich auch auf die benachbarten Zellen im Modul überträgt. Diese können damit einhergehend auch thermisch durchgehen, so dass es zu einer thermischen Propagation kommt. Eine solche thermische Propagation lässt sich jedoch aufhalten oder zumindest zeitlich verzögern, wenn die betroffene Zelle oder das betroffene Modul verstärkt gekühlt wird. Um eine solche thermische Propagation möglichst effizient zu verzögern oder sogar aufzuhalten, sind jedoch sehr hohe Kühlleistungen erforderlich, die durch normale Kühleinrichtungen oder Kühlstrategien in der Regel nicht bereitgestellt werden können. Vor allem bei einer gemeinsamen Kühlung aller Zellen beziehungsweise Module über eine gemeinsame Kühlplatte kann dies nicht erreicht werden, da die geforderte Kühlleistung am betroffenen Modul durch die Kühlung aller Module sinkt. Aber auch bei herkömmlichen Kühlstrategien in Kühlsystemen, die zum Beispiel eine modulindividuelle Kühlung erlauben, ist die für ein jeweiliges Modul maximal erreichbare Kühlleistung beim gleichzeitigen Kühlen anderer Module stark limitiert. Dies lässt sich nun vorteilhafterweise durch das Vorsehen von zumindest zwei verschiedenen Kühlmodi beheben. Der erste Kühlmodus kann dabei zu einem normalen Kühlmodus korrespondieren, gemäß welchem die Steuereinrichtung die Kühleinheiten steuert, wenn kein detektierter Fehlerfall vorliegt. Eine solche Steuerung kann beispielsweise wie zum Stand der Technik beschrieben vorgenommen werden. Im Zuge dieses ersten Kühlmodus können zum Beispiel die einzelnen Kühleinheiten in Abhängigkeit von einer jeweiligen Temperatur der Ihnen zugeordneten Zelleinheit individuell gesteuert werden. Zelleinheiten, die beispielsweise wärmer sind als andere, können entsprechend auch stärker gekühlt werden als andere. Denkbar ist auch eine gekoppelte Kühlung aller Zelleinheiten im ersten Kühlmodus. Das heißt, dass im ersten Kühlmodus nicht notwendigerweise alle Zelleinheiten individuelle Kühlung zum Tragen kommen muss. Zum Beispiel kann im ersten Kühlmodus die Kühlleistung für alle Kühleinheiten gleich eingestellt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur der wärmsten Zelleinheit. Der zweite Kühlmodus dagegen erlaubt nun vorteilhafterweise z.B. eine andere Steuerstrategie umzusetzen, gemäß welcher zum Beispiel die erste Zelleinheit, die den Defekt aufweist, priorisiert gekühlt wird. Dies bedeutet, dass das Erreichen der Regelziele bezüglich der Kühlung der übrigen Zelleinheiten entsprechend eine untergeordnete Rolle spielen kann. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise in einem Fehlerfall, insbesondere bei einem Thermal Runaway, gezielt und priorisiert die von diesem Defekt betroffene Zelleinheit zu kühlen, und zum Beispiel die maximal von der Kühlanordnung bereitstellbare Kühlleistung auf diese betroffene Zelleinheit zu konzentrieren. Dies kann zum Beispiel auch umfassen, dass die übrigen Zelleinheiten damit einhergehend gar nicht mehr gekühlt werden, um die Kühlleistung für die betroffene erste Zelleinheit zu maximieren. Eine möglichst homogene Kühlung aller Zellen oder Zellmodule spielt damit im zweiten Kühlmodus nur noch eine untergeordnete Rolle oder überhaupt keine Rolle mehr. In diesem zweiten Kühlmodus kann sozusagen alles daran gesetzt werden, die thermische Propagation zu stoppen oder zumindest möglichst lange hinauszuzögern. Die Sicherheit im Zusammenhang mit der Kraftfahrzeugbatterie lässt sich durch eine solche Steuerstrategie beziehungsweise der Möglichkeit eines solchen Steuerstrategiewechsels bzw. im Allgemeinen dem Kühlmoduswechsel deutlich erhöhen.
Das Wechseln vom ersten in den zweiten Kühlmodus kann dabei ebenfalls von der Steuereinrichtung gesteuert werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, im Falle eines detektierten, eine erste Zelleinheit der mehreren Zelleinheiten betreffenden Fehlerfalls vom ersten Kühlmodus in den zweiten Kühlmodus zu wechseln. Ein solcher Wechsel kann aber auch passiv gesteuert sein, z.B. über ein passiv steuerbares Ventil in zugehörigen Kühlkreislauf. Beispielsweise ist es möglich, dass die entstehende Wärme im Modul bzw. Zelleneinheit dazu genutzt wird, ein Ventil im Kühlkreislauf temperaturabhängig passiv zu steuern, z.B. über einen Bimetall-Streifen. Das Ventil kann dann ohne Ansteuerung durch eine Steuereinrichtung bei ausreichend hoher Temperatur automatisch in eine bestimmte Ventilstellung gebracht werden, gemäß welcher zum Beispiel eine zusätzliche Kühlschleife der betreffenden Kühleinheit freigeschaltet wird, um vom Kühlmittel durchströmt zu werden, und welche zum Beispiel im ersten Betriebsmodus ungenutzt bleibt. Ein solches Ventil kann auch bei ausreichend hoher Temperatur passiv in eine maximal geöffnete Stellung gebracht werden, die im ersten Kühlmodus nie eingenommen wird. Bei einer solchen passiven Steuerung bzw. einem solchen passiven Kühlmoduswechsel ist keine zusätzliche Sensorik notwendig, um einen Thermal Runaway zu detektieren.
