DE19534427A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Klimatisierung einer Batterie, insbesondere eines Elektrofahrzeuges - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Klimatisierung einer Batterie, insbesondere eines Elektrofahrzeuges

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klimatisierung einer Batterie, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, bei dem die aus einzelnen Modulen bestehende Batterie in einem Gehäusesystem angeordnet ist und die einzelnen Module von einem mit­ tels eines Gebläse erzeugten Luftstromes umspült werden.
Bei Batterien von Elektrofahrzeugen besteht zur Erzielung einer optimalen Speicherkapazi­ tät und einem gefahrlosen Nutzbetrieb die Forderung, daß die Temperatur der Batterie in einem bestimmten Bereich gehalten wird. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 30 583 A1 ist eine elektrische Speicherbatterie, insbesondere für einen Fahrzeugantrieb beschrieben, die neben einer Isolationsschicht außerdem von einem Latentwärmespeicher umhüllt ist. Gibt die Batterie Überschußwärme ab, so wird dieser Latentwärmespeicher beladen, ist es erforderlich die Batterie zu beheizen, so wird die benötigte Wärmemenge aus dem Latentwärmespeicher abgezogen. Die beschriebene, auf dem Wärmflaschen- Prinzip basierende Einrichtung kann dabei jedoch nur eine dem Temperaturunterschied zwischen ihr und der Batterie betragende Wärmemenge abgeben. Auch der Wärmeab­ leitung bei einer zu hohen Batterietemperatur sind physikalische Grenzen gesetzt.
Eine Anordnung zur Kühlung einer temperaturempfindlichen Einrichtung, insbesondere einer in einem Gehäuse angeordneten Fahrzeugbatterie, ist aus der deutschen Offenle­ gungsschrift DE 43 13 347 A1 bekannt. Das die Batterie aufnehmende Gehäuse ist mit Luftein- und -austrittsöffnungen versehen, von denen die Luftaustrittsöffnung in Strömungs­ verbindung mit dem Eingang des Kühlluftgebläses eines Generators des Kraftfahrzeuges steht. Neben dem Problem, daß die Batterie nur während des Fahrbetriebes gekühlt werden kann, sind Mittel zur Erwärmung der Batterie auf ein bestimmtes Temperaturniveau zur Erlangung einer optimalen Leistungsaufnahme nicht beschrieben.
Damit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klimatisierung einer Batterie zu schaffen, mit dem die Batterietemperatur innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gehalten werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentanspruche gelöst, wobei die Unteran­ sprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen darstellen.
Gemäß der Erfindung wird unterhalb eines ersten Temperaturschwellwertes die in dem Gehäusesystem der Batterie befindliche Luft durch die Erzeugung eines Luftstromes zur Klimatisierung verwendet, wobei die Abwärme erster Bereiche der Batterie zur Erwärmung zweiter Bereiche genutzt wird. Oberhalb des Temperaturschwellwertes wird dem Gehäuse­ system kühlende Luft von außen zugeführt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Gebläse zur Erzeugung der Luftströmung innerhalb des Gehäusesystems der Batterie in einem weiteren Gehäuse angeordnet, daß mindestens zwei Luftdurchströmverbindungen zu dem die Batterie umgebenden Gehäuse­ system und mindestens eine Luftein- und eine Luftaustrittsöffnung nach außen aufweist, die unterhalb eines ersten vorgegebenen Temperaturschwellwertes verschlossen und oberhalb des Temperaturschwellwertes geöffnet sind.
Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, daß das Gebläse sich direkt im Gehäusesystem der Batterie befindet, wobei das Gehäusesystem mindestens eine Luftein­ tritts- und eine Luftaustrittsöffnung nach außen aufweist, die unterhalb eines ersten vorge­ gebenen Temperaturschwellwertes verschlossen und oberhalb des Temperaturschwell­ wertes geöffnet sind. Vorzugsweise wird bis zu einem zweiten Temperaturschwellwert, der unterhalb des ersten Schwellwertes liegt, die im Gehäuse befindliche Luft zusätzlich er­ wärmt. Dazu beinhaltet die Vorrichtung mindestens eine elektrische Heizeinrichtung, die vorzugsweise PTC- oder NTC-Widerstände aufweist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird unterhalb des ersten Temperaturschwell­ wertes, wenn die für die Kühlluftzufuhr vorgesehene Lufteintrittsöffnung geschlossen ist, die Entstehung eines Knallgasgemisches, das insbesondere bei defekten bleihaltigen Batterien entstehen kann, durch einen Austausch von maximal 20%, vorzugsweise 10%, der im Gehäusesystem befindlichen Luft verhindert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Bypaß-Durchlaß nach außen auf, durch den der Luftaustausch stattfindet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei dem Einsatz von Batterien, bei denen sich im Defektfall ein Knallgas im Gehäusesystem bilden kann, ein Sensor vorgesehen, der den Betrieb des Gebläses überwacht. Erfaßt dieser Sensor einen Ausfall des Gebläses, wird die Leistungsaufnahme der Batterie abgeschaltet und somit die Knallgasbildung unterbrochen. Für einen gefahrlosen Einsatz der Batterie im Kraftfahrzeug kann außerdem vorgesehen sein, daß oberhalb eines dritten Temperaturschwellwertes, der über dem ersten Temperaturschwellwert liegt, die Leistungsabgabe oder/und -aufnahme der Batterie reduziert wird.
