WO2014023596A1 - Verfahren zur kühlung einer batterie, insbesondere einer hochleistungsbatterie, in kraftfahrzeugen - Google Patents

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temperature
cooling
evaporator
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Nicolas Flahaut
Alexander Meijering
Robert Lustig
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a battery, in particular a high-performance battery, in motor vehicles.
  • a battery in particular a high-performance energy storage
  • PHEV plug-in hybrid vehicles
  • BEV electric vehicles
  • Patent claim 1 solved.
  • the dependent claims are advantageous developments of the invention.
  • the battery is connected to its cooling with an evaporator, which is integrated into a cooling circuit with a refrigerant compressor. Furthermore, by means of an electronic control unit, the speed of the compressor is controlled independently of the refrigerant temperature depending on the battery temperature according to an empirically determined, stored characteristic such that the temperature inertia between the cell nucleus of the battery and the
  • Evaporator is taken into account.
  • the invention is based on the following considerations, findings and ideas:
  • the refrigerant temperature sensor can be dispensed with.
  • the battery temperature i. the
  • Temperature of the active cells of the high-voltage accumulator is monitored anyway and kept in a range between 20 ° C and 40 ° C.
  • the cooling is always switched on when a defined upper battery temperature threshold is exceeded and switched off when falling below a defined lower battery temperature threshold. Accordingly, the load for the evaporator of the high-voltage storage is well predictable and uniformly reproducible.
  • Today's control of the electric refrigerant compressor is at a given target cooling capacity a corresponding speed of the
  • Temperature sensor must meet demanding requirements for accuracy and tightness.
  • High-voltage storage (HVS) evaporator due to the intelligent thermal management, by which the temperature of the storage in one
  • the cooling capacity at the HVS evaporator depends on the speed of the electric refrigerant compressor, the outside temperature and the
  • FIG. 1 consisting of FIG. 1a and FIG. 1b are schematic representations of a complete vehicle with two possible total cooling circuits for cooling an electric battery in the form of a high-voltage memory
  • Fig. 2 is a schematic representation of inventive
  • Fig. 3 shows a characteristic according to the invention for reproducing the
  • Fig. 1a shows a motor vehicle 1 with an overall refrigeration circuit 2, through which a refrigerant flow through a condenser 3, via an evaporator 4 within the air conditioning for indoor temperature control with a
  • a battery 5 preferably a high-performance battery (high-voltage accumulator (HVS)) for electric or hybrid drives, with a compressor 8 can be generated.
  • the battery (HVS) 5 contains for its cooling the evaporator 6, wherein the refrigerant flow through the evaporator 6 is also switched on and off by means of an electronically controllable shut-off valve 7.
  • Fig. 1b differs from Fig. 1a only in that the compressor 8 is housed in a different location.
  • the cooling capacity Q is determined by the speed n of the compressor 8 in
  • Refrigeration circuit 2 regulated.
  • Refrigeration circuit 2 alone for cooling the battery (HVS) 5 are controlled.
  • an electronic control unit 9 is provided which, when the shut-off valve 7 is open according to a characteristic K2 according to the invention in FIG.
  • the battery temperature TB is preferably measured and determined distributed by a plurality of sensors in the cell nucleus of the battery 5.
  • T K f (n, T A , T B ) Q - R 2 with
  • the thermal inertia of the battery 5 is compensated by a steeper gradient and / or by a higher maximum speed during the speed control.
  • the empirical determination of the characteristic curve K2 can be carried out, for example, by actual measurements on a test carrier or by simulation software on the basis of the abovementioned mathematical formula and physical relationships for a given setpoint cooling capacity Q.

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer Batterie, insbesondere einer Hochleistungsbatterie, für Kraftfahrzeuge wird die Batterie zu ihrer Kühlung mit einem Verdampfer verbunden, der in einen Kältekreislauf mit einem Kältemittel-Verdichter eingebunden wird. Weiterhin wird mittels einer elektronischen Steuereinheit die Drehzahl des Verdichters unabhängig von der Kältemittel-Temperatur abhängig von der Batterie-Temperatur gemäß einer empirisch ermittelten, abgespeicherten Kennlinie derart gesteuert, dass die thermische Trägheit der Batteriezellen und des Verdampfers berücksichtigt wird.

