WO2012016885A1 - Batterie-kühlsystem - Google Patents

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Dirk Neumeister
Achim Wiebelt
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Behr Gmbh & Co. Kg
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cooling system according to claim 1.
  • Battery cooling systems are known in various embodiments from the prior art.
  • a secondary circuit for cooling a battery for a hybrid or electric vehicle consists essentially of cooling components within the battery module (eg cooling plates), a pump for conveying the cooling water and a chiller, in which cold transfer from a refrigeration cycle into the secondary circuit becomes.
  • a specific volume flow at a certain temperature must be provided at the battery inlet by this battery cooling system.
  • the chiller this means that under different boundary conditions it has to transfer the same services or, under the same conditions, different services.
  • the boundary conditions result from the conditions that exist in the refrigeration cycle and in the secondary circuit.
  • these two circuits are sometimes exposed to different influences - the refrigeration cycle especially the environmental conditions and the secondary circuit the driving profile - arise undefined relationships between the boundary conditions and the required transmission powers.
  • connection component chilier The coordination of the secondary circuit with the refrigeration circuit via the connection component chilier is therefore very complex.
  • US 02009 024 9807 A1 discloses a HVAC and battery temperature system for a vehicle having a passenger compartment and a battery pack, the system including: a refrigerant circuit comprising a compressor, a condenser, a first leg and a second leg.
  • the first leg includes an evaporator expander and an evaporator configured to provide cooling to the passenger compartment
  • the second leg includes a battery expander and a refrigeration unit.
  • a coolant loop configured to direct a coolant through the battery pack and including a controllable coolant valve, a bypass branch, and a chiller branch, wherein the chiller is disposed in the chiller branch, and the coolant valve is a bypass outlet that houses the coolant into the bypass branch, and having adeaggregatauslass, which passes the coolant into thedeaggregatzweig and through the cooling unit.
  • a disadvantage of the known from the prior art battery cooling systems is that for the regulation of the battery cooling a high sensory and actuatoric effort is operated, resulting in the use of expensive components at the same time increased space requirements. It is therefore an object of the invention to provide an improved battery cooling system available, which allows a favorable control of battery cooling with secondary circuit and at the same time is simple and compact.
  • the battery cooling system in particular for a hybrid or electric vehicle, is provided with a chill for heat transfer between a refrigerant circuit and a coolant circuit and with a bypass assigned to the chillier, such that at a given volume flow through the controlled or controlled division of the chiller or on the bypass, the respective desired cooling capacity in the chiller is transferable. So it is only so much flow passed through the chiller that the desired cooling capacity is transmitted in the chiller. Since no state variable of the refrigerant circuit is necessary for the control, no sensory and / or actuatory additional effort must be operated in the refrigerant circuit.
  • the proposed battery cooling system thus comes with few, standardized components.
  • the battery may be a rechargeable battery in the classic sense or a fuel cell. Batteries are particularly necessary for electric vehicles or hybrid vehicles.
  • a hybrid vehicle requires in addition to a main drive unit (internal combustion engine or fuel cell) a powerful battery that generates a very high heat load, which is dissipated. This heat load can be up to 2 kW at high drive power (for example Bergpfad).
  • the battery feeds an electric motor that drives the vehicle. In this respect, this battery is a driving battery. If it is a pure electric vehicle, so come on The above-mentioned problems also, but with no internal combustion engine is present, the drive thus takes place only by means of electrical energy.
  • the main drive is designed as an electric motor and supplied by the fuel cell. By means of a battery, the already mentioned electric motor can be operated additionally or alone in order to support the fuel cell drive or to use the battery for the drive instead of the fuel cell.
  • current load data in particular charge current or discharge current or heating, of the battery can be used as the control variable.
  • thermostatic valve is a mechanical temperature controller that provides lower or higher flow through a valve depending on the ambient temperature to maintain a constant temperature.
  • a map thermostat may be provided as a control component.
  • a map-controlled thermostat in contrast to a normal expansion thermostat, has a control behavior adapted to the operating conditions.
  • control component may be provided in the bypass. Further, the control component may be provided in the chill-return.
  • a brine preferably a water-glysantin mixture
  • the control component can be provided directly in the return flow distributor between the chillier on the one hand and the bypass on the other hand.
  • An advantage of the invention lies in the fact that due to the design of the battery cooling system, a favorable standardized thermal expansion valve (TXV) can be used instead of an expensive electronic expansion valve (EXV).
  • the cooling circuit has at least one circulating pump. It serves to promote the coolant permanently or at preferably temperature-dependent intervals. Since in principle no power control via the volume flow is necessary, an uncontrolled pump with a constant flow rate can be used instead of a controllable pump.