Die Größe der Temperaturschwellwette wird immer batterieabhängig eingestellt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nicht nur eine Temperaturvergleichmäßigung zwischen den Batteriebereichen erreicht wird, sondern die Batterie auf eine optimale Be­ triebstemperatur aufgeheizt oder bei einer zu hohen Batterietemperatur gekühlt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeuges und
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Das in Fig. 1 gezeigte Elektrofahrzeug weist eine Elektro-Motor-Getriebeeinheit 5 auf, die über einen Wechselrichter 6 von einer Batterie 7 gespeist wird. Über einen Netzanschluß 8 und ein Ladegerät 9 kann diese Batterie im Parkbetrieb aufgeladen werden. Die aus Modu­ len 10, 10′ aufgebaute Batterie 7 ist im Ausführungsbeispiel aus Platz- und Gewichtsgrün­ den geteilt, wobei die Module 10 im Motorraum 11 und die Module 10′ im Heckbereich an­ geordnet sind. Die Module sind jeweils in einem Gehäuse 12 und 12′ untergebracht, die ein Gehäusesystem bilden. Zur Klimatisierung der Module 10 und 10′, d. h. zur Temperaturver­ gleichmäßigung (die Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Modulen darf einen vor­ gegebenen Wert nicht überschreiten), und zur Erwärmung für eine optimale Betriebs- und Ladetemperatur und zur Abkühlung bei zu hohen Betriebstemperaturen ist weiterhin die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Gehäuse 2, vorzugsweise im Bereich einer durch die Fahrgeschwindigkeit erzeugten Luftströmung, vorgesehen. Das Gehäuse 2 weist sowohl zu den Modulen 10 als auch 10′ jeweils zwei Luftströmverbindungen 13, 14; 13′, 14′ sowie jeweils eine Luftein- und -austrittsöffnung 3 und 4 nach außen auf, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt ist. Die Durchmesser der Luftdurchströmverbindungen 13, 13′, 14, 14′ zu den Modulen 10, 10′ werden in Abhängigkeit der Anzahl der mit Luft zu spülenden Module bemessen.
Die Lufteintrittsöffnung 3 und Luftaustrittsöffnung 4 des Gehäuses 2 werden durch eine Ventileinrichtung 13 gesteuert. In Abhängigkeit vom Typ arbeitet jede Batterie nur in einem relativ begrenzten Bereich optimal, unterhalb dieses Bereiches verringert sich ihre Spei­ cherkapazität, oberhalb dieses Bereiches besteht die Gefahr der vorzeitigen Alterung. Bei Blei-Gel-Batterien liegt dieser Bereich zwischen 0°C und 40°C. Aus diesem Grund wird angestrebt, die Batterietemperatur auf einen Temperaturwert T1 innerhalb dieses Bereiches zu halten. Fällt die Betriebstemperatur unterhalb dieses Wertes, schließt die Ventileinrichtung 13 die Lufteintritts- und die Luftaustrittsöffnung 3 und 4 und die Abwärme einzelner Module 10, 10′ wird zum Aufheizen der im Gehäusesystem 12, 12′ mit Hilfe des Gebläses 1 strömenden Luft verwendet. Übersteigt die Betriebstemperatur den Temperatur­ wert T1, öffnet die Ventileinrichtung 13 die Luftein- und Luftaustrittsöffnung 3, 4 und von außen strömt kühlende Luft in das Gehäuse 2 und wird über das Gebläse 1 im Gehäuse­ system 12, 12′ verteilt. Bei niedrigen Außentemperaturen kann vor dem Fahrt- oder Lade­ beginn der Fall eintreten, daß die Batterietemperatur unterhalb des optimalen Arbeitsbe­ reiches fällt. Um dies zu vermeiden, ist eine elektrische Heizeinrichtung 14 vorgesehen, die unterhalb des Temperaturschwellwertes T2, der die untere Grenztemperatur des Arbeitsbe­ reiches repräsentiert, eingeschaltet wird. Zur Steuerung der Ventileinrichtung 13 ist mit dieser eine temperaturabhängige Antriebseinrichtung 15, beispielsweise ein Thermostat, verbunden.
Um ein Überschreiten der oberen Grenztemperatur (dritter Temperaturschwellwert) des Arbeitsbereiches durch die Batterietemperatur trotz der Zufuhr von kühlender Luft oder bei einem Defekt der Ventileinrichtung 13 bzw. das Gebläse 1 zu vermeiden, ist an den Modulen 10, 10′ ein Temperatursensor 19 vorgesehen, in Abhängigkeit von dessen Aus­ gangssignal gegebenenfalls die Leistungsaufnahme bzw. die Leistungsabgabe der Batterie reduziert wird.