Description

Verfahren zur Kühlung einer Batterie, insbesondere einer
Hochleistungsbatterie, in Kraftfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung einer Batterie, insbesondere einer Hochleistungsbatterie, in Kraftfahrzeugen.
Eine Batterie, insbesondere ein Hochleistungs-Energiespeicher
(Hochvoltspeicher) in Hybrid-Fahrzeugen oder Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV) oder elektrischen Fahrzeugen (BEV), erzeugt durch das Laden und Entladen eine erhebliche Abwärme. Aufgrund von Lebensdauerüberlegungen soll die Zellkerntemperatur (=Batterie- bzw. Hochvoltspeicher- Temperatur) eine festgelegte Grenztemperatur (typischerweise etwa 30-40°C) während des Betriebs nicht überschreiten. Somit ist es zwingend erforderlich, die Zellen eines Hochvoltspeichers aktiv zu kühlen.
Wenn die Kühlung des Hochvoltspeichers direkt mit Kältemittel in einem integrierten Hochvoltspeicher-Verdampfer realisiert wird, wird die Drehzahl des elektrischen Kältemittel-Verdichters nach dem Stand der Technik anhand eines Temperatur-Sensors im Verdampfer gesteuert. Dieser Kältemittel- Temperatur-Sensor verursacht hohe Kosten und einen erheblichen
Entwicklungs-Aufwand. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Kosten des Hochvoltspeichers zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des
Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer Kraftfahrzeug- Batterie, insbesondere einer Hochleistungsbatterie, wird die Batterie zu ihrer Kühlung mit einem Verdampfer verbunden, der in einen Kühlkreislauf mit einem Kältemittel-Verdichter eingebunden wird. Weiterhin wird mittels einer elektronischen Steuereinheit die Drehzahl des Verdichters unabhängig von der Kältemittel-Temperatur abhängig von der Batterie-Temperatur gemäß einer empirisch ermittelten, abgespeicherten Kennlinie derart gesteuert, dass die Temperaturträgheit zwischen dem Zellkern der Batterie und dem
Verdampfer berücksichtigt wird.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen, Erkenntnisse und Ideen zugrunde:
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen, durch das der Kältemittel- Temperatur-Sensor entfallen kann. Die Batterie-Temperatur, d.h. die
Temperatur der aktiven Zellen des Hochvoltspeichers, wird ohnehin überwacht und in einem Bereich zwischen 20°C und 40°C gehalten. Die Kühlung wird immer bei Überschreiten einer definierten oberen Batterie- Temperatur-Schwelle eingeschaltet und bei Unterschreiten einer definierten unteren Batterie-Temperatur-Schwelle ausgeschaltet. Dementsprechend ist die Last für den Verdampfer des Hochvoltspeichers gut vorhersehbar und gleichmäßig reproduzierbar. Die heutige Steuerung des elektrischen Kältemittel-Verdichter stellt bei vorgegebener Soll-Kälteleistung eine entsprechende Drehzahl des
Verdichters abhängig von der mittels des oben genannten Sensors erfassten Kältemittel-Temperatur im Hochvoltspeicher-Verdampfer ein. Dieser
Temperatur-Sensor muss anspruchsvolle Anforderung an die Genauigkeit und die Dichtigkeit erfüllen.
