DE102023103610A1 - Method for operating a cooling circuit in a vehicle - Google Patents

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Nadine Schönfeld
Matthias Koch
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs (1) in einem Fahrzeug zum Thermomanagement eines Verbrennungsmotors (21) und einer Batterie (11). Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs zum Temperaturmanagement eines Verbrennungsmotors (21) und einer Batterie (11) eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kühlkreislauf (1) einen Motorkreislauf (20) und einen Batteriekreislauf (10) aufweist, welche über ein Mischventil (2) und einen Ausgleichsbehälter (3) verbunden sind, weist zwei Verfahrensschritte auf. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Kühlmedium im Ausgleichsbehälter (3) durch den Motorkreislauf (20) geleitet und dort durch eine Abwärme des Verbrennungsmotors (21) aufgeheizt. Nach dem Erreichen eines definierten Werts wenigstens eines Steuerparameters wird in einem zweiten Verfahrensschritt das Kühlmedium im Ausgleichsbehälter (3) in den Batteriekreislauf (10) geleitet, wobei das Kühlmedium Wärme an die Batterie (11) abgibt und sich folglich abkühlt. In beiden Verfahrensschritten wird dabei der Fluss des Kühlmediums, also das Einleiten des Kühlmediums in die entsprechenden Kreisläufe, über das Mischventil (2) und unter Verwendung des wenigstens einen Steuerparameters geregelt.The invention relates to a method for operating a cooling circuit (1) in a vehicle for thermal management of an internal combustion engine (21) and a battery (11). The method according to the invention for operating a cooling circuit for thermal management of an internal combustion engine (21) and a battery (11) of a motor vehicle, wherein the cooling circuit (1) has an engine circuit (20) and a battery circuit (10) which are connected via a mixing valve (2) and an expansion tank (3), has two method steps. In a first method step, a cooling medium in the expansion tank (3) is passed through the engine circuit (20) and heated there by waste heat from the internal combustion engine (21). After a defined value of at least one control parameter has been reached, in a second method step the cooling medium in the expansion tank (3) is passed into the battery circuit (10), wherein the cooling medium releases heat to the battery (11) and consequently cools down. In both process steps, the flow of the cooling medium, i.e. the introduction of the cooling medium into the corresponding circuits, is regulated via the mixing valve (2) and using at least one control parameter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs in einem Fahrzeug zum Thermomanagement eines Verbrennungsmotors und einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, des Fahrzeugs. Das Verfahren ist dabei insbesondere dazu vorgesehen die Aufheizphase einer Batterie zu verkürzen.The invention relates to a method for operating a cooling circuit in a vehicle for thermal management of an internal combustion engine and a battery, in particular a traction battery, of the vehicle. The method is particularly intended to shorten the heating phase of a battery.

Hybridfahrzeuge, welche sowohl über einen Verbrennungsmotor als auch über einen Elektromotor verfügen, weisen immer leistungsfähigere Hochvoltbatterien (Batterien) auf. Insbesondere sogenannte Traktionsbatterien, also Batterien, welche die Stromversorgung eines Elektromotors sicherstellen, der direkt zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird, müssen große Leistungen zur Verfügung stellen können.Hybrid vehicles, which have both an internal combustion engine and an electric motor, have increasingly powerful high-voltage batteries. In particular, so-called traction batteries, i.e. batteries that ensure the power supply of an electric motor that is used directly to drive the vehicle, must be able to provide high levels of power.

Die Temperatur der Batterie bestimmt dabei die maximale Lade- und Entladeströme und somit die Performance der Batterie und damit auch des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs. Fahrzeuge werden in einem Temperaturbereich von -30°C bis +45°C bewegt, infolgedessen muss sichergestellt sein, dass die Batterie in diesen Temperaturbereichen eine entsprechende Leistung zur Verfügung stellen kann. Insbesondere kalte Temperaturen der Batterien haben zur Folge, dass die Leistung der Batterie nachlässt. Dabei sind Rekuperationsleistung, also Ladeleistung der Batterie, abgegebene Leistung und Wiederstartfähigkeit drei Parameter, welche bei zu kalten Batterien sinken.The temperature of the battery determines the maximum charging and discharging currents and thus the performance of the battery and thus also of the vehicle's electric drive. Vehicles are driven in a temperature range of -30°C to +45°C, so it must be ensured that the battery can provide the appropriate power in these temperature ranges. Cold battery temperatures in particular result in a reduction in battery performance. Recuperation performance, i.e. charging performance of the battery, output power and restartability are three parameters that decrease when batteries are too cold.