Unter einer Zelleinheit kann dabei sowohl eine einzelne Batteriezelle verstanden werden, als auch eine Zellgruppe mit mehreren Batteriezellen oder auch mehrere solcher Zellgruppen. Bevorzugt umfasst eine Zelleinheit mehrere Batteriezellen. Beispielsweise kann eine Zelleinheit auch ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen darstellen. Die die Zellanordnung bildenden Zelleinheiten sind dabei Teil einer Kraftfahrzeugbatterie. Diese ist vorzugsweise als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet. Zudem fungiert diese Kraftfahrzeugbatterie als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug. Bei den Batteriezellen kann es sich zum Beispiel um Lithium-Ionen-Zellen handeln. Eine jeweilige Kühleinheit kann zum Beispiel als Kühlplatte oder Kühlboden ausgebildet sein, insbesondere ist eine jeweilige Kühleinheit vorzugsweise von einem Kühlmittel durchströmbar, zum Beispiel einem Wasser-Glykol-Gemisch. Grundsätzlich kann die Kühlanordnung nicht nur zur Kühlung der jeweiligen Zelleinheiten verwendet werden, sondern beispielsweise auch zum Beheizen der Zelleinheiten.
Die Steuereinrichtung kann weiterhin dazu ausgelegt sein, ein Detektionssignal von einer Detektionseinrichtung zur Detektion des Fehlerfalls zu empfangen. Durch dieses Detektionssignal kann der Steuereinrichtung mitgeteilt werden, dass ein solcher Fehlerfall detektiert wurde beziehungsweise vorliegt. Entsprechend kann die Steuereinrichtung bei Empfang dieses bestimmten Detektionssignals, welches das Vorliegen des bestimmten Fehlerfalls signalisiert, den Wechsel vom ersten Kühlmodus in den zweiten Kühlmodus initiieren beziehungsweise auslösen und entsprechend ihre Steuerstrategie zum Ansteuern der Kühleinheiten ändern. Dabei kann die Steuereinrichtung auch dazu ausgelegt sein zu bestimmen, für welches der mehreren Zelleinheiten der betreffende Fehlerfall detektiert wurde. Insbesondere kann dies der Steuereinrichtung ebenfalls über das beschriebene Detektionssignal mitgeteilt werden. Beispielsweise kann in einzelnen Zelleinheiten, zum Beispiel Batteriemodulen, jeweils eine eigene Modulsteuereinheit zugeordnet sein. Wenn die betreffende Modulsteuereinheit den betreffenden Fehlerfall detektiert, zum Beispiel wenn die Modultemperatur einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, kann die betreffende Modulsteuereinheit dies an die Steuereinrichtung melden, die zum Beispiel ein übergeordnetes Steuergerät, zum Beispiel ein Batteriemanagement-Steuergerät, darstellen kann. Je nachdem, von welcher Modulsteuereinheit die Steuereinrichtung dieses Detektionssignal empfängt, ist entsprechend auch bestimmt, welches der Zelleinheiten vom Defekt beziehungsweise vom Fehlerfall betroffen ist. Folglich stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kühlanordnung eine Detektionseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, den Fehlerfall zu detektieren. Dabei kann zum Beispiel auch eine solche Detektionseinrichtung pro Zelleinheit, zum Beispiel Batteriemodul, vorgesehen sein. Eine solche Detektionseinrichtung kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, um den Fehlerfall zu detektieren. Wird der Fehlerfall für eine Zelleinheit detektiert, kann die Detektionseinrichtung eine entsprechende Information an die Steuereinrichtung übermitteln.
Dabei ist es weiterhin sehr vorteilhaft, wenn die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Detektieren des Fehlerfalls eine der ersten Zelleinheit zugeordnete Temperatur zu erfassen und im Fehlerfall zu detektieren, wenn die Temperatur einen ersten vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Vor allem lässt sich ein thermisches Durchgehen einer Zelle der Zelleinheit besonders zuverlässig anhand der Temperatur, welche der Zelleinheit oder auch nur einer Zelle der Zelleinheit zugeordnet ist, detektieren. Wird also ein vorbestimmter Grenzwert überschritten, so weist dies auf den Beginn eines solchen thermischen Durchgehens hin, und es können vorteilhafterweise sofort Gegenmaßnahmen durch gezieltes und vor allem priorisiertes Kühlen dieser ersten Zelleinheit eingeleitet werden. Dieser vorbestimmte Grenzwert kann zum Beispiel in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 70 °C liegen, zum Beispiel bei 60 °C. Dieser vorbestimmte Grenzwert kann aber auch deutlich höher gewählt werden, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 90 °C und 130 °C, insbesondere in einem Bereich zwischen 100 °C und 120 °C. Zum Umsetzen einer geeigneten Kühlstrategie im zweiten Kühlmodus können aber auch mehrere Grenzwerte vorgesehen werden, wie dies später näher erläutert wird. Dies erlaubt eine stufenweise Anpassung der Kühlstrategie, um eine thermische Propagation möglichst effizient zu verhindern.
