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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridelektrokraftfahrzeugs oder eines batterieelektrischen Fahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug eine Batterie und einen Fahrgastraum aufweist, wobei die Kühlvorrichtung einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Kältemittelsträngen umfasst, wobei ein erster Kältemittelstrang einen Verdampfer zur Kühlung des Fahrgastraums aufweist, wobei ein zweiter Kältemittelstrang einen in einem thermischen Kontakt mit der Batterie angeordneten Kühler zur Kühlung der Batterie aufweist, wobei eine Temperaturdifferenz in der Batterie ermittelt wird.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung.
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Im Bereich der Elektromobilität sind Kühlvorrichtungen für Hybridelektrokraftfahrzeuge oder batterieelektrische Fahrzeuge bekannt, mit denen die Batterie des Kraftfahrzeugs, insbesondere die Batterie für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs, und ein Fahrgastraum gekühlt werden können. Für die Kühlung der Batterie ist es dabei ebenfalls bekannt, dass die Batterie direkt mit einem Kältemittel gekühlt wird. Bei extremen Anforderungen an die Kühlung der Batterie, wie beispielsweise beim Schnellladen, oder wenn der Fahrgastraum parallel zur Batterie gekühlt wird, kann das Kältemittel in dem Kühler der Batterie überhitzen. Diese Überhitzung führt zu einer Temperaturinhomogenität der Batterie, was dauerhaft zu einem Schaden der Batterie führen kann. Insbesondere bei den stetig größer werdenden Ladeleistungen für batterieelektrische Fahrzeuge wird sich dieses Problem der Überhitzung des Kältemittels im Kühler der Batterie und den sich daraus ergebenden Temperaturinhomogenitäten verstärken.
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Aus der
US 9,780,422 B2 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung, einem Chiller, einem Kühlmittelkreislauf, welcher ausgebildet ist, ein Kühlmittel durch den Chiller und die Batterieanordnung zu leiten, und einem Kältemittelkreislauf bekannt. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Kompressor, ein Ventil, einen Verdampfer und eine Kontrolleinheit. Die Kontrolleinheit ist programmiert, die Leistung des Kompressors und die Stellposition des Ventils in Abhängigkeit eines Druckes und einer Temperatur eines aus dem Chiller austretenden Kältemittels anzupassen, um eine Temperatur des Kühlmittels zu verändern.
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Aus der
JP 6596965 B2 ist ein batterieelektrisches Fahrzeug bekannt. Das batterieelektrische Fahrzeug umfasst eine Batterie, welche über einen Batterieladeanschluss geladen werden kann. Ferner ist ein Kältekreislauf vorgesehen, mit welchem sowohl die Batterie als auch ein Fahrgastraum gekühlt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung bereitzustellen, welche die Lebensdauer der Batterie des Kraftfahrzeugs erhöht.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zur Regelung einer Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridelektrokraftfahrzeugs oder eines batterieelektrischen Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei das Kraftfahrzeug eine Batterie und einen Fahrgastraum aufweist, wobei die Kühlvorrichtung einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Kältemittelsträngen umfasst, wobei ein erster Kältemittelstrang einen Verdampfer zur Kühlung des Fahrgastraums aufweist, wobei ein zweiter Kältemittelstrang einen in einem thermischen Kontakt mit der Batterie angeordneten Kühler zur Kühlung der Batterie aufweist, wobei eine Temperaturdifferenz in der Batterie ermittelt wird, wobei ferner vorgesehen ist, dass die ermittelte Temperaturdifferenz mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird, und dass, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz den Grenzwert überschreitet,
- - ein erster Betriebsmodus eingestellt wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus ein Saugdruck im Kältemittelkreislauf angehoben wird, oder
- - ein zweiter Betriebsmodus eingestellt wird, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Kühlung der Batterie beendet wird, oder
- - ein dritter Betriebsmodus eingestellt wird, wobei in dem dritten Betriebsmodus die Kühlung des Fahrgastraums beendet wird.
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Der Verdampfer kann dabei in dem Klimagerät angeordnet sein.