Um Batterien wieder in ein Temperaturfenster zu bringen, in dem sie die an sie gestellten Leistungsanforderungen abrufen können, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Möglichkeiten bekannt. Gemäß einem Ansatz werden Batterieheizer vorgesehen, welche die Batterie beheizen und somit auf eine gewünschte Temperatur bringen können. Nachteilig ist dabei, dass für einen Batterieheizer zusätzlich aufzuwendende Energie bereitgestellt werden muss und ein derartiges System eine zusätzliche für den eigentlichen Betrieb nicht erforderliche Hardware (den Batterieheizer) benötigt wird, welche mit entsprechenden Kosten und Wartungsanforderungen etc. einhergeht.There are various options available in the state of the art for bringing batteries back into a temperature window in which they can meet the performance requirements placed on them. One approach involves providing battery heaters that heat the battery and thus bring it to a desired temperature. The disadvantage of this is that additional energy must be provided for a battery heater and such a system requires additional hardware (the battery heater) that is not required for the actual operation, which entails corresponding costs and maintenance requirements, etc.

Weiterhin sind Thermosysteme bekannt, welche einen Motorkreislauf und einen Batteriekreislauf aufweisen, wobei beide Kreisläufe durch ein Mischventil und einen Ausgleichsbehälter verbunden sind. Die Verbindung wird dadurch erreicht, dass im Ausgleichsbehälter Kühlmedium sowohl aus dem Motorkreislauf als auch aus dem Batteriekreislauf gesammelt und gemischt wird. Somit kann das Kühlmedium vom Motorkreislauf in den Batteriekreislauf gelangen. Folglich kann anhand dieses Thermosystems das Kühlmedium verwendet werden, um die Batterien zu erwärmen, wobei durch die Abwärme des Verbrennungsmotors (Motor), welche im Motorkreislauf aufgenommen wird, sichergestellt werden kann, dass das Kühlmedium eine ausreichende Temperatur aufweist, um eine Erwärmung der Batterie zu ermöglichen.Furthermore, thermal systems are known which have an engine circuit and a battery circuit, with both circuits being connected by a mixing valve and an expansion tank. The connection is achieved by collecting and mixing cooling medium from both the engine circuit and the battery circuit in the expansion tank. This allows the cooling medium to pass from the engine circuit into the battery circuit. Consequently, this thermal system can be used to use the cooling medium to heat the batteries, with the waste heat from the combustion engine (motor) being absorbed in the engine circuit ensuring that the cooling medium has a sufficient temperature to enable the battery to be heated.

Derartige Systeme sind beispielsweise aus den Patentdokumenten DE 10 2020 134 861 A1 , DE 10 2017 211 303 A1 und WO 2018 121 985 A1 bekannt.Such systems are known, for example, from the patent documents EN 10 2020 134 861 A1 , EN 10 2017 211 303 A1 and WO 2018 121 985 A1 known.

Ausschlaggebend für die Güte derartiger Thermosysteme ist dabei die Schnelligkeit, mit der die Batterie auf eine Temperatur erwärmt werden kann, welche die Leistung der Batterie auf ihr normales Niveau hebt. Insbesondere bei einem geringen Ladezustand (SoC) der Batterie ist ein schnelles Aufheizen unabdingbar, um die Rekuperationsleistung der Batterie möglichst schnell zu erhöhen und so die Funktionsfähigkeit des elektrischen Antriebs sicherzustellen und die Lebensdauer des Systems zu verbessern.The decisive factor for the quality of such thermal systems is the speed with which the battery can be heated to a temperature that raises the battery's performance to its normal level. Particularly when the battery's state of charge (SoC) is low, rapid heating is essential in order to increase the battery's recuperation performance as quickly as possible, thus ensuring the functionality of the electric drive and improving the service life of the system.

Es ist somit vor dem Hintergrund des genannten Stands der Technik Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs zum Thermomanagement eines Verbrennungsmotors und einer Batterie eines Fahrzeugs bereit zu stellen, das eine möglichst schnelle und energieeffiziente Methode bereitstellt, eine Batterie zu erwärmen.Against the background of the aforementioned prior art, it is therefore the object of the present invention to provide a method for operating a cooling circuit for thermal management of an internal combustion engine and a battery of a vehicle, which provides the fastest and most energy-efficient method possible for heating a battery.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. This object is solved by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs zum Temperaturmanagement eines Verbrennungsmotors und einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kühlkreislauf einen Motorkreislauf und einen Batteriekreislauf aufweist, welche über ein Mischventil und einen Ausgleichsbehälter verbunden sind, weist zwei Verfahrensschritte auf. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Kühlmedium im Ausgleichsbehälter durch den Motorkreislauf geleitet und dort durch eine Abwärme des Verbrennungsmotors aufgeheizt. Nach dem Erreichen eines definierten Werts wenigstens eines Steuerparameters wird in einem zweiten Verfahrensschritt das Kühlmedium im Ausgleichsbehälter in den Batteriekreislauf geleitet, wobei das Kühlmedium Wärme an die Batterie abgibt und sich folglich abkühlt. In beiden Verfahrensschritten wird dabei der Fluss des Kühlmediums, also das Einleiten des Kühlmediums in die entsprechenden Kreisläufe (Motorkreislauf und Batteriekreislauf), über das Mischventil und unter Verwendung des wenigstens einen Steuerparameters geregelt.The method according to the invention for operating a cooling circuit for temperature management of an internal combustion engine and a battery of a motor vehicle, wherein the cooling circuit has an engine circuit and a battery circuit, which are connected via a mixing valve and an expansion tank, has two method steps. In a first method step, a cooling medium in the expansion tank is passed through the engine circuit and heated there by waste heat from the internal combustion engine. After reaching a defined value of at least one control parameter, in a second method step the cooling medium in the expansion tank is passed into the battery circuit, wherein the cooling medium releases heat to the battery and consequently cools down. In both method steps, the flow of the cooling medium, i.e. the introduction of the cooling medium into the corresponding circuits (engine circuit and battery circuit), is controlled via the Mixing valve and controlled using at least one control parameter.

