WO2019110576A1 - System und verfahren zum regeln einer ladetemperatur einer fahrzeugbatterie - Google Patents

System und verfahren zum regeln einer ladetemperatur einer fahrzeugbatterie Download PDF

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Alexander Klose
Oliver Oechsle
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Klose & Oechsle Gmbh
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    • H01M2010/4278—Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for optimizing and regulating a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle, and more particularly to a system and a method for actively controlling a charging temperature of a vehicle
  • Vehicle battery by means of a temperature sink to optimize a range of the vehicle and / or to accelerate a charging of the
  • Electric vehicles have an electric motor, which is fed while driving from a vehicle battery.
  • the battery capacity and performance of the vehicle battery play an essential role.
  • a user of the electric vehicle wants the largest possible range of the electric vehicle with at the same time as short charging times for charging the vehicle battery.
  • Conventional vehicle batteries allow depending on
  • High charging currents can lead to heat generation, which can heat the vehicle battery beyond a permissible temperature value.
  • conventional lithium-ion vehicle batteries should not be heated above 50 ° C.
  • the battery cells of the vehicle battery installed in the vehicle are partially actively cooled. This temperature cooling takes place for example by means of a
  • US 2017/0096073 A1 describes a vehicle in which the cooling of the vehicle battery takes place during a charging process by an externally supplied cooling fluid.
  • DE 11 2013 004 048 describes a heat management system for an electric vehicle in which inter alia the temperature of the vehicle battery is actively regulated.
  • DE 10 2016 109 590 describes a traction battery cooling system in which the temperature of the vehicle battery is also actively controlled. The waste heat is released into the environment in both conventional systems. In order to increase the cooling capacity, a chiller can also be used in these conventional systems. Conventional systems aim to maintain the temperature of the vehicle battery within a desired temperature range at the time of operation and charging, and dissipate the generated heat, if necessary.
  • the system described in this invention absorbs the charging heat generated by the vehicle battery at the time of charging using the fluid mass of a coolant circuit for the vehicle battery. This makes it possible to
  • the coolant for the vehicle battery may be heated by a heater and / or the stored waste heat from the charging process may be utilized.
  • Heat energy amount increases and at the same time charging time is reduced.
  • a relatively high cooling capacity is required, which also in the immediate vicinity of the vehicle, a heat increase
  • Temperature control of the vehicle battery is only during the charging process and thus the charging of the vehicle battery still requires a considerable charging time or the speed of the charging process is limited by the maintenance of the maximum temperature of the battery.
  • This object is achieved according to a first aspect of the invention by a system for controlling a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle having the features specified in claim 1.
  • the invention accordingly provides a system for controlling a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle, wherein the vehicle battery is cooled by a fluid circulating in a cooling circuit of the vehicle, which is controlled by a control such that the vehicle battery upon reaching a charging station to a target Pre-charge temperature is pre-tempered, which is suitable for an electrical charging for rapid charging of the vehicle battery by the charging station.
  • the pre-tempered fluid can circulate completely in the cooling circuit of the vehicle battery or, alternatively, be admixed in a secondary circuit.
  • the system according to the invention leads to a faster charging process in a vehicle battery in an electric vehicle, which dissipates and temporarily stores the waste heat by means of a fluid.
  • the stored amount of heat can vary depending on
  • Temperature of the vehicle battery does not drop below a desired temperature and do not need to use valuable electrical energy for a heating process.
  • control of the system determines an expected remaining time duration and / or remaining one Distance of the vehicle to reach the charging station and the resulting expected heat flows of vehicle components of the
  • the controller calculates the expected remaining time duration and / or the expected remaining distance to reach the charging station on the basis of navigation data, which supplies a navigation unit of the vehicle, and / or based on driving profile data of the vehicle.
  • the driving profile data of the vehicle are recorded and periodically stored in a data memory of the system.
  • the controller monitors a current state of charge and an operating temperature of the vehicle battery.
  • the controller controls the cooling circuit and / or a battery heater provided with the vehicle battery with regard to the expected to reach the charging station heat flows such that the monitored operating temperature of the vehicle battery when reaching the charging station of the target Charging start temperature corresponds.
  • the vehicle battery is installed in a thermally insulated installation space inside the vehicle, which is cooled by means of the circulating fluid within the cooling circuit.
  • the cooling circuit has a tank for receiving a predetermined amount of the fluid and a controllable by the controller pump for pumping the fluid through the space of the vehicle battery.
  • the fluid in the tank of the cooling circuit is pre-cooled to a low temperature before the start of the electrical charging process and with the beginning of the electrical charging by means of a pump through the space of
  • the heat generated during the electrical charging of the vehicle battery waste heat for temperature control of a passenger compartment of the vehicle and / or other
  • the heat generated during the electrical charging of the vehicle battery via a heat pump coupled to the cooling circuit in a heat accumulator of a high-temperature circuit of a drive train of the vehicle
  • the high-temperature circuit of the vehicle has a controllable by the controller pump for pumping a fluid through the drive train and through the Heat storage and by heaters for a passenger compartment of the vehicle
  • Vehicle or other vehicle components of the vehicle are Vehicle or other vehicle components of the vehicle.