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Im Normalbetrieb der Kühlvorrichtung wird der Saugdruck im Kältemittelkreislauf durch den Kälteleistungsbedarf für die Kühlung des Fahrgastraums vorgegeben. Je höher der Saugdruck eingestellt wird, umso höher ist die Kälteleistung der Kühlvorrichtung und insbesondere die Kälteleistung für den Fahrgastraum. Wird für die Kühlung des Fahrgastraums nur eine geringe Kälteleistung angefordert und entsprechend der Saugdruck niedrig gewählt, so kann es sein, dass bezogen auf den Kältemittelmassenstrom ein zu hoher Wärmeeintrag in den Kühler erfolgt, so dass das Kältemittel vollständig verdampft und überhitzt. Bei einem längeren Betrieb des Kühlers im überhitzten Zustand führt dies dazu, dass sich eine erhöhte Temperaturdifferenz in der Batterie einstellt. Eine erhöhte Temperaturdifferenz in der Batterie kann die Lebensdauer der Batterie nachteilig beeinflussen.
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Um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen, ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung in Abhängigkeit einer ermittelten Temperaturdifferenz in der Batterie eingestellt wird. Hierfür ist ein Grenzwert vorgegeben. Überschreitet die ermittelte Temperaturdifferenz in der Batterie diesen Grenzwert, so wird die Kühlvorrichtung in einem ersten, einem zweiten oder einem dritten Betriebsmodus betrieben.
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In dem ersten Betriebsmodus wird der Saugdruck im Kältemittelkreislauf angehoben. Hierdurch wird die Kühlleistung erhöht, sodass ein Verdampfen oder Überhitzen des Kältemittels in dem Kühler der Batterie vermieden wird. In dem zweiten Betriebsmodus wird die Kühlung der Batterie beendet. In diesem Modus wird die Temperaturdifferenz über die Batterie ausgeglichen, ohne dass das Temperaturniveau in der Batterie sinkt. In dem dritten Betriebsmodus wird die Kühlung des Fahrgastraums beendet. In diesem Fall steht die gesamte Kälteleistung für die Kühlung der Batterie zur Verfügung, sodass ein Überhitzen oder Verdampfen des Kältemittels in dem Kühler der Batterie verhindert wird. In dem dritten Betriebsmodus kann zudem eine Anpassung des Saugdrucks an den Kühlbedarf der Batterie und das notwendige Temperaturniveau erfolgen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Temperaturdifferenz gemessen wird, oder dass die Temperaturdifferenz mittels eines thermischen Modells berechnet wird.
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Beispielsweise können in der Batterie Temperatursensoren vorgesehen sein, mittels welcher eine Temperaturdifferenz über die Batterie beziehungsweise über den Kühler der Batterie ermittelt werden kann.
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Alternativ kann in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Batterie auf Basis eines thermischen Modells eine Temperaturdifferenz in der Batterie berechnet werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass, wenn die Batterie in einem Ladeverfahren, bevorzugt in einem Schnellladeverfahren, geladen wird, der erste Betriebsmodus oder der dritte Betriebsmodus eingestellt wird.
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Wird die Batterie in einem Ladeverfahren, insbesondere in einem Schnellladeverfahren, geladen, so fällt eine sehr große Wärmemenge an, welche abgeführt werden muss. Es besteht insbesondere bei einem Schnellladeverfahren daher die Gefahr, dass das Kältemittel im Kühler der Batterie überhitzt und vollständig verdampft.
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Wird die Batterie in einem Ladeverfahren oder im Schnellladeverfahren geladen, so ist daher vorteilhaft, wenn der ersten Betriebsmodus oder der dritte Betriebsmodus eingestellt wird. Im ersten Betriebsmodus wird der Saugdruck im Kältemittelkreislauf angehoben. Hierdurch wird die Kälteleistung gesteigert, und die von dem Innenraum und der Batterie aufgenommene Wärme wird erhöht. Dies kann grundsätzlich zu einer Verschlechterung des thermischen Komforts für die Insassen im Fahrgastraum führen, welche jedoch in vielen Fällen akzeptabel ist. Im dritten Betriebsmodus wird die Kühlung des Fahrgastraums beendet. Es kann somit die gesamte zur Verfügung stehende Kälteleistung zur Kühlung der Batterie eingesetzt werden. Im dritten Betriebsmodus wird jedoch der thermische Komfort der Fahrzeuginsassen deutlich verschlechtert.