Sensoren zur Messung der Batterie-Temperatur im Hoch-Volt-Speicher sind ohnehin bereits vorhanden. Erfindungsgemäß sollen diese nun allein zur thermischen Absicherung des Hochvoltspeichers und zugleich zur Steuerung des Verdichters dienen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der elektrische Kältemittel-Verdichter ohne den Verdampfer-Temperatur-Sensor durch ersatzweise
Berücksichtigung der gemessenen Außentemperatur und der gemessenen Batterie-Temperatur gesteuert werden kann, da die Last am
Hochvoltspeicher (HVS)-Verdampfer aufgrund des intelligenten thermischen Managements, durch das die Temperatur des Speichers in einem
festgelegten Bereich gehalten wird, sehr gleichmäßig reproduzierbar ist. Die Kälteleistung am HVS-Verdampfer ist abhängig von der Drehzahl des elektrischen Kältemittel-Verdichters, der Außentemperatur und der
Temperatur im HVS.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 bestehend aus Fig. 1a und Fig. 1b schematische Darstellungen eines Gesamtfahrzeuges mit zwei möglichen Gesamt-Kühlkreisläufen zur Kühlung einer elektrischen Batterie in Form eines Hochvoltspeichers, Fig. 2 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen
Simulationsergebnissen zu Temperatur- und Drehzahlverläufen und
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Kennlinie zur Wiedergabe des
Abhängigkeitsverhältnisses der Drehzahl des Verdichters von der Batterie (HVS)-Temperatur im Vergleich zum Abhängigkeitsverhältnis der Drehzahl des Verdichters von der Kältemittel-Temperatur nach dem Stand der Technik.
Fig. 1a zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Gesamt-Kältekreislauf 2, durch den ein Kältemittel-Fluss über einen Kondensator 3, über einen Verdampfer 4 innerhalb der Klimaanlage zur Innenraumtemperierung mit einem
elektronisch steuerbaren Absperrventil und über einen Verdampfer 6 einer Batterie 5, vorzugsweise einer Hochleistungsbatterie (Hochvoltspeicher (HVS)) für Elektro- oder Hybridantriebe, mit einem Verdichter 8 erzeugt werden kann. Die Batterie (HVS) 5 enthält zu ihrer Kühlung den Verdampfer 6, wobei der Kältemittel-Fluss durch den Verdampfer 6 ebenfalls mittels eines elektronisch steuerbaren Absperrventils 7 ein- und ausschaltbar ist. Fig. 1b unterscheidet sich von Fig. 1a lediglich darin, dass der Verdichter 8 an einem anderen Ort untergebracht ist.
Die Kälteleistung Q wird durch die Drehzahl n des Verdichters 8 im
Kältekreislauf 2 geregelt.
Ist der Verdampfer 4 innerhalb der Klimaanlage zur Innenraumtemperierung ausgeschaltet und dessen Absperrventil geschlossen, muss der
Kältekreislauf 2 allein zur Kühlung der Batterie (HVS) 5 gesteuert werden. Hierzu ist eine elektronische Steuereinheit 9 vorgesehen, die bei geöffnetem Absperrventil 7 gemäß einer erfindungsgemäßen Kennlinie K2 in
Abhängigkeit von der Batterie (HVS)-Temperatur TB und vorzugsweise auch von der Außentemperatur TA eine vorgegebene Drehzahl n des Verdichters 8 vorgibt: n=f(TB) bzw. n=f(TA,TB) Die Batterie-Temperatur TB wird vorzugsweise durch mehrere Sensoren verteilt im Zellkern der Batterie 5 gemessen und ermittelt.
Diese erfindungsgemäße Steuerung wird anhand der Figuren 2 und 3 und anhand der unten folgenden Kälteleistungsformel und der physikalischen Zusammenhänge im Hinblick auf die thermische Trägheit insbesondere der Batterie 5 näher erläutert. Dabei sind in den Figuren 2 und 3 alle Verläufe nach dem Stand der Technik gestrichelt im Unterschied zu den
erfindungsgemäßen Verläufen (=mit durchgezogenen Linien) dargestellt.
