EP3183769A1 - Vorrichtung und verfahren zum klimatisieren eines elektrischen energiespeichers für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum klimatisieren eines elektrischen energiespeichers für ein kraftfahrzeug

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EP3183769A1
EP3183769A1 EP15747427.1A EP15747427A EP3183769A1 EP 3183769 A1 EP3183769 A1 EP 3183769A1 EP 15747427 A EP15747427 A EP 15747427A EP 3183769 A1 EP3183769 A1 EP 3183769A1
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EP
European Patent Office
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electrical energy
heating
energy storage
heating circuit
energy store
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15747427.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Henry Strobel
Christoph Baumgärtner
Martin Brüll
Egor SAWAZKI
Peter Säger
Armin Hollstein
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Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to air conditioning and
  • Temperature control devices for electrical energy storage for a motor vehicle In particular, the present invention relates
  • Invention an apparatus and a method for conditioning an electric energy storage device for a motor vehicle.
  • Batteries or electric energy storage of electric and hybrid vehicles are temperature-dependent in their performance and have functional at certain temperature ranges
  • a typical operating temperature range for an electrical energy store when used in a motor vehicle is between 20 ° C and 35 ° C.
  • a first aspect of the present invention relates to a device for air conditioning an electric
  • An energy storage device for a motor vehicle comprising: a heating element device which is designed to supply thermal energy to the electrical energy store by means of conversion from another form of energy; a heating circuit device which is adapted to the electrical energy storage by further heat energy
  • a sensor device which is designed to detect a temperature of the electrical energy store
  • a control device which is designed, based on the detected temperature of the electrical
  • the present invention can advantageously heat energy through two means
  • Heating element device and second or secondary
  • Energy storage is designed to determine which Battery temperature from an energetic point of view would be best for the particular operating point of the electrical energy storage and / or which battery temperature would be best under the respective environmental parameters for the
  • control device is designed to determine which battery temperature is energetically rewarding for the respective operating point of the electrical energy storage.
  • Invention used may be, for example, a current or a future energy extraction (discharge) and / or a current or future energy consumption (charging) of the electrical energy storage to be included.
  • discharge discharge
  • charging current or future energy consumption
  • operating point may include a utilization profile of the electrical energy store.
  • control device can perform the determination of the heating requirement for the electrical energy storage using a battery model and calculate the future temperature of the battery, for example, depending on the ambient temperature, or from the coolant temperature, or from the surface temperature, or from the state of charge of the electrical energy storage or from the withdrawn battery current or from the charging current or from the
  • battery model for example, a simulation for describing the behavior of the electric
  • the modeling depth of the battery model can be varied and different model parameters such as battery or cell temperature, waste heat, waste heat from charging and discharging processes, cell or energy storage geometries,
  • Diffusion constants or electrolyte conductivities can be used for modeling.
  • control device is designed to be based on the ambient temperature or the
  • Weather forecast information the heating request for the
  • control device for the Schuankar also a current or a future energy extraction
  • Control device can be a corresponding, of which
  • the power loss for example, as proportional to the electrical charging power of the electric
  • Unloading capacity of the electric energy storage can be calculated.
  • the anticipated future energy extraction (unloading) and / or energy intake (charging) can in one
  • control device is designed to a current or a future
  • control device for the Schuanjpg calculate a forecast, with what energy consumption the
  • a certain operating temperature - can be brought.
  • the energy management of the motor vehicle in the form of the regulating device can be based on this
  • control device is designed to calculate a prognosis for the heating requirement, with which energy consumption the electric power
  • Energy storage can be brought to a predetermined operating temperature or in a predetermined operating temperature range.
  • the present invention relates to a method for air conditioning an electric Energy storage for a motor vehicle, the method comprising the following steps: supplying heat energy to the electrical energy storage by means of conversion from another form of energy using a
  • Heating element device and / or the heating circuit device according to the determined heating request by means of a control device.
  • Waste heat generating secondary element such as a traction motor, a starter generator or an interior or passenger area of a motor vehicle or in the
  • the heating circuit device for example, by means of a fluid circuit or a cooling system with the Secondary element to be connected.
  • the present invention enables a
  • Thermal management system includes, wherein the
  • Thermal management system for example, is designed as a device for conditioning an electrical energy storage.
  • the thermal management system can determine a suitable temperature for the electrical energy store on the basis of a currently prevailing operating point or another environmental parameter.
  • the present invention allows that
  • the coolant temperature or the surface temperature or a state of charge or based on taken or the electrical energy storage device supplied current or voltage values the coolant temperature or the surface temperature or a state of charge or based on taken or the electrical energy storage device supplied current or voltage values
  • Battery management system using a battery model determines a temperature range currently suitable for the operation of the electrical energy storage.