Der bestimmte Fehlerfall muss aber nicht oder nicht ausschließlich auf Basis einer erfassten Temperatur der betreffenden Zelleinheit erfasst werden, sondern kann zusätzlich oder alternativ auch auf andere Weise erfasst werden. Weitere Beispiele sind die Erfassung der Zellspannung, insbesondere eines Spannungseinbruchs, und/oder die Detektion eines Überdrucks innerhalb eines Zellgehäuses und/oder Modulgehäuses, die Detektion eines aus einer Batteriezelle austretenden Gases, oder ähnliches. Entsprechend kann die Detektionseinrichtung nicht nur einen oder mehrere Temperatursensoren umfassen, sondern auch andere Sensoren, zum Beispiel Gassensoren, Drucksensoren, Spannungssensoren und/oder Stromsensoren. Dies erlaubt ein zuverlässiges Erfassen des Vorliegens eines solchen Fehlerfalls, der insbesondere ein thermisches Durchgehen einer Zelle darstellt oder zumindest den Beginn eines solchen thermischen Durchgehens.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf auf, wobei die Kühleinheiten als von dem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet sind und Teil des Kühlkreislaufs sind, wobei einer jeweiligen der Kühleinheiten mindestens eine von der Kühlanordnung umfassten, insbesondere von der Steuereinrichtung steuerbare, Ventileinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher ein Kühlmitteldurchfluss, insbesondere eine Durchflussrate, durch die zugeordnete Kühleinheit einstellbar ist, insbesondere wobei die Kühleinheiten über eine gemeinsame Versorgungsleitung der Kühlanordnung und/oder ein gemeinsames Kühlmittelreservoire der Kühlanordnung mit Kühlmittel versorgbar sind.
Durch diesen Aufbau wird eine besonders einfache individuelle Steuerung der einzelnen Kühleinheiten ermöglicht. Die Ventileinrichtungen können dabei zum Beispiel als Ventile, insbesondere als elektrisch oder elektromagnetisch steuerbare Ventile, ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die entstehende Wärme im Modul mit der durchgehenden Zelle dazu genutzt wird, das ein Ventil temperaturabhängig und passiv gesteuert wird, z.B. über einen Bimetall-Streifen. Dann ist keine zusätzliche Sensorik notwendig, um einen Thermal Runaway zu detektieren. Der Wechsel vom ersten in den zweiten Kühlmodus erfolgt damit passiv durch diese temperaturabhängige Änderung der Ventilstellung des Ventils, welches der Kühleinheit mit der durchgehenden Zelle bzw. Zelleinheit zugeordnet ist. Durch dieses passive Ventilöffnen kann z.B. ein im ersten Kühlmodus ungenutzter zusätzlicher Kühlkreis oder eine zusätzliche Kühlkanalschleife oder ähnliches freigeschaltet werden, der bzw. die die entsprechende Kühleinheit zusätzlich kühlt. Dadurch wird die Durchflussrate durch die betreffende Kühleinheit erhöht, wodurch diejenige der übrigen Kühleinheiten automatisch sinken kann, wenn diese an einen gleichen Kühlkreislauf angeschlossen sind. Beispielsweise können die Ventile in Form von Drosseln bereitgestellt sein. Eine Steuerung der Ventileinrichtungen durch die Steuereinrichtung ist ebenso denkbar. Dadurch lässt sich die Durchflussrate besonders einfach einstellen. Ist also eine Ventileinrichtung für eine der Kühleinheiten geschlossen, so fließt kein Kühlmittel durch diese Kühleinheit oder zumindest nicht durch die zusätzliche Kühlschleife und die Durchflussrate ist gleich null. Ist die Ventileinrichtung geöffnet, so fließt Kühlmittel durch die zugeordnete Kühleinheit bzw. durch die zusätzliche Kühlschleife und die Durchflussrate ist von null verschieden. Dabei lässt sich die Durchflussrate je nach Ventilstellung geeignet einstellen. Zur Versorgung der einzelnen Kühleinheiten mit Kühlmittel kann eine gemeinsame Versorgungsleitung genutzt werden. Diese kann sich zum Beispiel in einzelne Versorgungspfade für die jeweiligen Kühleinheiten verzweigen. Mit anderen Worten kann dann in einem jeweiligen Versorgungspfad eine jeweilige Kühleinheit mit ihrem zugeordneten Ventil beziehungsweise ihrer zugeordneten Ventileinrichtung angeordnet sein. Dabei kann die zugeordnete Ventileinrichtung der betreffenden Kühleinheit in Strömungsrichtung vor- oder nachgeschaltet sein. Weiterhin können die einzelnen Versorgungspfade stromabwärts wieder zu einer gemeinsamen Abführleitung zusammengeführt werden. Eine gemeinsame Versorgungsleitung und Abführleitung vereinfacht dabei den Aufbau des Kühlkreislaufs, denn es können gemeinsame Kreislaufkomponenten genutzt werden, wie zum Beispiel eine gemeinsame Pumpe, zum Beispiel eine Wasserpumpe, oder ein gemeinsames Kühlmittelreservoire, zum Beispiel ein Wassertank. In einem konkreten Beispiel, gemäß welchem eine jeweilige Zelleinheit ein Batteriemodul darstellt und die Kühleinheiten als Kühlplatten bereitgestellt sind, erhält also jede Kühlplatte ein eigenes Ventil, so dass jedes Modul stufenlos in der Kühlleistung angepasst werden kann. Im Falle eines Thermal Runaways und daraus resultierenden thermischen Propagationen mit starker Wärmeentwicklung kann über die einzelnen Kühlplatten und dazugehörige