Der erste Verfahrensschritt wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als thermisches Aufladen und der zweite Verfahrensschritt als thermisches Entladen bezeichnet. Durch das thermische Aufladen kann das Kühlmedium zunächst eine zum Stand der Technik vergleichsweise hohe Temperatur aufnehmen, bevor es zur Batterie geleitet wird. Dadurch kann eine schnellere Erwärmung der Batterie vorgenommen werden, wodurch diese schneller in ihr optimales Betriebsfenster gelangt. Dabei kann die Abwärme des Verbrennungsmotors möglichst optimal eingesetzt werden und geht nicht an die Umgebung verloren. Weiterhin ist kein zusätzliches Bauteil im Kühlsystem notwendig, um eine effiziente Erwärmung der Batterie zu ermöglichen. Die Erfindung ist dabei nicht auf ein Kühlsystem zum Thermomanagement einer Traktionsbatterie beschränkt, jedoch bevorzugt für diese anwendbar.The first process step is also referred to as thermal charging in this application and the second process step as thermal discharging. Thermal charging allows the cooling medium to initially reach a temperature that is comparatively high compared to the state of the art before it is fed to the battery. This allows the battery to be heated more quickly, meaning that it reaches its optimal operating window more quickly. The waste heat from the combustion engine can be used as optimally as possible and is not lost to the environment. Furthermore, no additional component is required in the cooling system to enable efficient heating of the battery. The invention is not limited to a cooling system for thermal management of a traction battery, but is preferably applicable to this.

Als Steuerparameter wird vorzugsweise ein vorgegebener Zeitraum, also eine für die Verfahrensschritte vorgegebene Zeitdauer, und/oder eine Temperatur des Kühlmediums herangezogen. Wird beispielsweise während des thermischen Aufladens eine definierte Zeitdauer oder der definierte Temperaturwert des Kühlmediums erreicht, erfolgt das thermische Entladen über den Batteriekreislauf. Dies stellt eine einfache und wenig fehleranfällige Lösung dar, das Verfahren und den Wechsel zwischen thermischem Aufladen und Entladen umzusetzen.A predetermined period of time, i.e. a time period specified for the process steps, and/or a temperature of the cooling medium is preferably used as a control parameter. For example, if a defined period of time or the defined temperature value of the cooling medium is reached during thermal charging, thermal discharging takes place via the battery circuit. This represents a simple and less error-prone solution for implementing the process and the alternation between thermal charging and discharging.

Weiterhin vorteilhaft ist die Ausführungsform, wenn der erste Verfahrensschritt und der zweite Verfahrensschritt alternierend durchgeführt werden. Somit kann die Temperatur des Kühlmediums immer wieder angehoben werden, um eine effiziente Möglichkeit der Batterieerwärmung durchzuführen.The embodiment is also advantageous if the first method step and the second method step are carried out alternately. The temperature of the cooling medium can thus be raised again and again in order to carry out an efficient method of heating the battery.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das thermische Aufladen und Entladen mit einer asymmetrischen Dauer durchgeführt. Unter dem Begriff ist zu verstehen, dass das thermische Aufladen und Entladen nicht gleich lang erfolgt, sondern eines länger als das andere. Dabei kann die Asymmetrie der Dauer während der Durchführung des Verfahrens vorzugsweise angepasst werden, sodass falls dies für ein optimales Thermomanagement im Kühlkreislauf notwendig ist, die steigende Temperatur der Batterie berücksichtigt werden kann. Insbesondere bevorzugt ist dabei, wenn die Dauer des thermischen Aufladens die doppelte Dauer des thermischen Entladens beträgt.In an advantageous embodiment of the invention, thermal charging and discharging are carried out with an asymmetrical duration. This term means that thermal charging and discharging do not take place for the same length of time, but one lasts longer than the other. The asymmetry of the duration can preferably be adjusted during the implementation of the method so that, if this is necessary for optimal thermal management in the cooling circuit, the increasing temperature of the battery can be taken into account. It is particularly preferred if the duration of the thermal charging is twice the duration of the thermal discharging.

Vorzugsweise erfolgt eine erste Durchführung des thermischen Aufladens um ein Vielfaches länger als eine Durchführung eines der darauffolgenden Schritte des thermischen Aufladens oder Entladens. Die erste Zeitintensive Durchführung kann dabei als initiale Vorladung bezeichnet werden, bei der die Temperatur des Kühlmediums, insbesondere beim Start des Fahrzeugs nach längerem Stillstand auf eine bestimmte Mindesttemperatur angehoben werden kann.Preferably, a first thermal charging process takes several times longer than one of the subsequent thermal charging or discharging steps. The first time-intensive process can be referred to as initial pre-charging, during which the temperature of the cooling medium can be raised to a certain minimum temperature, particularly when starting the vehicle after a long period of downtime.