  • the present invention enables a desired operating temperature of the electrical energy store to be determined, and an amount of heat to achieve the desired operating temperature can be calculated
  • the current temperature or the future temperature can also be calculated from the battery management system or from the thermal management system on the basis of an expected charging and / or discharging current of the electrical energy store.
  • a prognosis can also be calculated, With what energy consumption the battery can be brought into the desired operating temperature or target temperature range.
  • the present invention enables an energetic
  • the present invention enables the following advantages:
  • the sensor device is adapted to an ambient temperature, a
  • Coolant temperature of the heating circuit device a state of charge of the electrical energy storage or a
  • the present invention provides that the
  • Control device is designed to use the
  • Weather forecast information the heating request for the
  • the present invention provides that the
  • Heating circuit device is designed with a
  • Traction motor or to be coupled to a starter generator or with an interior of the motor vehicle or with electronics of the motor vehicle as the secondary element.
  • the present invention provides that the
  • Heating element device is designed as a heating resistor and is adapted to the electrical energy storage, the heat energy by means of conversion from an electrical
  • the present invention provides that the
  • Control device is designed to be a future too to calculate the expected power loss of the electrical energy store.
  • the expected future power loss can be calculated in a time span of up to 30 s or up to 60 s or up to 120 s or more than 240 s.
  • Heating circuit device is consumed.
  • the present invention provides that the
  • Regulating device is designed as a criterion for determining the heating requirement for the electric
  • control device can be determined based on the detected temperature of the electrical
  • Energy storage decide whether it energetically worth the temperature of the battery.
  • the heating energy is calculated in such a way that the energy advantage lies above the heating energy.
  • the present invention provides that the
  • Regulating device is designed to be based on the future expected power loss of the electric
  • the present invention provides that the
  • Control device is designed to calculate a future expected waste heat of the coupled with the heating circuit device secondary element.
  • the present invention provides that the
  • Control device is designed to be based on the future expected waste heat of the heating circuit device coupled secondary element to determine the Schuangins for the electrical energy storage and according to the determined Schuanffen the heater element
  • Implementations of the present invention also include combinations of previously or not explicitly mentioned combinations
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for conditioning an electrical energy store according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a flowchart of a method for air conditioning an electrical
  • Fig. 3 is a schematic representation of an apparatus for
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a
  • a device 100 for conditioning an electrical energy store 50 for a motor vehicle comprises
  • a heating element device 10 For example, a heating element device 10, a thermoelectric device 10, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric device, a thermoelectric thermometer
  • Heating circuit device 20 a sensor device 30 and a control device 40th
  • the heating element device 10 is for example
  • the heating element device is a
  • the electric energy storage 50 the Heat energy by conversion from an electrical
  • a heating resistor refers to an electrical component that converts electrical energy into thermal energy or heat
  • the heating circuit device 20 is designed for example as a fluid circuit or a coolant circuit and designed, for example, the electrical
  • the heating circuit device 20 may be configured to heat a to be heated to an appropriate level.
  • the heating circuit device 20 may include a plurality of
  • Secondary element 200 has designated.
  • a coolant or other fluid (eg, water) circulating in the heating circuit becomes at the heat source
  • the sensor device 30 is designed, for example, to detect a temperature of the electrical energy store 50.
  • the sensor device 30 can be used as a temperature sensor
  • the sensor device 30 may be formed and designed as an electrical or electronic component that can provide an electrical signal as a measure of the temperature.
  • the sensor device 30 may be configured to receive weather forecast information by data transmission.
  • the weather forecast information can provide information about expected ambient temperatures or otherwise
  • Weather forecast information may cover a future time span of up to 1 hour, or up to 3 hours, or up to 12 hours, or up to 48 hours, or up to 72 hours.
  • the control device 40 is designed, for example, based on the detected temperature of the electrical
  • heating demand can be a lot of
  • Heat energy to be understood which is needed by the electric energy storage 50 to reach a certain optimum operating temperature.
  • the optimum operating temperature of the electric energy storage device 50 is in a temperature range of 10 ° C to 60 ° C, or preferably 15 ° C to 45 ° C, or more preferably in a range of 20 ° C to 35 ° C.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a
  • Flowchart of a method for air conditioning an electrical energy storage device 50 for a motor vehicle includes, for example, four process steps.
  • feeding of heat energy to the electrical energy store 50 takes place by means of conversion from another form of energy by means of a heating element device 10.
  • Heating circuit device 20
  • Heating element device 10 and / or the
  • Heating circuit device 20 according to the determined
  • Heating request using a control device 40 Heating request using a control device 40.