  • Fig. 1 is a schematic diagram showing an exemplary embodiment of a battery cooling system according to the invention.
  • An exemplary embodiment of a battery cooling system 1 is shown in FIG.
  • the battery cooling system 1 comprises a thermal expansion valve (TXV) 2, a chiller 3, a bypass 4, a refrigerant circuit 5, a coolant circuit 6, a pump 7 and a battery 8 with internal cooling components such as cooling plates.
  • TXV thermal expansion valve
  • chiller 3 a chiller 3
  • bypass 4 a refrigerant circuit 5
  • coolant circuit 6 a pump 7
  • battery 8 with internal cooling components such as cooling plates.
  • the battery 8 or the battery cooling system 1 may for example be part of a hybrid or electric vehicle.
  • a coolant is used for cooling the battery cells provided inside the battery 8 and conveyed by the pump within the battery cooling system 1.
  • the chiller 3 provided in the battery cooling system 1 is divided into a coolant side 9 and a refrigerant side 10.
  • the boxes A-E show potential installation positions of a control component to be installed.
  • the control component for example a thermostat
  • the control component can be installed under position A in the bypass, under position B in the chiller return, under position C in the chiller flow, under D in the distributor return and under position E in the distributor flow.
  • the bypass 4 runs substantially parallel to the chilli 3.
  • the transmission capacity of the chilli 3 is adjusted by a controlled or controlled distribution of the volume flow to the chiller 3 and the bypass 4 only as much volume flow through the chiller 3 is passed in that the desired cooling capacity is transmitted in the chillier 3.

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Abstract

Batterie-Kühlsystem (1), insbesondere für ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug, mit einem Chiller (3) zum Wärmeübergang zwischen einem Kältemittel- Kreislauf (5) und einem Kühlmittel-Kreislauf (6) und mit einem dem Chiller (4) zugeordneten Bypass (4), derart dass bei vorgegebenem Volumenstrom durch dessen geregelte bzw. gesteuerte Aufteilung auf den Chiller (3) bzw. auf den Bypass (4) die jeweils gewünschte Kühlleistung in dem Chiller (3) übertragbar ist.

Description

Batterie-Kühlsystem
Die Erfindung betrifft ein Batterie-Kühlsystem gemäß Anspruch 1. Batterie-Kühlsysteme sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise besteht ein Sekundärkreislauf zur Kühlung einer Batterie für ein Hybrid- oder E-Fahrzeug im Wesentlichen aus Kühlkomponenten inner- halb des Batteriemoduls (z.B. Kühlplatten), einer Pumpe zur Förderung des Kühlwassers sowie einem Chiller, in dem Kälte aus einem Kältekreislauf in den Sekundärkreislauf übertragen wird. Am Batterieeintritt ist durch dieses Batteriekühlungssystem je nach Betriebszustand und Betriebsstrategie ein bestimmter Volumenstrom bei einer bestimmten Temperatur bereitzustellen. Für den Chiller bedeutet dies, dass er unter unterschiedlichen Randbedingungen gleiche Leistungen bzw. unter gleichen Randbedingungen unterschiedliche Leistungen übertragen muss. Die Randbedingungen ergeben sich dabei aus den Zuständen, die im Kältekreislauf und im Sekundärkreislauf vorliegen. Da diese beiden Kreisläufe jedoch zum Teil unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt sind - der Kältekreislauf vor allem den Umgebungsbedingungen und der Sekundärkreislauf dem Fahrprofil - ergeben sich undefinierte Zusammenhänge zwischen den Randbedingungen und den geforderten Übertragungsleistungen.
Die Abstimmung des Sekundärkreislaufes mit dem Kältekreislauf über die Verbindungskomponente Chilier ist also sehr komplex. Entsprechend aufwendig, komplex und vor allem teuer gestaltet sich auch die Regelung der Batteriekühlung, die sicherstellen muss, dass sich die Batterie unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen in einem thermisch unkritischen Zustand befindet.