Weiterhin wird vorzugsweise während des thermischen Entladens das Mischventil derart geregelt, dass das Kühlmedium eine maximale Vorlauftemperatur aufweist. Die maximale Vorlauftemperatur des Kühlmediums ist dabei die maximal mögliche Temperatur des Kühlmediums bei der keine Beschädigung der Batterie durch eine zu hohe Temperaturdifferenz auftritt. Erfolgt das Erwärmen mit einem zu heißen Kühlmedium, ist also die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Batterie zu groß, kann dies die Lebensdauer oder die mechanische oder elektrische Anbindung der Batterien aufgrund von thermischen Spannungen gefährden. Die maximal mögliche Temperatur des Kühlmediums kann dabei aufgrund der Temperatur der Batterie abgeschätzt werden. Durch eine derartige Ausführungsform mit einer maximalen Vorlauftemperatur, kann eine maximale Geschwindigkeit des Aufheizvorgangs bei gleichzeitiger Vermeidung von Schäden sichergestellt werden.Furthermore, the mixing valve is preferably regulated during thermal discharging in such a way that the cooling medium has a maximum flow temperature. The maximum flow temperature of the cooling medium is the maximum possible temperature of the cooling medium at which no damage to the battery occurs due to an excessively high temperature difference. If heating is carried out using a cooling medium that is too hot, i.e. the temperature difference between the cooling medium and the battery is too great, this can endanger the service life or the mechanical or electrical connection of the batteries due to thermal stresses. The maximum possible temperature of the cooling medium can be estimated based on the temperature of the battery. Such an embodiment with a maximum flow temperature can ensure maximum speed of the heating process while simultaneously avoiding damage.

Die Regelung der Vorlauftemperatur bzw. Temperatur des Kühlmittels erfolgt dabei bevorzugt durch eine Pl-Regelung des Mischventils. Durch den I-Anteil des Reglers kann sichergestellt werden, dass auch keine kurzfristige Überschreitung der maximalen Vorlauftemperatur des Kühlmediums erfolgen kann, während durch den P-Anteil sichergestellt werden kann, dass die maximale Vorlauftemperatur des Kühlmediums im Batteriekreis möglichst schnell erreicht wird, um so eine möglichst schnelle Erwärmung der Batterie zu erzielen. Vorzugsweise erfolgt die Regelung des Mischventils dabei durch eine Zweipunktregelung, sofern das Mischventil den Motorkreislauf und den Batteriekreislauf während dem thermischen Aufladen vollständig voneinander trennt, sodass nur ein indirekter Wärmetransport zwischen den Kreisläufen vorliegt. Ist das Mischventil während des thermischen Aufladens derart geschaltet, dass ein kleiner Teil des Kühlmittels des Batteriekreislaufs in den Ausgleichbehälter gelangt und somit in geringem Maße ein direkter Wärmetransport vorliegt werden vorzugsweise kontinuierliche Regelungsverfahren eingesetzt, um die Temperatur des Kühlmittles in den Kreisläufen einzustellen. Bei den Regelungsverfahren werden zur Steigerung der Regelgüte des Weiteren vorzugsweise Streckentotzeiten oder Modellersatzwertbildungen berücksichtigt.The flow temperature or temperature of the coolant is preferably controlled by a PI control of the mixing valve. The I component of the controller can ensure that the maximum flow temperature of the cooling medium cannot be exceeded even for a short time, while the P component can ensure that the maximum flow temperature of the cooling medium in the battery circuit is reached as quickly as possible in order to achieve the fastest possible heating of the battery. The mixing valve is preferably controlled by a two-point control, provided that the mixing valve completely separates the engine circuit and the battery circuit from one another during thermal charging, so that only indirect heat transport occurs between the circuits. If the mixing valve is switched during thermal charging in such a way that a small part of the coolant in the battery circuit reaches the expansion tank and thus there is a small amount of direct heat transport, continuous control methods are preferably used to adjust the temperature of the coolant in the circuits. In order to increase the control quality, the control procedures preferably take into account system dead times or model replacement value formation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Mischventil während des thermischen Aufladens derart eingestellt, dass lediglich ein Massenstrom des Kühlmediums aus dem Motorkreislauf in den Ausgleichsbehälter gelangt. Folglich wird kein Massenstrom des Kühlmediums aus dem Batteriekreis in den Ausgleichsbehälter geleitet. Dadurch kann eine möglichst schnelle thermische Aufladung des Kühlmediums erfolgen, da kein kühles Kühlmedium aus dem Batteriekreis in den Ausgleichsbehälter gelangt, was ebenfalls durch die Abwärme des Verbrennungsmotors aufgeheizt werden müsste. Dadurch kann der Wirkungsgrad des thermischen Aufladens und des Themomanagements im Allgemeinen verbessert werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the mixing valve is adjusted during thermal charging such that only a mass flow of the cooling medium from the engine circuit reaches the expansion tank. Consequently, no mass flow of the cooling medium from the battery circuit is directed into the expansion tank. This allows the cooling medium to be thermally charged as quickly as possible, since no cool cooling medium from the battery circuit reaches the expansion tank, which would also have to be heated up by the waste heat from the combustion engine. This can improve the efficiency of the thermal charging and thermal management in general.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als wenigstens ein Steuerparameter eine Temperatur der Batterie und/oder des Verbrennungsmotors herangezogen. Die genannten Steuerparameter erlauben eine umfassende Regelung des Thermomanagements.In a further preferred embodiment of the invention, a temperature of the battery and/or the combustion engine is used as at least one control parameter. The control parameters mentioned allow comprehensive control of the thermal management.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen ein Chiller, welcher zur Kühlung des Kühlmediums im Kühlkreislauf vorgesehen ist, zumindest während der thermischen Aufladung inaktiv ist. Bevorzugt ist der Chiller dabei ebenfalls während des thermischen Entladens inaktiv. Als Chiller wird ein Wärmetauscher bezeichnet, welcher Wärme des Kühlmittels auf einen Kältemittelkreislauf überträgt und dieser die Abwärme anschließend an die Umgebung abgibt. Der Chiller ist somit dafür vorgesehen das Kühlmedium des Kühlkreislaufs zu kühlen. Da das Verfahren jedoch darauf gerichtet ist eine effiziente Erwärmung der Batterie zu ermöglichen, wäre eine Kühlung des Kühlmediums kontraproduktiv.Another advantageous embodiment of the method according to the invention is one in which a chiller, which is provided for cooling the cooling medium in the cooling circuit, is inactive at least during thermal charging. The chiller is preferably also inactive during thermal discharging. A chiller is a heat exchanger which transfers heat from the coolant to a coolant circuit, which then releases the waste heat to the environment. The chiller is therefore provided to cool the cooling medium of the cooling circuit. However, since the method is aimed at enabling efficient heating of the battery, cooling the cooling medium would be counterproductive.

Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das thermische Aufladen in Abhängigkeit einer am Verbrennungsmotor gemessenen Motortemperatur abgebrochen wird, sofern ein vorgegebener kritischer Motortemperaturwert erreicht wird. Auf diese Weise kann ein Überhitzen des Verbrennungsmotors verhindert werden. Dazu könnte es kommen, da erfindungsgemäß die Temperatur des Kühlmediums während des thermischen Aufladens immer weiter steigt und somit die kühlende Wirkung nachlässt. Selbstverständlich sollte der definierte Wert des Steuerparameters zur Regelung des Verfahrens derart eingestellt sein, dass dies nicht passieren kann, allerdings könnte möglicherweise durch einen Defekt oder ähnliches in bestimmten Betriebssituationen der Fall eintreten, dass der errechnete theoretische Wert des Steuerparameters zu einer zu hohen Motortemperatur führt.Another preferred embodiment of the invention is one in which the thermal charging is terminated depending on an engine temperature measured on the internal combustion engine, provided that a predetermined critical engine temperature value is reached. In this way, overheating of the internal combustion engine can be prevented. This could happen because, according to the invention, the temperature of the cooling medium continues to rise during thermal charging and thus the cooling effect decreases. Of course, the defined value of the control parameter for regulating the method should be set in such a way that this cannot happen, but a defect or similar could possibly cause the calculated theoretical value of the control parameter to lead to an engine temperature that is too high in certain operating situations.

Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung im Hinblick auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs 1 für ein Hybridfahrzeug
  • 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Ausführungsform einer Betriebsstrategie des erfindungsgemäßen Verfahrens
In the following, advantageous aspects and embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the attached figures. They show:
  • 1 shows a schematic representation of a cooling circuit 1 for a hybrid vehicle
  • 2 shows a diagram illustrating an embodiment of an operating strategy of the method according to the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs 1 für ein Hybridfahrzeug. Der Kühlkreislauf 1 ist dabei für das Thermomanagement eines Verbrennungsmotors 21 und einer Batterie 11 eines Elektromotors ausgebildet. Er weist einen Motorkreislauf 20 und einen Batteriekreislauf 10 auf, welche über ein Mischventil 2 und einen Ausgleichbehälter 3 miteinander verbunden sind. Ein Kühlmedium, welches sich im Kühlkreislauf 1 befindet, kann somit vom Motorkreislauf 20 in den Batteriekreislauf 10 gelangen oder andersrum. Weiterhin ist im Batteriekreislauf 10 ein Chiller 41 vorgesehen, welcher über einen lediglich angedeuteten Kältemittelkreislauf 40, Wärme aus dem Kühlmedium abtransportieren kann. Da der Kältemittelkreislauf 40 im Rahmen dieser Anmeldung keine Rolle spielt wird an dieser Stelle nicht weiter auf ihn eingegangen. Gleiches gilt für den Chiller 41, welcher vorzugsweise während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens inaktiv ist. Weiterhin ist ein Temperatursensor 4 stromabwärts des Ausgleichbehälters vorgesehen, welcher die Temperatur des Kühlmediums nach dem Austreten aus dem Ausgleichsbehälter 3 misst. Als Kühlmedium kann beispielsweise Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit eingesetzt werden. 1 shows a schematic representation of a cooling circuit 1 for a hybrid vehicle. The cooling circuit 1 is designed for the thermal management of an internal combustion engine 21 and a battery 11 of an electric motor. It has a motor circuit 20 and a battery circuit 10, which are connected to one another via a mixing valve 2 and an expansion tank 3. A cooling medium which is in the cooling circuit 1 can thus pass from the motor circuit 20 into the battery circuit 10 or vice versa. Furthermore, a chiller 41 is provided in the battery circuit 10, which can transport heat away from the cooling medium via a coolant circuit 40, which is only indicated. Since the coolant circuit 40 plays no role in the context of this application, it will not be discussed further at this point. The same applies to the chiller 41, which is preferably inactive during the implementation of the method according to the invention. Furthermore, a temperature sensor 4 is provided downstream of the expansion tank, which measures the temperature of the cooling medium after it emerges from the expansion tank 3. Water or another suitable liquid can be used as a cooling medium.