  • the process steps can be iteratively or recursively repeated in any order.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a
  • a device 100 is coupled, for example, with an electrical energy store 50 and a secondary element 200.
  • the secondary element 200 may be as an electric motor or as a traction motor or as a starter generator or as an interior or passenger area of the
  • Motor vehicle or be designed as an electronic circuit or as another heat or waste heat source of the motor vehicle.
  • traction motors including traction motors
  • the motors are referred to with which a wheelset or the wheels of a drive ⁇ or motor vehicle are driven directly.
  • the electric energy storage 50 may be used as a lithium-ion secondary battery, also lithium-ion battery, Li-ion battery, Li-ion secondary battery, lithium secondary battery or Li-ion, i. be formed as a battery based on lithium.
  • the electrical energy store 50 can be used as an electrical energy store in the form of a lithium iron phosphate accumulator or a lithium titanate accumulator or a lithium polymer accumulator or a lithium-cobalt dioxide accumulator or in the form of another

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers (50) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung (1) umfasst: eine Heizelementeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher (50) Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform zuzuführen; eine Heizkreislaufeinrichtung (20), welche dazu ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher (50) die Wärmeenergie durch Nutzung von mit einem Sekundärelement (200) erzeugter Abwärme zuzuführen; eine Sensoreinrichtung (30), welche dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers (50) zu erfassen; und eine Regelungseinrichtung (40), welche dazu ausgelegt ist, anhand der erfassten Temperatur des elektrischen Energiespeichers (50) eine Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher (50) zu ermitteln und entsprechend der ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung (10) und/oder die Heizkreislaufeinrichtung (20) anzusteuern.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Klimatisieren eines elektri Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft Klimatisierungs- und
Temperierungseinrichtungen für elektrische Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug.
Batterien oder elektrische Energiespeicher von Elektro- und Hybridfahrzeugen sind temperaturabhängig in ihrer Leistung und haben bei bestimmten Temperaturbereichen funktionale
Einschränkungen .
Neben den funktionalen Einschränkungen ergeben sich hohe
Verlustleistungen beim Laden bzw. Entladen der Batterie einem ungünstigen Temperaturbereich.
Beispielsweise liegt ein typischer Arbeitstemperaturbereich für einen elektrischen Energiespeicher bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug zwischen 20°C und 35°C.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den
Figuren der Zeichnungen zu entnehmen. Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Klimatisieren eines elektrischen
Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Heizelementeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform zuzuführen; eine Heizkreislaufeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher weitere Wärmeenergie durch
Nutzung von mit einem Sekundärelement erzeugter Abwärme zuzuführen; eine Sensoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers zu erfassen; und eine Regelungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, anhand der erfassten Temperatur des elektrischen
Energiespeichers eine Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher zu ermitteln und entsprechend der ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung und/oder die
Heizkreislaufeinrichtung anzusteuern .
In anderen Worten ausgedrückt, die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft über zwei Einrichtungen Wärmeenergie dem
elektrischen Energiespeicher zuzuführen und den elektrischen Energiespeicher klimatisieren. Dies kann anstelle der Begriffe „Wärmeenergie" und „weitere Wärmeenergie" auch durch die
Begriffe erster oder primärer Wärmeenergiefluss bzw.
Wärmeenergie, über die als Primärelement ausgebildete
Heizelementeinrichtung, und zweiter oder sekundärer
Wärmeenergiefluss bzw. Wärmeenergie, über die mit einem
Sekundärelement gekoppelte Heizkreislaufeinrichtung,
ausgedrückt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtung der Vorrichtung zum Klimatisieren des elektrischen
Energiespeichers dazu ausgelegt ist, zu ermitteln, welche Batterietemperatur unter energetischen Gesichtspunkten am besten wäre für den jeweiligen Arbeitspunkt des elektrischen Energiespeichers und/oder welche Batterietemperatur unter den jeweiligen Umgebungsparametern am besten wäre für den
jeweiligen Arbeitspunkt des elektrischen Energiespeichers.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, zu ermitteln, welche Batterietemperatur für den jeweiligen Arbeitspunkt des elektrischen Energiespeichers energetisch lohnend ist.
Mit dem Begriff „Arbeitspunkt" wie von der vorliegenden
Erfindung verwendet kann beispielsweise eine aktuelle oder eine zukünftige Energieentnahme (Entladen) und/oder eine aktuelle oder eine zukünftige Energieaufnahme (Laden) des elektrischen Energiespeichers umfasst sein. Ferner kann mit dem Begriff „Arbeitspunkt" ein Nutzungsprofil des elektrischen Energiespeichers umfasst sein.