Beispielsweise offenbart die US 02009 024 9807 A1 ein HVAC- und Batterietemperatursystem für ein Fahrzeug mit einer Fahrgastzelle und einem Batteriestapel, wobei das System u.a. einen Kältemittelkreislauf umfasst, der einen Kompressor, einen Kondensator, einen ersten Schenkel und einen zwei- ten Schenkel umfasst. Der erste Schenkel umfasst eine Verdampferexpansionseinrichtung und einen Verdampfer, der ausgestaltet ist, um eine Kühlung für die Fahrgastzelle bereitzustellen, und der zweite Schenkel eine Batterieexpansionseinrichtung und ein Kühlaggregat umfasst. Ferner ist ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen, der so ausgestaltet ist, dass er ein Kühlmittel durch den Batteriestapel leitet, und der ein steuerbares Kühlmittelleitventil, einen Umgehungszweig und einen Kühlaggregatzweig umfasst, wobei das Kühlaggregat in dem Kühlaggregatzweig angeordnet ist und das Kühlmittelleitventil einen Umgehungsauslass, der das Kühlmittel in den Umgehungszweig leitet, und einen Kühlaggregatauslass aufweist, der das Kühlmittel in den Kühlaggregatzweig und durch das Kühlaggregat hindurchleitet.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Batterie- Kühlsystemen ist jedoch, dass für die Regelung der Batteriekühlung ein hoher sensorischer und aktuatorischer Aufwand betrieben wird, woraus die Verwendung von teuren Komponenten bei gleichzeitig erhöhtem Bauraumbedarf resultiert. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Batterie-Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, welches eine günstige Regelung der Batteriekühlung mit Sekundärkreislauf ermöglicht und gleichzeitig einfach und kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batterie-Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Batterie- Kühlsystem, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug, mit einem Chilier zum Wärmeübergang zwischen einem Kältemittel-Kreislauf und einem Kühlmittel-Kreislauf und mit einem dem Chilier zugeordneten Bypass versehen ist, derart dass bei vorgegebenem Volumenstrom durch dessen geregelte bzw. gesteuerte Aufteilung auf den Chiller bzw. auf den Bypass die jeweils gewünschte Kühlleistung in dem Chiller übertragbar ist. Es wird also nur soviel Volumenstrom durch den Chiller geleitet, dass die gewünschte Kühlleistung im Chiller übertragen wird. Da keine Zustandsgröße des Kältemittel-Kreislaufes für die Regelung notwendig ist, muss im Kältemittel- Kreislauf kein sensorischer und/oder aktuatorischer Zusatzaufwand betrieben werden. Das vorgeschlagene Batterie-Kühlsystem kommt somit mit wenigen, standardisierten Komponenten aus.
Bei der Batterie kann es sich um eine Batterie (wiederaufladbar) im klassi- sehen Sinne oder eine Brennstoffzelle handeln. Batterien sind insbesondere bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen notwendig. Ein Hybridfahrzeug benötigt neben einer Hauptantriebseinheit (Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle) eine leistungsfähige Batterie, die eine sehr hohe Wärmelast erzeugt, die abzuführen ist. Diese Wärmelast kann bei hoher Antriebsleistung (zum Beispiel Bergpfad) bis zu 2 kW betragen. Die Batterie speist einen Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Insofern stellt diese Batterie eine Fahrbatterie dar. Handelt es sich um ein reines Elektrofahrzeug, so treten die vorstehend genannten Probleme ebenfalls auf, wobei jedoch kein Verbrennungsmotor vorhanden ist, der Antrieb somit nur mittels elektrischer Energie erfolgt. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen wird der Hauptantrieb als Elektromotor ausgebildet und von der Brennstoffzelle versorgt. Mittels einer Batterie kann der bereits erwähnte Elektromotor zusätzlich oder allein betrieben werden, um den Brennstoffzellenantrieb zu unterstützen oder anstelle der Brennstoffzelle die Batterie für den Antrieb zu verwenden.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Regelgröße für die Aufteilung des Volumenstroms dessen Rücklauf-Temperatur oder Vorlauf-Temperatur dienen kann. Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Regelgröße aktuelle Belastungsdaten, insbesondere Ladestrom bzw. Entladestrom bzw. Erwärmung, der Batterie verwendet werden können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann als Regelkomponente ein Thermostatventil vorgesehen sein. Ein Thermostatventil ist ein mechanischer Temperaturregler, der abhängig von der Umgebungstemperatur über ein Ventil einen niedrigeren oder höheren Durchfluss gewährt, um eine Temperatur konstant zu halten.
Ferner kann als Regelkomponente ein Kennfeld-Thermostat vorgesehen sein. Ein kennfeldgesteuertes Thermostat weist im Gegensatz zu einem normalen Dehnstoff-Thermostat ein an die Betriebsbedingungen angepass- tes Regelverhalten auf.