In dem Kühlkreislauf 1 tritt im Kühlbetrieb, welcher im Dauerbetrieb des Fahrzeugs zur Kühlung der Batterie 11 und des Verbrennungsmotors 21 zumeist ausgeführt wird, Kühlmedium aus dem Ausgleichsbehälter 3 aus und strömt dann entweder in den Batteriekreislauf 10 oder den Motorkreislauf 20. Dort strömt es an die Batterie 11 bzw. den Verbrennungsmotor 21 und nimmt Wärme auf und strömt zurück zum Mischventil 2 und von dort wieder in den Ausgleichsbehälter 3. Gekühlt wird das Kühlmedium dabei durch den Chiller 41 und den daran angeschlossenen Kältemittelkreislauf 40.In the cooling circuit 1, during cooling operation, which is usually carried out during continuous operation of the vehicle to cool the battery 11 and the combustion engine 21, cooling medium emerges from the expansion tank 3 and then flows either into the battery circuit 10 or the engine circuit 20. There it flows to the battery 11 or the combustion engine 21 and absorbs heat and flows back to the mixing valve 2 and from there back into the expansion tank 3. The cooling medium is cooled by the chiller 41 and the coolant circuit 40 connected to it.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Erwärmen der Batterie 11 vorgesehen und läuft dabei wie folgt ab. In einem ersten Verfahrensschritt wird das Mischventil 2 derart geregelt, dass sich das im Ausgleichsbehälter 3 befindliche Kühlmedium durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 21 erwärmt. Dazu wird das Mischventil 2 derart gestellt, dass in den Batteriekreislauf 10 vorzugsweise kein Kühlmedium strömen kann. Dazu lässt das Mischventil 2 das Kühlmedium aus dem Batteriekreislauf 10 nicht in den Ausgleichsbehälter 3. Somit strömt das Kühlmedium lediglich im Motorkreislauf 20 und erhitzt sich dadurch stetig. Der erste Verfahrensschritt wird dabei als thermisches Aufladen bezeichnet.The method according to the invention is intended for heating the battery 11 and runs as follows. In a first method step, the mixing valve 2 is controlled in such a way that the cooling medium in the expansion tank 3 is heated by the waste heat of the combustion engine 21. For this purpose, the mixing valve 2 is set in such a way that preferably no cooling medium can flow into the battery circuit 10. For this purpose, the mixing valve 2 does not allow the cooling medium from the battery circuit 10 to flow into the expansion tank 3. Thus, the cooling medium only in the engine circuit 20 and is therefore constantly heated. The first process step is referred to as thermal charging.

Ist beispielsweise eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen oder wird eine bestimmte Zieltemperatur des Kühlmediums im Ausgleichsbehälter 3 durch den Temperatursensor 4 erfasst, gibt das Mischventil 2 den Weg für das Kühlmedium aus dem Batteriekreislauf 10 in den Ausgleichsbehälter 3 zumindest teilweise frei, wodurch das warme Kühlmedium aus dem Ausgleichsbehälter 3 in den Batteriekreislauf 10 gelangt und die Batterie 11 erwärmt.If, for example, a predetermined period of time has elapsed or a certain target temperature of the cooling medium in the expansion tank 3 is detected by the temperature sensor 4, the mixing valve 2 at least partially clears the path for the cooling medium from the battery circuit 10 into the expansion tank 3, whereby the warm cooling medium from the expansion tank 3 passes into the battery circuit 10 and heats the battery 11.