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Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass, wenn sich in dem Fahrgastraum eine Person befindet, der erste Betriebsmodus eingestellt wird, und/oder wenn sich in dem Fahrgastraum keine Person befindet, der dritte Betriebsmodus eingestellt wird.
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Befindet sich somit in dem Fahrgastraum eine Person, so wird bevorzugt der Saugdruck angehoben. Hierdurch wird der thermische Komfort im Fahrgastraum nur leicht verschlechtert, bei gleichzeitiger Steigerung der Kälteleistung für die Batterie.
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Befindet sich hingegen in dem Fahrgastraum keine Person, so muss keine Rücksicht auf den thermischen Komfort im Fahrgastraum genommen werden. Es empfiehlt sich daher, den dritten Betriebsmodus einzustellen, wobei in dem dritten Betriebsmodus die Kühlung des Fahrgastraums beendet wird. Das Verfahren, insbesondere der dritte Betriebsmodus, lässt sich auch auf Fahrgastraumklimatisierungen mit mehr als einem Verdampfer zur Kühlung des Fahrgastraums übertragen. Wenn z.B. neben einem Front- auch ein Heckverdampfer verbaut ist, so kann z.B. nur der Heckverdampfer betrieben werden, wenn nur die hintere Sitzbank, nicht jedoch der vordere Bereich des Kraftfahrzeuges besetzt ist. Es wird somit die durch den Frontverdampfer bewirkte Kühlung des Fahrgastraums beendet, wobei der Heckverdampfer jedoch weiterhin zur Kühlung des Fahrgastraums eingesetzt wird.
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Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass eine Differenz zwischen einer Innenraumtemperatur im Fahrgastraum und einer Vergleichstemperatur ermittelt wird, und dass die Differenz mit einem vorbestimmten zweiten Grenzwert verglichen wird.
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Bei der Vergleichstemperatur kann es sich um die Außentemperatur oder um eine von einem Fahrzeuginsassen an einer Klimaanlage eingestellten Wunschtemperatur handeln.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass, wenn die Differenz den vorbestimmten zweiten Grenzwert nicht überschreitet, der erste Betriebsmodus eingestellt wird.
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Wenn somit die Differenz zwischen der Innenraumtemperatur im Fahrgastraum und der Vergleichstemperatur, beispielsweise der Außentemperatur oder der Wunschtemperatur des Fahrzeuginsassen, nicht zu groß ist, können Einbußen hinsichtlich des thermischen Komforts für den Fahrzeuginsassen akzeptiert werden. Es ist daher dann von Vorteil, den ersten Betriebsmodus einzustellen, wobei in dem ersten Betriebsmodus der Saugdruck im Kältemittelkreislauf angehoben wird. Hierdurch wird eine optimierte Kühlung der Batterie bereitgestellt. Zudem ist weiterhin eine Kühlung des Fahrgastraumes möglich.
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Andernfalls ist bevorzugt vorgesehen, dass, wenn die Differenz den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet, der zweite Betriebsmodus eingestellt wird.
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Ist somit die Differenz der Innenraumtemperatur im Fahrgastraum zu der Vergleichstemperatur, beispielsweise der Fahrzeuginsassen eingestellten Wunschtemperatur, sehr groß, so muss besondere Rücksicht auf den thermischen Komfort der Fahrzeuginsassen im Fahrgastraum genommen werden. Dies kann durch Beendigung der Batteriekühlung im zweiten Betriebsmodus erfolgen. In diesem Fall wird daher der thermische Komfort der Fahrzeuginsassen gegenüber der Kühlleistung für die Batterie priorisiert.
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Durch die Beendigung der Kühlung der Batterie gleichen sich die Temperaturdifferenzen durch die Wärmeleitung innerhalb der Batterie aus. Bedingt durch die fehlende Kühlung kann jedoch die durchschnittliche Temperatur der Batterie nicht mehr reduziert werden. Dieser zweite Betriebsmodus bietet sich insofern besonders solange an, bis die Temperaturspreizung wieder reduziert ist. Danach kann auch eine Kühlung der Batterie wieder erfolgen.