Beispielsweise kann die Regelungseinrichtung das Ermitteln der Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher mithilfe eines Batteriemodells durchführen und dabei die zukünftige Temperatur der Batterie berechnen, etwa in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, oder von der Kühlmitteltemperatur, oder von der Oberflächentemperatur, oder von dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers oder von dem entnommenen Batteriestrom oder von dem Ladestrom oder von der
BatterieSpannung .
Mit dem Begriff „Batteriemodell" wie von der vorliegenden Erfindung verwendet kann beispielsweise eine Simulation zur Beschreibung des Verhaltens von dem elektrischen
Energiespeicher oder zur Beschreibung des Verhaltens von einzelnen Batteriezellen des elektrischen Energiespeichers umfasst sein. Die Modellierungstiefe des Batteriemodells kann dabei variiert werden und unterschiedliche Modellparameter wie Batterie- oder Zelltemperatur, Abwärme, Abwärme von Lade- und Entladeprozessen, Zell- oder Energiespeichergeometrien,
Diffusionskonstanten oder Elektrolyt Leitfähigkeiten können für die Modellbildung zum Einsatz kommen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der Umgebungstemperatur oder der
Kühlmitteltemperatur der Heizkreislaufeinrichtung oder des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers oder des
Lastprofils des elektrischen Energiespeichers oder der
Wetterprognoseinformation die Heizanforderung für den
elektrischen Energiespeicher energetisch zu minimieren und entsprechend der ermittelten, energetisch minimierten
Heizanforderung die Heizelementeinrichtung und/oder die
Heizkreislaufeinrichtung anzusteuern .
Ebenso kann die Regelungseinrichtung für die Heizanforderung auch eine aktuelle oder eine zukünftige Energieentnahme
(Entladen) und/oder eine Energieaufnahme (Laden) des
elektrischen Energiespeichers berechnen und die
Regelungseinrichtung kann eine entsprechende, von dem
elektrischen Energiespeicher voraussichtlich abgegebene
Verlustleistung in Form von thermischer Energie berechnen.
Dabei kann die Verlustleistung beispielsweise als proportional zur elektrischen Ladeleistung des elektrischen
Energiespeichers oder als proportional zur elektrischen
Entladeleistung des elektrischen Energiespeichers berechnet werden . Die zukünftig zu erwartende Energieentnahme (Entladen) und/oder Energieaufnahme (Laden) kann dabei in einer
Zeitspanne von bis zu 30 s oder von bis zu 60 s oder von bis zu 120 s oder von mehr als 240 s berechnet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine aktuelle oder eine zukünftige
Energieentnahme (Entladen) und/oder eine Energieaufnahme
(Laden) des elektrischen Energiespeichers zu berechnen und eine von dem elektrischen Energiespeicher voraussichtlich abgegebene Verlustleistung in Form von thermischer Energie zu berechnen und darauf basierend die Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher energetisch zu minimieren.
Ebenso kann die Regelungseinrichtung für die Heizanforderung eine Prognose berechnen, mit welchem Energieaufwand die
Batterie bzw. der elektrische Energiespeicher in einem
bestimmten Zustand - eine bestimmte Betriebstemperatur - gebracht werden kann. Das Energiemanagement des Kraftfahrzeugs in Form der Regelungseinrichtung kann darauf aufbauend
entscheiden, ob es sich energetisch lohnt, die Batterie bzw. den elektrischen Energiespeicher zu temperieren. In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, für die Heizanforderung eine Prognose zu berechnen, mit welchem Energieaufwand der elektrische
Energiespeicher auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur bzw. in einen vorbestimmten Betriebstemperaturbereich gebracht werden kann.
Nach einem weiteren, zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: Zuführen von Wärmeenergie an den elektrischen Energiespeicher mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform mithilfe von einer
Heizelementeinrichtung; Zuführen von weiterer Wärmeenergie an den elektrischen Energiespeicher durch Nutzung von mit einem Sekundärelement erzeugter Abwärme mithilfe von einer
Heizkreislaufeinrichtung; Erfassen einer Temperatur des elektrischen Energiespeichers mithilfe von einer
Sensoreinrichtung; und Ermitteln einer Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher anhand der erfassten Temperatur des elektrischen Energiespeichers und Ansteuern der
Heizelementeinrichtung und/oder der Heizkreislaufeinrichtung entsprechend der ermittelten Heizanforderung mithilfe von einer Regelungseinrichtung.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, eine
Heizanforderung für einen elektrischen Energiespeicher zu ermitteln und ein gezieltes Aufheizen der Batterie bzw. des elektrischen Energiespeichers zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, ein
dezidiertes Batterieheizelement in Form einer
Heizelementeinrichtung bereitzustellen und das dezidierte Batterieheizelement durch einen Heiz- bzw. Fluidkreislauf mit einer Abwärme erzeugenden Sekundäreinrichtung bzw. einem
Abwärme erzeugenden Sekundärelement wie beispielsweise ein Traktionsmotor, ein Startergenerator oder ein Innenraum bzw. Passagierbereich eines Kraftfahrzeuges oder eine im
Kraftfahrzeug verwendete und betriebene Elektronik
bereitzustellen.