Die Regelung des Mischventils 2 ist dabei bevorzugt als eine Zweipunkt PI-Regelung ausgebildet, welche eine definierte, möglichst hohe Vorlauftemperatur des Kühlmediums im Batteriekreislauf 10 einstellt, um eine effiziente Erwärmung zu erzielen. Dabei darf ein Maximalwert der Vorlauftemperatur nicht überschritten werden, um thermische Spannungen in der Batterie und damit Beschädigungen zu vermeiden.The control of the mixing valve 2 is preferably designed as a two-point PI control, which sets a defined, as high as possible flow temperature of the cooling medium in the battery circuit 10 in order to achieve efficient heating. A maximum value of the flow temperature must not be exceeded in order to avoid thermal stresses in the battery and thus damage.

Auf diese Weise kann eine schnelle Erwärmung der Batterie 11 erfolgen, wodurch diese möglichst schnell in ihr optimales Betriebsfenster gelangt und die Leistung verbessert sowie die Lebensdauer erhöht wird. Insbesondere bei sehr niedrigen SoC kann somit die Gefahr einer Beschädigung bei tiefen Temperaturen und die Lebensdauer der Batterie 10 verbessert werden.In this way, the battery 11 can be heated up quickly, which means that it reaches its optimal operating window as quickly as possible, improving performance and increasing the service life. In particular with very low SoCs, the risk of damage at low temperatures and the service life of the battery 10 can be improved.

Wird das Kühlmedium zu kalt oder ist ein vorher definierter Zeitraum überschritten wechselt das Verfahren wieder in den ersten Verfahrensschritt, also das thermische Aufladen. Dazu wird der Fluss des Kühlmediums im Batteriekreislauf 10 durch das Mischventil 2 wieder unterbrochen. Dies wird so lange fortgeführt, bis die Batterie 11 ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Anschließend befindet sich der Kühlkreislauf 1 im Dauerbetrieb, in dem in den meisten Fällen sowohl eine Kühlung des Verbrennungsmotors als auch der Batterie erfolgt.If the cooling medium becomes too cold or a previously defined period of time is exceeded, the process switches back to the first process step, i.e. thermal charging. To do this, the flow of the cooling medium in the battery circuit 10 is interrupted again by the mixing valve 2. This continues until the battery 11 has reached its operating temperature. The cooling circuit 1 is then in continuous operation, in which in most cases both the combustion engine and the battery are cooled.

2 zeigt ein Diagramm mit einer beispielhaften Betriebsstrategie zur Durchführung des Verfahrens. Dabei werden im Diagramm die beiden Betriebszustände des Verfahrens über der Zeit aufgetragen. Als Betriebszustände sind die beiden Verfahrensschritte des Verfahrens, also das thermische Aufladen und das thermische Entladen zu verstehen. 2 shows a diagram with an example operating strategy for carrying out the process. The diagram shows the two operating states of the process over time. The operating states are the two process steps of the process, i.e. thermal charging and thermal discharging.

Gemäß der dargestellten Betriebsstrategie beginnt das erfindungsgemäße Verfahren mit dem thermischen Aufladen des Kühlmediums im Ausgleichsbehälter 3 über die Abwärme des Verbrennungsmotors 21 im Motorkreislauf 20. Diese wird über den Zeitraum t1 durchgeführt, wobei t1 beispielsweise 120 Sekunden beträgt. Nach Ablauf von t1 erfolgt der zweite Verfahrensschritt, also das thermische Entladen, bei dem das aufgewärmte Kühlmedium aus dem Ausgleichsbehälter 3 in den Batteriekreislauf 10 eingeführt wird. Dabei gibt das Kühlmedium Wärme an die Batterie 11 ab und wärmt diese auf. Nach einer festgelegten Zeitdauer t2, welche beispielsweise 30 Sekunden beträgt, wechselt das Verfahren durch Betätigung des Mischventils 2 wieder in den Betriebszustand des thermischen Aufladens damit das Kühlmedium im Ausgleichsbehälter 3 wieder erhitzt wird. Dies kann beispielsweise für eine festgelegte Zeitdauer t3, beispielsweise 60 Sekunden erfolgen.According to the operating strategy shown, the method according to the invention begins with the thermal charging of the cooling medium in the expansion tank 3 via the waste heat of the internal combustion engine 21 in the engine circuit 20. This is carried out over the period t 1 , where t 1 is, for example, 120 seconds. After t 1 has elapsed, the second method step takes place, i.e. thermal discharging, in which the warmed-up cooling medium from the expansion tank 3 is introduced into the battery circuit 10. The cooling medium gives off heat to the battery 11 and warms it up. After a specified period of time t 2 , which is, for example, 30 seconds, the method changes back to the operating state of thermal charging by actuating the mixing valve 2 so that the cooling medium in the expansion tank 3 is heated again. This can take place, for example, for a specified period of time t 3 , for example 60 seconds.