Ventile gezielt Kühlleistung an das havarierte Modul geschickt werden und somit effizienter gekühlt werden und Wärme abgeführt werden. Dies führt zu einer Verlangsamung der thermischen Propagation, und erhöht somit die Sicherheit des Systems. Dabei liegt also das Augenmerk nicht auf dem Sachverhalt der Kühlplatte pro Zell-Modul, sondern auf der gezielten Betriebsstrategie, einzelne Module kühlen zu können, um eine thermische Propagation zu verlangsamen oder sogar zu unterdrücken. Sehr vorteilhafte Kühlstrategien werden nun nachfolgend näher erläutert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der ersten Zelleinheit eine erste Kühleinheit der mehreren Kühleinheiten zugeordnet und von der ersten Zelleinheit verschiedene zweite Zelleinheiten der mehreren Zelleinheiten ist jeweils eine von der ersten Kühleinheit verschiedene zweite Kühleinheit der mehreren Kühleinheiten zugeordnet. Mit anderen Worten wird im Folgenden exemplarisch die Zelleinheit, welche den Defekt aufweist beziehungsweise für welche der bestimmte Fehlerfall detektiert wurde, als erste Zelleinheit bezeichnet, und alle übrigen Zelleinheiten werden als zweite Zelleinheiten bezeichnet. Korrespondierend wird die Kühleinheit, welche der ersten Zelleinheit zugeordnet ist, als erste Kühleinheit bezeichnet, und alle übrigen Kühleinheiten entsprechend als zweite Kühleinheiten. Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung nun derart eingerichtet, dass im zweiten Kühlmodus mindestens eine der zweiten Kühleinheiten deaktiviert wird. Mit anderen Worten wird diese durch die Steuereinrichtung so angesteuert, insbesondere deren zugeordnetes Ventil, dass diese zweite deaktivierte Kühleinheit nicht mehr von dem Kühlmittel durchströmt wird. Zum Beispiel wird die dieser zweiten Kühleinheit zugeordnete Ventileinrichtung von der Steuereinrichtung geschlossen. Diese Deaktivierung der zweiten Kühleinheit erfolgt dabei unabhängig davon, ob aktuell Kühlbedarf für die zweite Zelleinheit besteht, welche dieser deaktivierten zweiten Kühleinheit zugeordnet ist. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass sich durch das gezielte Deaktivieren von Kühleinheiten die durch die erste Kühleinheit bereitstellbare maximale Kühlleistung erhöhen lässt. Dies ist insbesondere wiederum dadurch möglich, dass sich die einzelnen Kühleinheiten gemeinsame Kühlkreislaufkomponenten, zum Beispiel die oben genannte Pumpe oder das Kühlmittelreservoire teilen und über eine gemeinsame Versorgungsleitung versorgt werden. Wären die einzelnen Kühleinheiten in separierten Kühlkreisläufen mit jeweiligen Kühlkreislaufkomponenten angeordnet, so wäre dies nicht möglich. Die maximal bereitstellbare Kühlleistung kann auf diese Weise auf die havarierte Zelle beziehungsweise das havarierte Batteriemodul oder die Zellgruppe mit dem havarierten Batteriemodul konzentriert werden. Die Wahrscheinlichkeit, die thermische Propagation zu unterbinden beziehungsweise zu stoppen, kann hierdurch deutlich erhöht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass im zweiten Kühlmodus eine der ersten Kühleinheit zugeordnete Kühlleistung unter zumindest einer vorbestimmten Randbedingung erhöht und/oder maximiert wird. Im zweiten Kühlmodus gibt es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, wie die Steuerstrategie und Kühlstrategie ausgeführt sein kann. Dabei ist zum Beispiel die oben beschriebene Deaktivierung zumindest eine der zweiten Kühleinheiten zur Steigerung der Kühlleistung für die erste Kühleinheit sehr vorteilhaft. Nichts desto weniger muss, sobald ein solcher Defekt beziehungsweise Fehlerfall für die erste Zelleinheit detektiert wird, nicht gleich im zweiten Kühlmodus zu einer solchen Deaktivierung übergangen werden. Denkbar ist zum Beispiel auch die Umsetzung einer Kühlstrategie in mehreren Stufen. Beispielsweise kann auch die Kühlleistung für alle übrigen zweiten Kühleinheiten zunächst etwas reduziert werden, bevor zu einer Deaktivierung übergegangen wird. In all diesen Fällen ist es jedoch sehr vorteilhaft, wenn die Kühlleistung der ersten Kühleinheit erhöht und/oder unter bestimmten Randbedingungen maximiert wird. Die Randbedingungen erlauben es zum Beispiel, die einzelnen Stufen festzulegen. Die Erhöhung der Kühlleistung kann sich dabei insbesondere auf einen Vergleich zur Kühlleistung im ersten Kühlmodus beziehen und/oder auf einen Vergleich zur Kühlleistung anderer zweiter Kühleinheiten.