Die oben allgemein beschriebenen Überlegungen zur Auslegung der erfindungsgemäßen Kennlinie K2 führten zu folgenden - hier formelmäßig dargestellten - Erkenntnissen:
Figure imgf000007_0001
TK = f(n, TA, TB) Q - R 2 mit
Q Soll-Kälteleistung des Verdampfers [W]
•
Q Verlust-Kälteleistung in der Batterie bzw. im Hochvoltspeicher [W] n Drehzahl der elektrischen Kältemittelpumpe [Hz]
TB Batterie- bzw. Hochvoltspeicher-Temperatur [K]
TK Kältemittel- bzw. Verdampfer-Temperatur [K]
TA Außentemperatur [K]
C Wärmekapazität der Batterie bzw. des Hochvoltspeichers [w-s/^l
R thermischer Widerstand zwischen Batterie und Verdampfer iK^ R; elektrischer Widerstand der Batterie bzw. des Hochvoltspeichers [Ω] / gemessener Strom aus der Batterie bzw. dem Hochvoltspeicher [A]
Aus diesen Erkenntnissen wurde ausgehend von der aus dem Stand der Technik bekannten Kennlinie K1 , n=f(TK), für die frühere Steuerung der Drehzahl n in Abhängigkeit von der Kältemittel-Temperatur TK, die noch mit zusätzlichem Kältemittel-Temperatur-Sensor erfasst wurde, die
erfindungsgemäße Kennlinie K2 hergeleitet. Dabei wurde erkannt, dass bei Verwendung derselben Kühlungseinschaltbedingung TB>TB_ein und
Kühlungsausschaltbedingung TB<TB_aus wie beim Stand der Technik die Regelung der Drehzahl n abhängig von der gemessenen Batterie (HVS)- Temperatur Tß statt abhängig von der gemessenen Kältemittel-Temperatur TK vorgenommen werden kann. Dabei wird entsprechend der zuvor (nach dem Stand der Technik) ermittelten Kennlinie K1 bei Kühlungsbeginn, TB>TB_ein, als Anfangsdrehzahl n ein dieselbe Drehzahl n verwendet. Ebenso wird bei Kühlungsende, TB<TB_aus, vorzugsweise als Zieldrehzahl naus dieselbe Drehzahl n verwendet.
Bei dieser Vorgehensweise wird durch einen steileren Gradienten und/oder durch eine höhere Maximaldrehzahl während der Drehzahl-Regelung die thermische Trägheit der Batterie 5 kompensiert. Die empirische Ermittlung der Kennlinie K2 kann beispielsweise durch tatsächliche Messungen an einem Versuchsträger oder durch Simulations-Software auf Basis der oben aufgeführten mathematischen Formel und physikalischen Zusammenhänge bei vorgegebener Soll-Kälteleistung Q durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wurde gemäß Simulation erkannt, dass es möglich ist, das gleiche Verhalten der Kühlung ohne Kältemittel-Sensor im Verdampfer 6 zur Messung der Kältemittel-Temperatur TK allein anhand des
Zellkerntemperatur-Sensors zur Ermittlung der Batterie-Temperatur TB zu erreichen. Ergänzende Bezugszeichen-Erklärung: ß_ein obere Batterietemperatur-Schwelle zum Einschalten der Kühlung bzw. der Drehzahl n bzw. der Drehzahlregelung mit der Einschalt-Drehzahl nein bei Überschreiten dieser Schwelle
Tß_aus untere Batterietemperatur-Schwelle zum Ausschalten der Kühlung bzw. Drehzahl n bzw. der Drehzahlregelung mit der Ausschalt-
Drehzahl naus bei Unterschreiten dieser Schwelle
κ_βίη gemessene Kältemittel-Temperatur TK im Verdampfer 8 bei
Einschalten der Kühlung bzw. der Drehzahl n bzw. der
Drehzahlregelung mit der Einschalt-Drehzahl nein nach dem Stand der
Technik bzw. bei Auslegung der erfindungsgemäßen Kennlinie K2 TK_aus gemessene Kältemittel-Temperatur T« im Verdampfer bei Ausschalten der Kühlung bzw. der Drehzahl n bzw. der Drehzahlregelung mit der
Ausschalt-Drehzahl naus nach dem Stand der Technik bzw. bei
Auslegung der erfindungsgemäßen Kennlinie K2

Claims

Verfahren zur Kühlung einer Batterie, insbesondere einer Hochleistungsbatterie, in Kraftfahrzeugen Patentansprüche