Die Abfolge zwischen den Betriebszuständen des thermischen Aufladens und Entladens kann dabei so lange vorgenommen werden, bis die Batterie 11 ihr optimales Betriebsfenster erreicht hat. Auf diese Weise kann eine Betriebsstrategie mit alternierenden Betriebszuständen umgesetzt werden, wobei eine zyklische Asymmetrie zwischen den Auflade- und Entladephasen, also die unterschiedlichen Zeitdauern t2, t3 vorgesehen werden können, um ein gutes Gleichgewicht zwischen aufgenommener und abgeführter Wärmemenge in den Betriebszuständen sicherzustellen.The sequence between the operating states of thermal charging and discharging can be carried out until the battery 11 has reached its optimal operating window. In this way, an operating strategy with alternating operating states can be implemented, whereby a cyclic asymmetry between the charging and discharging phases, i.e. the different time periods t 2 , t 3 , can be provided in order to ensure a good balance between the amount of heat absorbed and dissipated in the operating states.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102017211303 A1 [0006]DE 102017211303 A1 [0006]
  • WO 2018121985 A1 [0006]WO 2018121985 A1 [0006]

Claims (11)

Verfahren zum Betrieb eines Kühlkreislaufs (1) in einem Fahrzeug zum Thermomanagement eines Verbrennungsmotors (21) und einer Batterie (11) des Fahrzeugs, wobei der Kühlkreislauf (1) einen Motorkreislauf (20) und einen Batteriekreislauf (10) aufweist, welche über ein Mischventil (2) und einen Ausgleichsbehälter (3) gekoppelt sind, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Kühlmedium im Ausgleichsbehälter (3) in den Motorkreislauf geleitet wird und dort durch eine Abwärme des Verbrennungsmotors (21) aufgeheizt wird und nach Erreichen eines definierten Werts wenigstens eines Steuerparameters in einem zweiten Verfahrensschritt das Kühlmedium im Ausgleichsbehälter (3) in den Batteriekreislauf (10) geleitet wird, wobei das Kühlmedium Wärme an die Batterie (11) abgibt, wobei die Verfahrensschritte über das Mischventil (2) und unter Verwendung des wenigstens einen Steuerparameters geregelt werden.Method for operating a cooling circuit (1) in a vehicle for thermal management of an internal combustion engine (21) and a battery (11) of the vehicle, wherein the cooling circuit (1) has an engine circuit (20) and a battery circuit (10) which are coupled via a mixing valve (2) and an expansion tank (3), wherein in a first method step, a cooling medium in the expansion tank (3) is fed into the engine circuit and is heated there by waste heat from the internal combustion engine (21) and after reaching a defined value of at least one control parameter in a second method step, the cooling medium in the expansion tank (3) is fed into the battery circuit (10), wherein the cooling medium releases heat to the battery (11), wherein the method steps are controlled via the mixing valve (2) and using the at least one control parameter. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Steuerparameter ein definierter Zeitraum und/oder ein definierter Temperaturwert des Kühlmediums ist.Method according to the preceding claim, wherein the at least one control parameter is a defined period of time and/or a defined temperature value of the cooling medium. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verfahrensschritte mit einer asymmetrischen Dauer durchgeführt werden und insbesondere der erste Verfahrensschritt doppelt so lange durchgeführt wird wie der zweite Verfahrensschritt.Method according to the preceding claim, wherein the method steps are carried out with an asymmetric duration and in particular the first method step is carried out twice as long as the second method step. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte alternierend durchgeführt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the method steps are carried out alternately. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch 4 in Kombination mit Anspruch 2, wobei eine erste Durchführung des ersten Verfahrensschritt um ein Vielfaches länger erfolgt als eine Durchführung eines darauffolgenden ersten oder zweiten Verfahrensschritts.Procedure according to the preceding Claim 4 in combination with Claim 2 , wherein a first execution of the first method step takes several times longer than an execution of a subsequent first or second method step. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des zweiten Verfahrensschritts das Mischventil (2) derart geregelt wird, dass das Kühlmedium eine maximale Vorlauftemperatur aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein during the second method step the mixing valve (2) is controlled such that the cooling medium has a maximum flow temperature. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Regelung der Vorlauftemperatur durch eine PI-Regelung des Mischventils (2) erfolgt.Method according to the preceding claim, wherein the control of the flow temperature is carried out by a PI control of the mixing valve (2). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mischventil (2) im ersten Verfahrensschritt derart eingestellt ist, dass lediglich ein Massenstrom des Kühlmediums aus dem Motorkreislauf (10) in den Ausgleichbehälter (3) gelangt.Method according to one of the preceding claims, wherein the mixing valve (2) is set in the first method step such that only a mass flow of the cooling medium from the engine circuit (10) reaches the expansion tank (3). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Steuerparameter eine Temperatur der Batterie (21) und/oder des Motors (11) ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one control parameter is a temperature of the battery (21) and/or the motor (11). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest während des ersten Verfahrensschritts ein Chiller zur Kühlung des Kühlmediums inaktiv ist.Method according to one of the preceding claims, wherein a chiller for cooling the cooling medium is inactive at least during the first method step. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Verfahrensschritt in Abhängigkeit eines am Verbrennungsmotor (21) Temperatursensors abgebrochen wird, sofern ein vorgegebener kritischer Motortemperaturwert erreicht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the first method step is aborted depending on a temperature sensor on the internal combustion engine (21) if a predetermined critical engine temperature value is reached.
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