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die vorbestimmte Randbedingung, dass die zweiten Kühleinheiten wie im ersten Kühlmodus gesteuert werden, und/oder mindestens eine, insbesondere alle, der zweiten Kühleinheiten mit im Vergleich zum ersten Kühlmodus reduzierter Kühlleistung betrieben werden, und/oder mindestens eine der zweiten Kühleinheiten deaktiviert wird. Insbesondere können auch hier wiederum alle der zweiten Kühleinheiten optional deaktiviert werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, wenn zum Beispiel der Fehlerfall detektiert wird und dabei die dem ersten Zellmodul zugeordnete Temperatur größer ist als ein erster vorbestimmter Grenzwert, zum Beispiel 60 Grad, dass die Steuereinrichtung die Kühleinheiten derart steuert, dass zunächst die Kühlleistung für die erste Kühleinheit maximiert wird, während die zweiten Kühleinheiten weiterhin wie im ersten Kühlmodus gesteuert werden. Mit anderen Worten kann für die zweiten Kühleinheiten zum Beispiel wie bisher eine temperaturabhängige Regelung erfolgen, so dass sich die Temperatur dieser zweiten Kühleinheiten in einem vorbestimmten Sollbereich, zum Beispiel zwischen - 30°C und + 60 °C, befinden. Gleichzeitig wird die Kühlleistung für die erste Kühleinheit maximiert, zumindest im Rahmen der verbleibenden Kühlleistung. Zum Beispiel kann das der ersten Kühleinheit zugeordnete Ventil vollständig geöffnet werden. Sollte die Temperatur des ersten Zellmoduls jedoch weiter steigen, so kann die Steuereinrichtung dazu übergehen, die Kühlleistungen für die übrigen zweiten Kühleinheiten zu reduzieren. Nichts desto weniger ist auch in diesem Fall weiterhin eine Kühlung durch die zweiten Kühleinheiten möglich. Alternativ kann bei Überschreiten des oben genannten ersten Grenzwerts auch gleich zu dieser Kühlstrategie übergegangen werden, gemäß welcher die Kühlleistungen für die zweiten Kühleinheiten reduziert werden. Steigt dann die Temperatur des ersten Zellmoduls dennoch weiter an, und überschreitet zum Beispiel einen zweiten Grenzwert, zum Beispiel 100°C oder 120°C, kann die Steuereinrichtung dazu übergehen, mindestens eine der zweiten Kühleinheiten zu deaktivieren oder auch alle der zweiten Kühleinheiten zu deaktivieren. Die Deaktivierung der zweiten Kühleinheiten kann dabei auch sukzessive erfolgen, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird. Danach kann nach und nach immer mehr Kühlleistung zur Kühlung des ersten Zellmoduls bereitgestellt werden. Alternativ kann, sobald der Fehlerfall detektiert wird und ein vorbestimmter Temperaturgrenzwert des ersten Zellmoduls überschritten wird, auch sofort dazu übergegangen werden, mindestens eines der zweiten Kühleinheiten zu deaktivieren. Hierdurch lässt sich die Sicherheit maximieren, da hierdurch eine thermische Propagation am wahrscheinlichsten aufgehalten werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass im zweiten Kühlmodus mindestens eine der zweiten Kühleinheiten in Abhängigkeit von einer Position der zweiten Kühleinheit relativ zur ersten Kühleinheit deaktiviert wird und/oder alle der zweiten Kühleinheiten deaktiviert werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass zunächst diejenigen Kühleinheiten deaktiviert werden, die am weitesten räumlich von der ersten Kühleinheit, welche dem defekten Zellmodul zugeordnet ist, deaktiviert werden. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass sich eine thermische Propagation oftmals sehr schnell auf benachbarte Module ausbreitet. Um dieses Ausbreiten, das heißt das thermische Übergreifen auf andere zweite Zelleinheiten, die zum Beispiel zur ersten Zelleinheit unmittelbar benachbart angeordnet sind, zu unterbinden oder hinauszuzögern, können zum Beispiel auch diese Nachbarzelleinheiten weiterhin gekühlt werden. Dennoch lässt sich die Kühlleistung für die erste Zelleinheit, und insbesondere auch für deren benachbarte Zelleinheiten erhöhen, indem weiter entfernte zweite Kühleinheiten deaktiviert werden. Nichts desto weniger ist es aber auch denkbar, dass, sobald der Fehlerfall detektiert wird, gleich alle zweiten Kühleinheiten, welche den Zelleinheiten zugeordnet sind, die nicht vom Fehlerfall betroffen sind, deaktiviert werden.
Damit sind vielzählige vorteilhafte Möglichkeiten bereitgestellt, um in angepasster Weise eine thermische Propagation zu stoppen oder zumindest hinauszuzögern.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbatterie. Die Kraftfahrzeugbatterie kann dabei die Zellanordnung mit den mehreren Zelleinheiten umfassen. Diese können wie oben bereits beschrieben ausgebildet sein. Eine jeweilige Kühleinheit ist dann einer jeweiligen solchen Zelleinheit zugeordnet. Die Kraftfahrzeugbatterie ist vorzugsweise als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet.
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen beziehungsweise mit einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben von mehreren Kühleinheiten zum Kühlen einer Zellanordnung mit mehreren Zelleinheiten, wobei eine jeweilige der Kühleinheiten einer der Zelleinheiten zugeordnet ist, insbesondere genau einer der Zelleinheiten. Weiterhin steuert eine Steuereinrichtung eine Kühlleistung für eine jeweilige der Kühleinheiten separat. Zudem steuert die Steuereinrichtung die Kühleinheiten in einem bestimmten ersten Kühlmodus anders als in einem bestimmten zweiten vom ersten verschiedenen Kühlmodus, wobei in Abhängigkeit von einem eine erste Zelleinheit der mehreren Zelleinheiten betreffenden Fehlerfall vom ersten Kühlmodus in den zweiten Kühlmodus gewechselt wird.
Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung und ihren Ausgestaltungen beschrieben Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Auf welche Art und Weise die Steuereinrichtung die Kühleinheiten im jeweiligen Kühlmodus steuert, kann dabei durch eine entsprechende dem jeweiligen Kühlmodus zugeordnete Steuerstrategie, die in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt sind, festgelegt sein. Dass also die Steuereinrichtung im ersten Kühlmodus die Kühleinheiten anders steuert als im zweiten Kühlmodus bedeutet, dass für den ersten Kühlmodul eine andere Steuerstrategie vorgegeben ist als für den zweiten Kühlmodus. Mit anderen Worten kann zum Beispiel dem ersten Kühlmodus eine Steuerstrategie zugeordnet sein und dem zweiten Kühlmodus eine entsprechend andere Steuerstrategie. Die Steuerstrategien können entsprechend in der Steuereinrichtung abgelegt sein und abhängig von der Detektion des Fehlerfalls verwendet werden. Entsprechend kann also die Steuereinrichtung, sobald der Fehlerfall der ersten Zelleinheit detektiert wird, vom ersten Kühlmodus in den zweiten Kühlmodus wechseln und entsprechend von der ersten Steuerstrategie auf die zweite Steuerstrategie umschalten.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für das Kraftfahrzeug. 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.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugbatterie mit einer Kühlanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugbatterie mit einer Kühlanordnung in einem ersten Kühlmodus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung der Kraftfahrzeugbatterie aus 2 in einem zweiten Kühlmodus der Kühlanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugbatterie 10 mit einer Kühlanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kraftfahrzeugbatterie 10 kann zum Beispiel als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Weiterhin umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 10 mehrere Zelleinheiten 14, die in einer Zellanordnung 16 angeordnet sind. Die jeweiligen Zelleinheiten 14 sind in diesem Beispiel als Batteriemodule 14 ausgebildet. Ein jeweiliges Batteriemodul 14 umfasst wiederum mehrere Batteriezellen 18. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hierbei nur eine Batteriezelle 18 pro Modul 14 mit einem Bezugszeichen verstehen. 1 zeigt insbesondere eine Darstellung in einer Draufsicht auf die Batterie 10 von oben bezüglich einer bestimmungsgemäßen Einbaulage in einen Kraftfahrzeug. Nichts desto weniger sind aber auch andere Einbaulagen denkbar. Eine jeweilige Batteriezelle 18 weist zwei Zellpole 20 auf. Diese sind in diesem Beispiel an einer Oberseite einer jeweiligen Zelle 18 angeordnet, können grundsätzlich jedoch auch an anderen Seiten der jeweiligen Zelle 18 angeordnet sein. Weiterhin umfasst die Kühlanordnung 12 mehrere Kühleinheiten 22. Dabei ist eine jeweilige Kühleinheit 22 einem Batteriemodul 14, insbesondere genau einem Batteriemodul 14 zugeordnet. In diesem Beispiel sind die jeweiligen Kühleinheiten 22 als jeweilige Kühlplatten 22 ausgebildet. Beispielsweise können diese jeweiligen Kühleinheiten 22 auch durch eine gemeinsame, gleiche Kühlplatte bereitgestellt sein beziehungsweise eine solche formen, wobei dann zum Beispiel jeder Plattenteil 22 zum Beispiel über ein eigenes Kühlkanalsystem verfügen kann. Grundsätzlich können also die einzelnen Kühleinheiten 22 als von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatten 22 ausgebildet sein. Weiterhin umfasst die Kühlanordnung 12 eine Steuereinrichtung 24 zur Ansteuerung der jeweiligen Kühleinheiten 22. Dabei ist die Steuereinrichtung 24 dazu ausgelegt, die einzelnen Kühleinheiten 22 separat anzusteuern. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung 24 für die jeweiligen Kühleinheiten 22 bei Bedarf auch unterschiedliche Kühlleistungen einstellen. Dies ermöglicht es, die Batteriemodule 14 abhängig von ihrem jeweiligen individuellen Kühlbedarf zu kühlen. Zusätzlich kann hierdurch auch die Sicherheit für die Batterie 10 deutlich gesteigert werden, wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird.
Hierzu zeigen 2 und 3 jeweils eine schematische Darstellung einer Batterie 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Grundsätzlich kann die Batterie 10 wie zuvor zu 1 beschrieben ausgebildet sein, wobei hier zur besseren Veranschaulichung lediglich zwei Batteriemodule 14 der Batterie 10 mit ihren zugehörigen Kühleinheiten 22 dargestellt sind. Ein erstes Batteriemodul 14 ist hierbei mit 14a bezeichnet, und ein zweites Batteriemodul 14 korrespondierend mit 14b. Die dem ersten Batteriemodul 14a zugeordnete Kühleinheit 22 ist entsprechend auch mit 22a bezeichnet, und die dem zweiten Batteriemodul 14b zugeordnete Kühleinheit 22 zusätzlich auch mit 22b. Die Kühleinheiten 22 sind dabei Teil eines Kühlkreislaufs 26. Dieser Kühlkreislauf 26 ist wiederum von der Kühlanordnung 12 umfasst. Der Kühlkreislauf 26 weist dabei ein Kühlmittelreservoire, zum Beispiel einen Wassertank 28 auf, sowie eine Kühlmittelpumpe 30, zum Beispiel eine Wasserpumpe. Weiterhin ist als Teil des Kühlmittelkreislaufes 26 eine gemeinsame Versorgungsleitung 32 bereitgestellt, über die die einzelnen Kühleinheiten 22 versorgt werden. Diese gliedert sich in einzelne Versorgungspfade 34a, 34b, in welchen die jeweiligen Kühleinheiten 22a, 22b angeordnet sind. In Strömungsrichtung, die insbesondere durch die Pfeile 36 veranschaulicht ist, können die einzelnen Versorgungspfade 34a, 34b wiederum zu einer gemeinsamen Abführleitung 38 zusammengeführt sein. Die Abführleitung 38 fungiert also als Rücklauf und die Zuführleitung beziehungsweise Versorgungsleitung 32 als Vorlauf. In den einzelnen Versorgungspfaden 34a, 34b sind also die jeweiligen Kühleinheiten 22 angeordnet. Zusätzlich ist in einem jeweiligen Versorgungspfad 34a, 34b eine der jeweiligen Kühleinheit 22a, 22b zugeordnete Ventileinrichtung angeordnet. Diese werden im Folgenden der Einfachheit halber als Ventile 40a, 40b bezeichnet.
In diesem Beispiel hat also jedes Zellmodul 14 der Batterie 10 eine eigene Kühlplatte in Form der Kühleinheit 22. Diese Kühlplatte 22 hat den Wasserzulauf oder -ablauf also ein entsprechendes Ventil 40a, 40b, das zum Beispiel elektrotechnisch angesteuert werden kann. Die Ventilstellung kann in diesem Beispiel über einen Motor 42 geändert werden. Die Ansteuerung erfolgt über die Steuereinrichtung 24. Bei den Ventilen 40a, 40b kann es sich jeweils um ein Ventil mit einem elektromagnetischen Steller oder auch mit einem linearen Trieb handeln.