Die Heizkreislaufeinrichtung kann beispielsweise mittels eines Fluidkreislaufes oder eines Kühlsystems mit dem Sekundärelement verbunden werden.
Vorteilhaft ermöglicht die vorliegende Erfindung, ein
Batteriemanagementsystem bereitzustellen, welches ein
Thermomanagementsystem umfasst, wobei das
Thermomanagementsystem beispielsweise als Vorrichtung zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Thermomanagementsystem eine geeignete Temperatur für den elektrischen Energiespeicher anhand eines aktuell vorherrschenden Arbeitspunktes oder eines sonstigen Umgebungsparameters ermitteln.
Vorteilhaft ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass
abhängig von der Umgebungstemperatur, der Kühlmitteltemperatur oder der Oberflächentemperatur oder eines Ladezustandes oder anhand von entnommenen oder dem elektrischen Energiespeicher zugeführten Strom- oder Spannungswerten das
Batteriemanagementsystem mithilfe eines Batteriemodells einen aktuell für den Betrieb des elektrischen Energiespeichers geeigneten Temperaturbereich ermittelt.
Vorteilhaft ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass eine Soll-Betriebstemperatur des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden kann und eine Wärmemenge zum Erreichen der Soll-Betriebstemperatur berechnet werden kann
Ferner kann von dem Batteriemanagementsystem bzw. von dem Thermomanagementsystem auch die aktuelle Temperatur oder die zukünftige Temperatur anhand von einem zu erwartenden Lade- und/oder Entladestrom des elektrischen Energiespeichers berechnet werden.
Des Weiteren kann neben der Soll -Betriebstemperatur bzw. der Zielbetriebstemperatur auch eine Prognose berechnet werden, mit welchem Energieaufwand die Batterie in den Soll- Betriebstemperatur bzw. Zieltemperaturbereich gebracht werden kann . Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine energetische
Betrachtung des Thermomanagementsystems eines elektrischen Energiespeichers .
Vorteilhaft ermöglicht die vorliegende Erfindung, die
Batterieleistungsfähigkeit, die Batterielebensdauer und den Betriebsbereich des elektrischen Energiespeichers zu steigern und die Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers zu senken . Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Umgebungstemperatur, eine
Kühlmitteltemperatur der Heizkreislaufeinrichtung, einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers oder ein
Lastprofil des elektrischen Energiespeichers oder eine
Wetterprognoseinformation zu erfassen.
Dies ermöglicht vorteilhaft, die Heizanforderung an weitere Umgebungsparameter vorteilhaft anzupassen.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der
Umgebungstemperatur oder der Kühlmitteltemperatur der
Heizkreislaufeinrichtung oder des Ladezustands des
elektrischen Energiespeichers oder des Lastprofils des elektrischen Energiespeichers oder der
Wetterprognoseinformation die Heizanforderung für den
elektrischen Energiespeicher zu ermitteln und entsprechend der ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung
und/oder die Heizkreislaufeinrichtung anzusteuern.
Dies ermöglicht vorteilhaft eine Klimatisierung des
elektrischen Energiespeichers energetisch zu optimieren. In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Heizkreislaufeinrichtung dazu ausgelegt ist, mit einem
Traktionsmotor oder mit einem Startergenerator oder mit einem Innenraum des Kraftfahrzeuges oder mit einer Elektronik des Kraftfahrzeuges als das Sekundärelement gekoppelt zu werden.
Dies ermöglicht vorteilhaft, für ein Erfüllen der
Heizanforderung bereits vorhandene Abwärme des Kraftfahrzeuges effizient zu nutzen und dadurch primär Energie einzusparen und den Gesamtenergieverbrauch zu minimieren.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Heizelementeinrichtung als ein Heizwiderstand ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher die Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer elektrischen
Energieform zuzuführen.
Dies ermöglicht vorteilhaft, die Heizelementeinrichtung kostengünstig und einfach herzustellen.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine zukünftig zu erwartende Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers zu berechnen.
Die zukünftig zu erwartende Verlustleistung kann dabei in einer Zeitspanne von bis zu 30 s oder von bis zu 60 s oder von bis zu 120 s oder von mehr als 240 s berechnet werden.