1. Verfahren zur Kühlung einer Batterie (5) in einem Kraftfahrzeug (1), bei dem die Batterie (5) zu ihrer Kühlung mit einem Verdampfer (6) verbunden wird, der in einen Kältekreislauf (2) mit einem Kältemittel- Verdichter (8) eingebunden wird, und bei dem mittels einer
elektronischen Steuereinheit (9) die Drehzahl (n) des Verdichters (8) unabhängig von der Kältemittel-Temperatur (TK) abhängig von der Batterie-Temperatur (TB) gemäß einer empirisch ermittelten, abgespeicherten Kennlinie (K2) derart gesteuert wird, dass die thermische Trägheit der Batteriezellen und des Verdampfers (6) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Kennlinie (K2) ausgehend von einer zuvor ermittelten Kennlinie (K1) zur Steuerung der Drehzahl (n) in Abhängigkeit von der gemessenen Kältemittel-Temperatur (TK) derart gebildet wird, dass bei Verwendung derselben Kühlungseinschaltbedingung (TB>TB_ein) und derselben Kühlungsausschaltbedingung (TB<TB_aus) sowie bei Verwendung der gleichen Anfangsdrehzahl (n ein) und vorzugsweise auch der gleichen Zieldrehzahl (naus) wie bei der vorher ermittelten Kennlinie (K1) die Regelung der Drehzahl (n) unabhängig von der Kältemittel- Temperatur (TK) abhängig von der gemessenen Batterie-Temperatur (TB) und vorzugsweise auch von der Außentemperatur (TA) durchgeführt wird.
3. Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorangegangenen Patentansprüche mit einer Batterie (5), die zu ihrer Kühlung mit einem Verdampfer (6) verbunden ist, der in einen Kältekreislauf (2) mit einem Kältemittel-Verdichter (8) eingebunden ist, und mit einer elektronischen Steuereinheit (9), durch die die Drehzahl (n) des Verdichters (8) unabhängig von der Kältemittel-Temperatur (TK) abhängig von der Batterie-Temperatur (TB) gemäß einer empirisch ermittelten, abgespeicherten Kennlinie (K2) einstellbar ist, wobei die Kennlinie (K2) derart ausgelegt ist, dass die thermische Trägheit der Batteriezellen und des Verdampfers (6) berücksichtigt ist.
Batterie (5) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorangegangenen Patentansprüche, die zu ihrer Kühlung mit einem Verdampfer (6) verbunden ist, der in einen Kältekreislauf (2) mit einem Kältemittel-Verdichter (8) eingebunden ist, und mit einer elektronischen Steuereinheit (9), durch die die Drehzahl (n) des Verdichters (8) unabhängig von der Kältemittel-Temperatur (TK) abhängig von der Batterie-Temperatur (TB) gemäß einer empirisch ermittelten,
abgespeicherten Kennlinie (K2) einstellbar ist, wobei die Kennlinie (K2) derart ausgelegt ist, dass die thermische Trägheit der Batteriezellen und des Verdampfers (6) berücksichtigt ist.
Elektronische Steuereinheit (9) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Patentansprüche zur Kühlung einer Batterie (5), die zu ihrer Kühlung mit einem Verdampfer (6) verbunden ist, der in einen Kältekreislauf (2) für ein Kraftfahrzeug (1 )mit einem Kältemittel- Verdichter (8) eingebunden ist, wobei die elektronische Steuereinheit (9) derart ausgestaltet bzw. programmiert ist, dass durch sie die Drehzahl (n) des Verdichters (8) unabhängig von der Kältemittel-Temperatur TK abhängig von der Batterie-Temperatur (TB) gemäß einer empirisch ermittelten, abgespeicherten Kennlinie (K2) einstellbar ist, wobei die Kennlinie (K2) derart ausgelegt ist, dass die thermische Trägheit der Batteriezellen und des Verdampfers (6) berücksichtigt ist.
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