Weiterhin weist ein jeweiliges Batteriemodul 14 eine Temperaturüberwachung auf. Dazu können einer oder mehrere Temperaturfühler pro Modul 14 vorgesehen sein. In 2 und 3 sind jeweils nur ein solcher Temperaturfühler 44a, 44b dargestellt. Dabei kann aber auch nur ein solcher Temperaturfühler 44a, 44b pro Batteriemodul 14 vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 24 kann weiterhin ein Detektionsmodul 46 aufweisen, welches dazu ausgelegt ist, einen Fehlerfall F (vgl. 3) in Abhängigkeit von der mittels der Temperaturfühler 44a, 44b erfassten Temperatur zu detektieren. Beispielsweise kann ein solcher Fehlerfall F als detektiert gelten, wenn die erfasste Temperatur des betreffenden Moduls 14 einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Im in 3 dargestellten Beispiel weist das erste Modul 14a einen solchen Fehler F auf. 2 zeigt dagegen eine Situation, in welcher kein solcher Fehler F vorliegt. Entsprechend korrespondiert die Darstellung in 2 zu einem Normalbetrieb. Entsprechend steuert die Steuereinrichtung 24 die Ventile 40a, 40b gemäß einem ersten Kühlmodus M1. In diesem Fall befinden sich beide Ventile 40a, 40b in einer zumindest teilweise geöffneten Stellung O. Entsprechend kann für beide Batteriemodule 14a, 14b eine gewisse Kühlleistung über die Kühleinheiten 22a, 22b bereitgestellt werden, die entsprechend der Ventilstellungen beide von dem Kühlmittel durchströmt werden. In diesem ersten Kühlmodus M1 kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass beide Kühleinheiten 22 gleichgesteuert werden oder auch dass jede der Kühleinheiten 22a, 22b abhängig von der Temperatur des jeweils zugeordneten Zellmoduls 14a, 14b gesteuert werden, was wiederum mittels der zugeordneten Temperaturfühler 44a, 44b erfasst wird.
Wird nun vom Detektionsmodul 46 der Fehlerfall F detektiert, so kann die Steuereinrichtung 24 vorteilhafterweise vom ersten Kühlmodus M1 in einen zweiten Kühlmodus M2 wechseln. Dieser unterscheidet sich in der Ansteuerung der Kühleinheiten 22 vom ersten Kühlmodus M1. Gemäß dieser veränderten Ansteuerung wird hierbei die Kühlung des defekten Moduls 14a priorisiert. Diese Priorisierung kann verschiedenste Ausprägungen annehmen. Beispielsweise kann die erste Kühleinheit 22a mit maximal zur Verfügung stehender Kühlleistung betrieben werden, während die zweite Kühleinheit 22b dennoch weiterhin das zweite Modul 14b kühlt. Denkbar ist auch, dass die Kühlleistung, die durch die zweite Kühleinheit 22b bereitgestellt wird, reduziert wird. Die zweite Kühleinheit 22b kann aber auch vollständig deaktiviert werden, wie dies zum Beispiel in 3 exemplarisch dargestellt ist. Entsprechend steuert die Steuereinrichtung 24 das zweite Ventil 40b so an, dass dieses sich nunmehr in der geschlossenen Stellung G befindet. Die Durchflussrate im zweiten Pfad 34b ist damit null. Dadurch lässt sich die gesamte Kühlleistung, die vom Kühlsystem bereitstellbar ist, auf die Kühlung des ersten Moduls 14a konzentrieren.
Über eine Temperaturüberwachung im Zellmodul 14a geht also ein Signal bei Überschreiten eines Sollwerts an das Steuergerät beziehungsweise Batteriemanagementsystem, welches hier durch die Steuereinrichtung 24 repräsentiert ist. Dabei lokalisiert das Steuergerät 24 die Position des kritischen Moduls 14a und sperrt über die Ansteuerung alle Kühlplatten 22 derer Module 14, die nicht betroffen sind. Das havarierte Zellmoduls 14a hat weiterhin eine geöffnete Kühlplatte 22a und kann somit gezielt gekühlt werden. Durch das Absperren der übrigen Kühlplatten 22b der nicht beteiligten Zellmodule 14b erhöht sich auch der Volumenstrom des Kühlwassers in der ersten Kühlplatte 22a des havarierten Zellmoduls 14a. Dadurch erhöht sich signifikant die Kühlleistung im havarierten Zellmodul 14a. Dies erlaubt es vorteilhafterweise auch mit einer herkömmlichen Kühlung eine einen thermal Runaway und eine damit verbundene thermische Propagation deutlich hinauszuzögen und sogar unter Umständen aufzuhalten.
Optional ist es auch denkbar, dass zum Beispiel die zum havarierten Modul 14a unmittelbar benachbart angeordneten Batteriemodule 14 ebenfalls weiterhin gekühlt werden, während lediglich die weiter entfernten Batteriemodule 14 beziehungsweise deren zugeordnete Kühleinheiten 22 deaktiviert werden. So kann durch die Kühlung der unmittelbar benachbarten Module 14 ebenfalls eine Ausbreitung der thermischen Propagation eingedämmt werden.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine schaltbare Kühlung in Hochvolt-Batterien zur Unterdrückung einer thermischen Propagation bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013178577 A1 [0003]
DE 102010025525 A1 [0003]
DE 102016215851 A1 [0004]
DE 102019213757 B3 [0005]

Claims

Kühlanordnung (12) zum Kühlen einer Zellanordnung (16) mit mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) einer Kraftfahrzeugbatterie (10), - wobei die Kühlanordnung (12) mehrere Kühleinheiten (22, 22a, 22b) aufweist; - wobei eine jeweilige der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) einer der Zelleinheiten (14, 14a, 14b) zugeordnet ist; und - wobei die Kühlanordnung (12) eine Steuereinrichtung (24) aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Kühlleistung für eine jeweilige der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) separat zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass wobei die Steuereinrichtung (24) dazu ausgelegt ist, die Kühleinheiten (22, 22a, 22b) in einem bestimmten ersten Kühlmodus (M1) anders zu steuern als in einem bestimmten zweiten vom ersten verschiedenen Kühlmodus (M2), wobei die Kühlanordnung (12) derart eingerichtet ist, dass im Falle eines eine erste Zelleinheit (14, 14a) der mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) betreffenden Fehlerfalls (F) vom ersten Kühlmodus (M1) in den zweiten Kühlmodus (M1) gewechselt wird.