Dabei kann als Kriterium, welches die Regelungseinrichtung verwendet, um die Heizelementeinrichtung und/oder die
Heizkreislaufeinrichtung anzusteuern, verwendet werden, ob insgesamt weniger Energie durch ein Heizen der Batterie mit der Heizelementeinrichtung verbraucht wird oder, ob insgesamt weniger Energie durch ein Heizen der Batterie mit der
Heizkreislaufeinrichtung verbraucht wird.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, als ein Kriterium für das Ermitteln der Heizanforderung für den elektrischen
Energiespeicher eine Minimierung des Heizenergieverbrauchs und/oder eine Minimierung des Gesamtenergieverbrauchs zu verwenden .
Mit anderen Worten ausgedrückt, die Regelungseinrichtung kann anhand der erfassten Temperatur des elektrischen
Energiespeichers entscheiden, ob es sich energetisch lohnt die Batterie zu temperieren.
Mit anderen Worten ausgedrückt, basierend auf den von der Regelungseinrichtung verwendeten Kriterien erfolgt ein
Abschätzen, bei welchen Einsatzzeiten oder Betriebszyklen der Heizelementeinrichtung und/oder die Heizkreislaufeinrichtung ein energetisches Minimum liegt, d.h. ein minimaler
Energieverbrauch erzielt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, es erfolgt ein Vergleich oder ein Abwägen mit welcher Heizenergie welcher energetische
Vorteil für das Gesamtsystem des elektrischen Energiespeichers erreicht wird, d.h. die Heizenergie wird so bemessen, dass der energetische Vorteil über der Heizenergie liegt.
Dies ermöglicht vorteilhaft, die Heizanforderung exakt zu bestimmen . In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der zukünftig zu erwartenden Verlustleistung des elektrischen
Energiespeichers die Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher zu ermitteln und entsprechend der ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung und/oder die
Hei zkreislaufeinrichtung anzusteuern .
Dies ermöglicht vorteilhaft, eine optimale Klimatisierung des elektrischen Energiespeichers zu erreichen.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine zukünftig zu erwartende Abwärme des mit der Heizkreislaufeinrichtung gekoppelten Sekundärelementes zu berechnen.
Dies ermöglicht vorteilhaft, die Heizanforderung exakt zu bestimmen .
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der zukünftig zu erwartenden Abwärme des mit der Heizkreislaufeinrichtung gekoppelten Sekundärelementes die Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher zu ermitteln und entsprechend der ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung
und/oder die Heizkreislaufeinrichtung anzusteuern.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und
Implementierungen der vorliegenden Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im
Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermitteln. Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen
Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der
Beschreibung der Erklärung von Konzepten der vorliegenden Erfindung .
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Figuren der Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Figuren der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Klimatisieren eines elektrischen
Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum
Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente,
Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zum Klimatisieren eines elektrischen
Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Vorrichtung 100 zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers 50 für ein Kraftfahrzeug umfasst
beispielsweise eine Heizelementeinrichtung 10, eine
Heizkreislaufeinrichtung 20, eine Sensoreinrichtung 30 und eine Regelungseinrichtung 40.
Die Heizelementeinrichtung 10 ist beispielsweise dazu
ausgelegt, dem elektrischen Energiespeicher 50 Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform zuzuführen.
Beispielsweise ist die Heizelementeinrichtung als ein
Heizwiderstand oder ein Heizdraht ausgebildet und dazu
ausgelegt, dem elektrischen Energiespeicher 50 die Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer elektrischen
Energieform zuzuführen.
Ein Heizwiderstand bezeichnet ein elektrisches Bauelement, das elektrische Energie in thermische Energie bzw. Wärme
umwandelt, und ist eine Sonderform des elektrischen
Widerstands .
Die Heizkreislaufeinrichtung 20 ist beispielsweise als ein Fluidkreislauf oder ein Kühlmittelkreislauf ausgebildet und beispielsweise dazu ausgelegt, dem elektrischen
Energiespeicher 50 die Wärmeenergie durch Nutzung von mit einem Sekundärelement 200 erzeugter Abwärme zuzuführen. Die Heizkreislaufeinrichtung 20 kann dazu ausgebildet sein, eine zu erhitzende auf ein angemessenes Maß zu erwärmen. Die Heizkreislaufeinrichtung 20 kann eine Mehrzahl von
Rohrleitungen, Pumpen und eine Wärmequelle, als
Sekundärelement 200 bezeichnet, aufweisen.
Ein im Heizkreislauf zirkulierendes Kühlmittel oder ein sonstiges Fluid (z. B. Wasser) wird an der Wärmequelle
entlanggeführt, erwärmt sich dabei und gibt die aufgenommene Wärme an der Wärmesenke wieder ab.