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Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Batterie mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei, Batteriemodule umfasst, wobei die Temperaturdifferenz eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Batteriemodulen ist, oder wobei die Temperaturdifferenz eine Temperaturdifferenz in einem Batteriemodul und/oder einer Batteriezelle ist.
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Es wird somit in einer bevorzugten Ausführungsform nicht eine Temperaturdifferenz über die Batterie, beispielsweise zwischen einem in Strömungsrichtung des Kältemittels im zweiten Kältemittelstrang ersten Batteriemodul und einem letzten Batteriemodul ermittelt, sondern es wird alternativ oder zusätzlich zwischen benachbarten Batteriemodulen eine Temperaturdifferenz ermittelt. Es kann auch vorgesehen sein, dass in einem einzigen Batteriemodul die Temperaturdifferenz bestimmt wird. Da bereits bei einer ausreichend großen Temperaturdifferenz in einem einzigen Batteriemodul die Gefahr der Überhitzung oder des Verdampfens des Kältemittels besteht, ist es besonders bevorzugt, wenn die Temperaturdifferenz die Temperaturdifferenz in einem Batteriemodul ist.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in einer Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybridelektrokraftfahrzeug oder ein batterieelektrisches Fahrzeug, wobei die Kühlvorrichtung einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Kältemittelsträngen umfasst, wobei ein erster Kältemittelstrang einen Verdampfer zur Kühlung eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs aufweist, wobei ein zweiter Kältemittelstrang einen in einem thermischen Kontakt mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs anordbaren Kühler zur Kühlung der Batterie aufweist, ferner umfassend eine Regelungsvorrichtung, wobei die Kühlvorrichtung zur Durchführung eines vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
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Die Regelvorrichtung kann insbesondere zum Vergleich der ermittelten Temperaturdifferenz mit dem vorbestimmten Grenzwert und/oder zur Ermittlung, welcher Betriebsmodus eingestellt werden soll, ausgebildet sein.
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Eine noch weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Hybridelektrokraftfahrzeuges oder batterieelektrischen Fahrzeuges, umfassend eine vorbeschriebene Kühlvorrichtung.
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Sämtliche im Zusammenhang mit dem vorstehenden Verfahren erläuterten Funktionen, Merkmale und Ausgestaltungen können in entsprechender Weise auch auf die Kühlvorrichtung und auf das Kraftfahrzeug übertragen werden.
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Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, und
- 2 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regelung einer Kühlvorrichtung.
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1 zeigt eine Kühlvorrichtung 10 für ein nicht näher dargestelltes batterieelektrisches Fahrzeug. Das batterieelektrische Fahrzeug umfasst eine Batterie 11 und einen Fahrgastraum 12. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen Kältemittelkreislauf 13 mit einem ersten Kältemittelstrang 14 und einem zweiten Kältemittelstrang 15. Im ersten Kältemittelstrang 14 ist ein Verdampfer 16 zur Kühlung des Fahrgastraums 12 vorgesehen. Im zweiten Kältemittelstrang 15 ist ein in einem thermischen Kontakt mit der Batterie 11 angeordneter Kühler 17 vorgesehen. Die Batterie 11 umfasst mehrere Batteriemodule 18, an denen sequenziell der zweite Kältemittelstrang 15 vorbeigeführt ist, um beispielsweise bei einem Schnellladeverfahren der Batterie 11 auftretende Wärme von der Batterie 11 aufzunehmen und wegzuführen.
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Wenn, insbesondere bei einem Schnellladeverfahren der Batterie 11 die Kälteleistung des Kältemittelkreislaufs 13 nicht ausreicht, um die Batterie 11 ausreichend zu kühlen, tritt die Gefahr auf, dass das Kältemittel in dem Kühler 17 im zweiten Kältemittelstrang 15 überhitzt und vollständig verdampft, was zu Schäden an der Batterie 11 und zur Verkürzung deren Lebensdauer führen kann.
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Um diesen nachteiligen Effekten entgegenzutreten, ist vorgesehen, dass, beispielsweise mittels an den einzelnen Batteriemodulen 18 angeordneter Temperatursensoren 19 eine Temperaturdifferenz in der Batterie 11 ermittelt wird.