Beispielsweise kann die Regelkomponente in dem Bypass vorgesehen sein. Ferner kann die Regelkomponente in dem Chilier-Rücklauf bzw. Vorlauf vorgesehen sein. Als flüssiges Kühlmittel kann insbesondere eine Sole (bevorzugt ein Wasser- Glysantin-Gemisch) zum Einsatz kommen. Es eignen sich auch andere Kühlflüssigkeiten, die in der Lage sind, die Wärmelast der Batterie abzuführen. Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Regelkomponente direkt in dem Rücklauf- bzw. Vorlauf-Verteiler zwischen dem Chilier einerseits und dem Bypass andererseits vorgesehen sein kann.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass aufgrund der konstrukti- ven Ausgestaltung des Batterie-Kühlsystems ein günstiges standardisiertes thermisches Expansionsventil (TXV) anstelle eines teuren elektronischen Expansionsventils (EXV) verwendet werden kann. Der Kühlkreis weist mindestens eine Umwälzpumpe auf. Sie dient dazu, das Kühlmittel permanent oder in vorzugsweise temperaturabhängigen Intervallen zu fördern. Da prin- zipiell auch keine Leistungsregelung über den Volumenstrom notwendig ist, kann anstelle einer regelbaren Pumpe eine ungeregelte Pumpe mit konstanter Fördermenge verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm, welches eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterie-Kühlsystems zeigt. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Batterie-Kühlsystems 1 ist in Fig. 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Batterie-Kühlsystem 1 ein thermisches Expansionsventil (TXV) 2, einen Chiller 3, einen Bypass 4, einen Kältemittel-Kreislauf 5, einen Kühlmittel-Kreislauf 6, eine Pumpe 7 sowie eine Batterie 8 mit internen Kühlkomponenten z.B. Kühlplatten.
Die Batterie 8 bzw. das Batterie-Kühlsystem 1 kann beispielsweise ein Teil eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs sein. Ein Kühlmittel wird zum Kühlen der innerhalb der Batterie 8 vorgesehenen Batteriezellen verwendet und mittels der Pumpe innerhalb des Batterie-Kühlsystems 1 befördert.
Der im Batterie-Kühlsystem 1 vorgesehene Chiller 3 unterteilt sich in eine Kühlmittelseite 9 und eine Kältemittelseite 10. Die Kästchen A-E zeigen potentielle Einbaupositionen einer einzubauenden Regelkomponente. So kann die Regelkomponente (beispielsweise ein Thermostat) unter Position A im Bypass, unter Position B im Chiller Rücklauf, unter Position C im Chiller Vorlauf, unter D im Verteiler-Rücklauf und unter Position E im Verteiler-Vorlauf eingebaut werden.
Der Bypass 4 verläuft im Wesentlichen parallel zum Chilier 3. Erfindungsgemäß wird bei vorgegebenem Volumenstrom die Übertragungsleistung des Chiliers 3 dadurch eingestellt, dass durch eine geregelte oder gesteuerte Aufteilung des Volumenstroms auf den Chiller 3 und den Bypass 4 nur soviel Volumenstrom durch den Chiller 3 geleitet wird, dass die gewünschte Kühlleistung im Chilier 3 übertragen wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Batterie-Kühlsystem (1), insbesondere für ein Hybrid- oder Elektro- Fahrzeug, mit einem Chilier (3) zum Wärmeübergang zwischen einem Kältemittel-Kreislauf (5) und einem Kühlmittel-Kreislauf (6) und mit einem dem Chiller (4) zugeordneten Bypass (4), derart dass bei vorgegebenem Volumenstrom durch dessen geregelte bzw. gesteuerte Aufteilung auf den Chilier (3) bzw. auf den Bypass (4) die jeweils gewünschte Kühlleistung in dem Chilier (3) übertragbar ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße für die Aufteilung des Volumenstroms dessen Rücklauf- Temperatur vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße für die Aufteilung des Volumenstroms dessen Vorlauf- Temperatur vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße aktuelle Belastungsdaten, insbesondere Ladestrom bzw. Entladestrom bzw. Erwärmung, der Batterie (8) vorgesehen sind.
Batterie-Kühlsystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelkomponente ein Thermostatventil vorgesehen ist.
6. Batterie-Kühlsystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelkomponente ein Kennfeld- Thermostat vorgesehen ist. Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkomponente in dem Bypass (4) vorgesehen ist.
Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkomponente in dem Chilier-Rücklauf bzw. Vorlauf vorgesehen ist.
9. Batterie-Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkomponente direkt in dem Rücklauf- bzw. Vorlauf- Verteiler zwischen dem Chilier (3) einerseits und dem Bypass (4) andererseits vorgesehen ist.
10. Batterie-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung des Volumenstroms eine ungeregelte Pumpe (7), vorzugsweise mit konstanter Fördermenge vorgesehen ist.
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