Die Sensoreinrichtung 30 ist beispielsweise dazu ausgelegt, eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers 50 zu erfassen . Die Sensoreinrichtung 30 kann als ein Temperatursensor
ausgebildet sein und als ein elektrisches oder elektronisches Bauelement ausgebildet sein, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefern kann. Die Sensoreinrichtung 30 kann dazu ausgebildet sein, Wetterprognoseinformationen per Datenübertragung zu erhalten.
Die Wetterprognoseinformationen können Informationen über zu erwartende Umgebungstemperaturen oder sonstige
Witterungsverhältnisse, wie etwa Schnee auf der Fahrbahn oder Schneefall, mit einem erhöhten Heizbedarf umfassen. Die
Wetterprognoseinformationen können eine zukünftige Zeitspanne von bis zu 1 h oder von bis zu 3 h oder von bis 12 h oder von bis zu 48 h oder von bis zu 72 h abdecken.
Die Regelungseinrichtung 40 ist beispielsweise dazu ausgelegt, anhand der erfassten Temperatur des elektrischen
Energiespeichers 50 eine Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher 50 zu ermitteln und entsprechend der
ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung 10 und/oder die Heizkreislaufeinrichtung 20 anzusteuern.
Unter dem Begriff „Heizanforderung" kann eine Menge an
Wärmeenergie verstanden werden, die von dem den elektrischen Energiespeicher 50 zum Erreichen einer bestimmten optimalen Betriebstemperatur benötigt wird.
Beispielsweise liegt die optimale Betriebstemperatur des elektrischen Energiespeichers 50 in einem Temperaturbereich von 10°C bis zu 60°C oder vorzugsweise von 15°C bis zu 45°C, oder besonders bevorzugt in einem Bereich von 20°C bis zu 35°C. Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines
Flussdiagramms eines Verfahrens zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers 50 für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst beispielsweise vier Verfahrensschritte. In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt Zuführen Sl von Wärmeenergie an den elektrischen Energiespeicher 50 mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform mithilfe von einer Heizelementeinrichtung 10.
Als ein zweiter Schritt des Verfahrens erfolgt beispielsweise ein Zuführen S2 von weiterer Wärmeenergie an den elektrischen Energiespeicher 50 durch Nutzung von mit einem Sekundärelement 200 erzeugter Abwärme mithilfe von einer
Heizkreislaufeinrichtung 20.
Als ein dritter Schritt des Verfahrens erfolgt beispielsweise ein Erfassen S3 einer Temperatur des elektrischen
Energiespeichers mithilfe von einer Sensoreinrichtung 30.
Als ein vierter Schritt des Verfahrens erfolgt beispielsweise ein Ermitteln S4 einer Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher 50 anhand der erfassten Temperatur des elektrischen Energiespeichers 50 und ein Ansteuern der
Heizelementeinrichtung 10 und/oder der
Heizkreislaufeinrichtung 20 entsprechend der ermittelten
Heizanforderung mithilfe von einer Regelungseinrichtung 40. Die Verfahrensschritte können dabei in beliebiger Reihenfolge iterativ oder rekursiv wiederholt werden.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zum Klimatisieren eines elektrischen
Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Vorrichtung 100 ist beispielsweise mit einem elektrischen Energiespeicher 50 und einem Sekundärelement 200 gekoppelt. Das Sekundärelement 200 kann als ein Elektromotor oder als ein Traktionsmotor bzw. Fahrmotor oder als ein Startergenerator oder als ein Innenraum bzw. Passagierbereich des
Kraftfahrzeuges oder als eine Elektronikschaltung oder als eine sonstige Wärme- bzw. Abwärmequelle des Kraftfahrzeuges ausgebildet sein.
Als Fahrmotoren, auch Traktionsmotoren, werden die Motoren bezeichnet, mit denen ein Radsatz bzw. die Räder eines Trieb¬ oder Kraftfahrzeugs unmittelbar angetrieben werden.
Der elektrische Energiespeicher 50 kann als ein Lithium-Ionen- Akkumulator, auch Lithium-Ionen-Akku, Li-Ion-Akku, Li-Ionen- Sekundärbatterie, Lithium-Akkumulator oder kurz Li-Ion, d.h. als ein Akkumulator auf der Basis von Lithium ausgebildet sein .
Der elektrische Energiespeicher 50 kann als ein elektrischer Energiespeicher in Form eines Lithium-Eisenphosphat- Akkumulators oder eines Lithium-Titanat-Akkumulators oder eines Lithium-Polymer-Akkumulators oder eines Lithium- Cobaltdioxid-Akkumulators oder in Form eines sonstigen
Lithium-Ionen-Akkumulators ausgebildet sein.