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Dabei ist die Temperaturdifferenz insbesondere eine Temperaturdifferenz in bzw. über mindestens eines der Batteriemodule 18. Überschreitet die ermittelte Temperaturdifferenz beziehungsweise eine der ermittelten Temperaturdifferenzen einen vorbestimmten Grenzwert, so wird für die Kühlvorrichtung 10 eine der folgenden Betriebsmodi eingestellt:
- In einem ersten Betriebsmodus wird ein Saugdruck im Kältemittelkreislauf 13 angehoben. Hierdurch wird die Kälteleitung erhöht, sodass die Kühlung der Batterie 11 optimiert werden kann.
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In einem zweiten Betriebsmodus wird die Kühlung der Batterie 11 beendet. Dieser Modus wird insbesondere dann eingestellt, wenn Einbußen im thermischen Komfort für die Fahrzeuginsassen nicht akzeptiert werden können.
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In einem dritten Betriebsmodus wird die Kühlung des Fahrgastraumes 12 beendet. Dieser Betriebsmodus wird insbesondere dann gewählt, wenn keine Personen im Fahrgastraum 12 anwesend sind.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zur Regelung einer Kühlvorrichtung 10. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird die Kühlvorrichtung 10 im Normalbetrieb betrieben. Der Saugdruck in dem Kältemittelkreislauf 13 richtet sich dabei nach den Anforderungen im Fahrgastraum 12. Im ersten Verfahrensschritt S1 wird die ermittelte Temperaturdifferenz in der Batterie 11 ermittelt und mit dem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Liegt die Temperaturdifferenz unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes, so wird der Verfahrensschritt S1 wiederholt (S1a). Überschreitet die Temperaturdifferenz in der Batterie 11 jedoch den vorbestimmten Grenzwert (S1b), so wird in einem zweiten Schritt S2 geprüft, ob ein Schnellladevorgang für die Batterie 11 stattfindet. Findet ein Schnellladevorgang statt (S2a), so wird in einem dritten Verfahrensschritt S3 geprüft, ob sich Fahrzeuginsassen im Fahrgastraum 12 befinden. Befinden sich Fahrzeuginsassen in dem Fahrgastraum 12 (S3a), so wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 der erste Betriebsmodus eingestellt, in dem der Saugdruck in dem Kältemittelkreislauf 13 angehoben wird. Befinden sich keine Fahrzeuginsassen in dem Fahrgastraum 12 (S3b), so wird in einem fünften Verfahrensschritt S5 der dritte Betriebsmodus eingestellt und die Kühlung für den Fahrgastraum beendet.
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Ergibt die Prüfung im zweiten Verfahrensschritt S2, dass kein Schnellladevorgang durchgeführt wird (S2b), so wird in einem sechsten Verfahrensschritt S6 geprüft, ob der thermische Komfort für die Fahrzeuginsassen im Fahrgastraum 12 akzeptabel ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Innenraumtemperatur ermittelt und mit einer Vergleichstemperatur verglichen wird. Die Vergleichstemperatur kann dabei eine Außentemperatur oder eine Wunschtemperatur der Fahrzeuginsassen sein. Überschreitet die Differenz zwischen der Innenraumtemperatur und der Vergleichstemperatur einen vorbestimmten Grenzwert (S6a), so bedeutet dies, dass der thermische Komfort im Fahrgastraum 12 nicht akzeptabel ist und es wird in einem siebten Verfahrensschritt S7 der zweite Betriebsmodus eingestellt und die Kühlung der Batterie 11 beendet. Überschreitet die Differenz von Innenraumtemperatur und Vergleichstemperatur nicht den Grenzwert (S6b), so wird angenommen, dass Einbußen im thermischen Komfort akzeptabel sind und es wird in einem achten Verfahrensschritt S8 der Saugdruck im Kältemittelkreislauf 13 angehoben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verfahren
- 10
- Kühlvorrichtung
- 11
- Batterie
- 12
- Fahrgastraum
- 13
- Kältemittelkreislauf
- 14
- Erster Kältemittelstrang
- 15
- Zweiter Kältemittelstrang
- 16
- Verdampfer
- 17
- Kühler
- 18
- Batteriemodul
- 19
- Temperatursensor
- S1-S8
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9780422 B2 [0004]
- JP 6596965 B2 [0005]