Kühlanordnung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) dazu ausgelegt ist, im Falle eines detektierten, eine erste Zelleinheit (14, 14a) der mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) betreffenden Fehlerfalls (F) vom ersten Kühlmodus (M1) in den zweiten Kühlmodus (M1) zu wechseln, insbesondere wobei die Kühlanordnung (12) eine Detektionseinrichtung (46) aufweist, die dazu ausgelegt ist, den Fehlerfall (F) zu detektierten.
Kühlanordnung (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseirichtung (46) dazu ausgelegt ist, zum Detektieren des Fehlerfalls (F) eine der ersten Zelleinheit (14, 14a) zugeordnete Temperatur zu erfassen und den Fehlerfall (F) zu detektieren, wenn die Temperatur einen ersten vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (12) einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf (26) aufweist, wobei die Kühleinheiten (22, 22a, 22b) als von dem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet sind und Teil des Kühlkreislaufs (26) sind, wobei einer jeweiligen der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) mindestens eine von der Kühlanordnung (12) umfassten, insbesondere von der Steuereinrichtung (24) steuerbare, Ventileinrichtung (40a, 40b) zugeordnet ist, mittels welcher ein Kühlmitteldurchfluss durch die zugeordnete Kühleinheit (22, 22a, 22b) einstellbar ist, insbesondere wobei die Kühleinheiten (22, 22a, 22b) über eine gemeinsame Versorgungsleitung (32) der Kühlanordnung (12) und/oder ein gemeinsames Kühlmittelreservoir (28) der Kühlanordnung (12) mit dem Kühlmittel versorgbar sind.
Kühlanordnung (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Zelleinheit (14, 14a) eine erste Kühleinheit (22, 22a) der mehreren Kühleinheiten (22, 22a, 22b) zugeordnet ist und von der ersten Zelleinheit (14, 14a) verschiedene zweite Zelleinheiten (14, 14b) der mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) jeweils eine von der ersten Kühleinheit (22, 22a) verschiedene zweite Kühleinheit (22, 22b) der mehreren Kühleinheiten (22, 22a, 22b) zugeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (24) derart eingerichtet ist, dass im zweiten Kühlmodus (M2) mindestens eine der zweiten Kühleinheiten (22, 22b) deaktiviert wird.
Kühlanordnung (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Zelleinheit (14, 14a) eine erste Kühleinheit (22, 22a) der mehreren Kühleinheiten (22, 22a, 22b) zugeordnet ist und von der ersten Zelleinheit (14, 14a) verschiedene zweite Zelleinheiten (14, 14b) der mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) jeweils eine von der ersten Kühleinheit (22, 22a) verschiedene zweite Kühleinheiten (22, 22b) der mehreren Kühleinheiten (22, 22a, 22b) zugeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (24) derart eingerichtet ist, dass im zweiten Kühlmodus (M2) eine der ersten Kühleinheit (22, 22a) zugeordnete Kühlleistung unter zumindest einer vorbestimmten Randbedingung erhöht und/oder maximiert wird.
Kühlanordnung (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Randbedingung umfasst, dass: - die zweiten Kühleinheiten (22, 22b) wie im ersten Kühlmodus (M1) gesteuert werden; und/oder - mindestens eine, insbesondere alle, der zweiten Kühleinheiten (22, 22b) mit im Vergleich zum ersten Kühlmodus (M1) reduzierter Kühlleistung betrieben werden; und/oder - mindestens eine der zweiten Kühleinheiten (22, 22b) deaktiviert wird.
Kühlanordnung (12) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) derart eingerichtet ist, dass im zweiten Kühlmodus (M2) mindestens eine der zweiten Kühleinheiten (22, 22a, 22b) in Abhängigkeit von einer Position der zweiten Kühleinheit (22, 22b) relativ zur ersten Kühleinheit (22, 22a) deaktiviert wird und/oder alle der zweiten Kühleinheiten (22, 22b) deaktiviert werden.
Kraftfahrzeugbatterie (10) mit einer Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren Betreiben von mehreren Kühleinheiten (22, 22a, 22b) zum Kühlen einer Zellanordnung (16) mit mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b), wobei eine jeweilige der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) einer der Zelleinheiten (14, 14a, 14b) zugeordnet ist, und wobei eine Steuereinrichtung (24) eine Kühlleistung für eine jeweilige der Kühleinheiten (22, 22a, 22b) separat steuert; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) die Kühleinheiten (22, 22a, 22b) in einem bestimmten ersten Kühlmodus (M1) anders steuert als in einem bestimmten vom ersten verschiedenen zweiten Kühlmodus (M2), wobei in Abhängigkeit von einem eine erste Zelleinheit (14, 14a) der mehreren Zelleinheiten (14, 14a, 14b) betreffenden Fehlerfall (F) vom ersten Kühlmodus (M1) in den zweiten Kühlmodus (M2) gewechselt wird.