Bei einigen Batterietypen kann im Falle eines Defektes der Batterie ein Knallgas aus den Modulen 10, 10′ in das Gehäusesystem 12, 12′ austreten. Um die Bildung eines zünd­ fähigen Gemisches in diesem Fall zu verhindern, weist das Gehäuse 1 einen Bypaß 16 nach außen auf, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß auch bei einer geschlossenen Lufteintrittsöffnung 3 so viel Frischluft nachströmen kann, daß der Knallgasgehalt nicht für die Bildung eines zündfähigen Gemisches ausreicht.
Die Abführung der Knallgas enthaltenden Luft erfolgt über die Luftaustrittskanäle 17 und 17′ im Gehäusesystem 12, 12′. Zusätzlich wird über einen Drehzahlsensor 18 die Drehzahl des Gebläses 1 überwacht. Dies dient einmal dafür, das Gebläse 1 entsprechend anzusteuern und andererseits bei Ausfall des Gebläses eine zu hohe Konzentration an Knallgas durch eine Reduzierung oder Abschaltung der Leistungsaufnahme der Batterie zu verhindern.
Bezugszeichenliste
1 Gebläse
2 Gehäuse
3. Lufteintrittsöffnung
4 Luftaustrittsöffnung
5 Elektromotor- und Getriebeeinheit
6 Wechselrichter
7 Batterie
8 Netzanschluß
9 Ladegerät
10, 10′ Module
11 Vorrichtung
12, 12′ Gehäusesystem
13 Ventileinrichtung
14 Heizeinrichtung
15 Antriebseinrichtung
16 Bypaßdurchlaß
17, 17′ Luftaustrittskanäle
18 Drehzahlsensor
19 Temperatursensor

Claims (14)

1. Verfahren zur Klimatisierung einer Batterie, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, bei dem die Batterie in einem Gehäusesystem angeordnet ist und die Batterie von einem mittels eines Gebläses erzeugten Luftstromes umspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb eines ersten Temperaturschwellwertes (T1) zumindest ein Tell der sich im Gehäusesystem (12, 12′) befindlichen Luft zur Klimatisierung der Batterie verwendet wird und oberhalb des Temperaturschwellwertes (T1) dem Gehäusesystem (12, 12′) Luft von außen zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Temperatur­ schwellwertes (T1) die Abwärme erste Bereiche der Batterie (7) zur Erwärmung zweiter Bereiche genutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb eines zweiten Temperaturschwellwertes (T2) die im Gehäusesystem (12, 12′) befindliche Luft zusätzlich erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des ersten Temperaturschwellwertes (T1) die Entstehung eines zündfähigen Knallgas­ gemisches, durch einen Austausch von maximal 20% der Luft, vorzugsweise 10% der Luft, im Gehäusesystem (12, 12) verhindert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb eines dritten Temperaturschwellwertes (T3), der der oberen Grenztemperatur des Arbeitsbereiches der Batterie (7) entspricht, die Leistungsabgabe und/oder -aufnahme der Batterie (7) reduziert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausfall des Gebläses (1) die Leistungsaufnahme der Batterie (7) abgeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Temperaturschwellwerte (T1, T2, T3) von dem Typ der Batterie (7) abhängig ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (1) in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, das mindestens zwei Luftdurchströmverbindungen (13, 14; 13′, 14′) zu dem die Batte­ rien (7) umgebenden Gehäusesystem (12, 12′) und mindestens eine Luftein- und -austrittsöffnung (3, 4) nach außen aufweist, die unterhalb eines ersten vorgegebenen Temperaturschwellwertes (T1) verschlossen und oberhalb des Temperaturschwellwertes (T1) geöffnet sind.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (1) in einem die Batterie aufnehmenden Gehäusesystem (12, 12′) angeordnet ist, das mindestens eine Luftein- und eine Luftaustrittsöffnung (3, 4) nach außen aufweist, die unterhalb eines ersten vorgege­ benen Temperaturschwellwertes (T1) verschlossen und oberhalb des Temperatur­ schwellwertes (T1) geöffnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb eines vor­ gegebenen zweiten Temperaturschwellwertes (T2) mindestens eine elektrische Heiz­ einrichtung (14) zur Erwärmung des Luftstromes innerhalb des Gehäusesystems (2, 12, 12′) einschaltbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizein­ richtung (14) PTC- oder NTC-Widerstände aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) und/oder das Gehäusesystem (12, 12′) einen Bypaßdurchlaß (16) aufweist, durch den zur Verhinderung eines zündfähigen Knallgasgemisches bei geschlossenen Luftein- und Luftaustrittsöffnungen (3, 4) ein Luftaustausch stattfindet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Luftein- und Luftaustrittsöffnungen (3, 4) eine temperaturabhängig steuerbare Ventileinrichtung (13) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des zweiten und dritten Temperaturschwellwertes (T2), (T3) an mindestens einem der Bereiche der Batterie (7) eine Temperaturmeßeinrichtung (19) angeordnet ist.
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