Die weiteren Bezugszeichen der Figur 3 sind bereits in der Figurenbeschreibung der Figur 1 erläutert worden und werden daher nicht weiter beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die vorliegende Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend" und
„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen
Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Klimatisieren eines elektrischen Energiespeichers (50) für ein Kraftfahrzeug, wobei die
Vorrichtung (100) umfasst:
- eine Heizelementeinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher (50) Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform
zuzuführen ;
- eine Heizkreislaufeinrichtung (20), welche dazu
ausgelegt ist, dem elektrischen Energiespeicher (50) weitere Wärmeenergie durch Nutzung von mit einem
Sekundärelement (200) erzeugter Abwärme zuzuführen;
- eine Sensoreinrichtung (30), welche dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers (50) zu erfassen; und
- eine Regelungseinrichtung (40), welche dazu ausgelegt ist, anhand der erfassten Temperatur des elektrischen Energiespeichers (50) eine Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher (50) zu ermitteln und entsprechend der ermittelten Heizanforderung die
Heizelementeinrichtung (10) und/oder die
Heizkreislaufeinrichtung (20) anzusteuern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Sensoreinrichtung (30) ferner dazu ausgelegt ist, eine Umgebungstemperatur, eine Kühlmitteltemperatur der
Heizkreislaufeinrichtung (20), einen Ladezustand des
elektrischen Energiespeichers (50) oder ein Lastprofil des elektrischen Energiespeichers (50) oder eine
Wetterprognoseinformation zu erfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
wobei die Regelungseinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, anhand der Umgebungstemperatur oder der Kühlmitteltemperatur der Heizkreislaufeinrichtung (20) oder des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers (50) oder des Lastprofils des elektrischen Energiespeichers (50) oder der
Wetterprognoseinformation die Heizanforderung für den
elektrischen Energiespeicher (50) zu ermitteln und
entsprechend der ermittelten Heizanforderung die
Heizelementeinrichtung (10) und/oder die
Heizkreislaufeinrichtung (20) anzusteuern.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Heizkreislaufeinrichtung (20) dazu ausgelegt ist, mit einem Traktionsmotor oder mit einem Startergenerator oder mit einem Innenraum des Kraftfahrzeuges oder mit einer
Elektronik des Kraftfahrzeuges als Sekundärelement gekoppelt zu werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Heizelementeinrichtung (10) als ein Heizwiderstand ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, dem elektrischen
Energiespeicher (50) die Wärmeenergie mittels Umwandlung aus einer elektrischen Energieform zuzuführen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Regelungseinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, eine zukünftig zu erwartende Verlustleistung des elektrischen
Energiespeichers (50) zu berechnen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
wobei die Regelungseinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, anhand der zukünftig zu erwartenden Verlustleistung des elektrischen Energiespeichers (50) die Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher (50) zu ermitteln und entsprechend der
ermittelten Heizanforderung die Heizelementeinrichtung (10) und/oder die Heizkreislaufeinrichtung (20) anzusteuern.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Regelungseinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, eine zukünftig zu erwartenden Abwärme des mit der
Heizkreislaufeinrichtung (20) gekoppelten Sekundärelements (200) zu berechnen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
wobei die Regelungseinrichtung (40) dazu ausgelegt ist, anhand der zukünftig zu erwartenden Abwärme des mit der
Heizkreislaufeinrichtung (20) gekoppelten Sekundärelements (200) die Heizanforderung für den elektrischen Energiespeicher (50) zu ermitteln und entsprechend der ermittelten
Heizanforderung die Heizelementeinrichtung (10) und/oder die Heizkreislaufeinrichtung (20) anzusteuern.
10. Verfahren zum Klimatisieren eines elektrischen
Energiespeichers (50) für ein Kraftfahrzeug, wobei das
Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Zuführen (Sl) von Wärmeenergie an den elektrischen Energiespeicher (50) mittels Umwandlung aus einer anderen Energieform mit Hilfe von einer Heizelementeinrichtung (10) ;
- Zuführen (S2) von weiterer Wärmeenergie an den
elektrischen Energiespeicher (50) durch Nutzung von mit einem Sekundärelement (200) erzeugter Abwärme mit Hilfe von einer Heizkreislaufeinrichtung (20);
- Erfassen (S3) einer Temperatur des elektrischen
Energiespeichers (50) mit Hilfe von einer
Sensoreinrichtung (30); und
- Ermitteln (S4) einer Heizanforderung für den
elektrischen Energiespeicher (50) anhand der erfassten Temperatur des elektrischen Energiespeichers (50) und Ansteuern der Heizelementeinrichtung (10) und/oder der Heizkreislaufeinrichtung (20) entsprechend der ermittelten Heizanforderung mit Hilfe von einer Regelungseinrichtung (40) .
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