  • the amount of circulating fluid within the cooling circuit is such that at an electrical charge of the vehicle battery from about 10% of its battery charging capacity at the beginning of the electrical charging process to about 80% of its battery charging capacity at the end of the electrical charging maximum permissible temperature of the vehicle battery is not reached.
  • the controller controls to adjust the provided by the cooling circuit
  • the invention further provides a method for regulating a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle with the in
  • Claim 15 specified characteristics.
  • the invention accordingly provides a method for controlling a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle, wherein the vehicle battery is cooled by a fluid circulating in a cooling circuit of the vehicle, which is controlled so that the vehicle battery on reaching a charging station to a desired charging start temperature which is suitable for an electrical charging process for the rapid charging of the vehicle battery by the charging station.
  • FIG. 1A is a block diagram illustrating a possible embodiment of a system according to the invention for controlling a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle.
  • Fig. 1B is a modification of the block diagram of Fig. 1A, which additionally allows a bypass circuit for mixing the fluid from the battery return with the tempered fluid from the tank;
  • Fig. 2 is another block diagram illustrating a possible
  • Fig. 3 is a diagram for explaining the operation of an exemplary
  • the system (SYS) shown in Fig. 1A is used to control a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle, in particular an electric vehicle.
  • a vehicle battery 2 of a vehicle is coupled to a cooling reservoir or tank 1.
  • the in Fig. 1A is used to control a charging temperature of a vehicle battery of a vehicle, in particular an electric vehicle.
  • a vehicle battery 2 of a vehicle is coupled to a cooling reservoir or tank 1.
  • illustrated tank 1 forms a receptacle for receiving a fluid F.
  • This fluid F is pumped by means of a pump 3 for cooling the vehicle battery 2 within a cooling circuit 21.
  • the vehicle battery 2 is cooled by means of the fluid F, which circulates in the cooling circuit 21 of the vehicle.
  • the cooling circuit 21 of the vehicle by a controller 18 of the system SYS controlled such that the vehicle battery 2 is pre-tempered upon reaching a charging station to a desired charge start temperature T 0 .
  • This desired charging start temperature T 0 is suitable for an electrical charging process for the rapid charging of the vehicle battery 2 by the charging station.
  • the target charge start temperature T 0 depends on the electrochemical composition and the individual structure of the
  • the desired charging start temperature T 0 is in one possible embodiment preferably at about 20 ° C, for example at 17 ° C.
  • the pump 3 is controlled by a controller 18 of the system SYS. In the illustrated in Fig. 1A
  • the controller 18 may determine an expected remaining time period and / or a remaining distance to reach the charging station and the resulting expected heat flows from vehicle components of the vehicle until reaching the charging station by the vehicle.
  • the controller 18 is connected to a navigation unit 20 of the vehicle.
  • the controller 18 is connected to a navigation unit 20 of the vehicle.
  • the controller 18 calculates the expected remaining time period and / or the expected remaining distance to reach the charging station based on navigation data and based on driving profile data of the vehicle.
  • Fig. 1A provides the
  • Navigation unit 20 navigates to the controller 18 based on the expected remaining time period and / or the expected remaining time
  • driving profile data of the vehicle are used. These driving profile data are recorded in a possible embodiment and stored periodically in a data memory 19. In the embodiment illustrated in FIG. 1A, the controller 18 can read out this driving profile data in order to calculate the remaining time duration and / or the expected remaining distance to reach the charging station
  • the controller 18 monitors the current state of charge and an operating temperature T of the vehicle battery 2.
  • the controller 18 may control the refrigeration cycle 21 with regard to the heat flows expected to reach the charging station in one possible embodiment activate such that the monitored by her operating temperature T of the vehicle battery 2 when reaching the charging station of the desired target charge start temperature T 0 corresponds.
  • the controller 18 in a further possible embodiment, in addition to a provided in the vehicle battery 2 battery heater 15, as shown in Fig. 2, use. At a
  • the controller 18 thus controls both the cooling circuit 21 for controlling its pump 3 and a battery heater 15 with respect to the expected to reach the charging station heat flows such that the monitored by the controller 18 operating temperature T of the vehicle battery 2 upon reaching the charging station of the desired charging start temperature T 0 , for example, a desired charging temperature T 0 of about 20 ° C corresponds.
  • the vehicle battery 2 may be located in a possible embodiment in a thermally insulated space within the vehicle, which is cooled by means of circulating within the cooling circuit 21 fluid F.
  • the cooling circuit 21 has a cooling reservoir or a tank 1 for
  • the amount m of the fluid F within the tank 1 is dimensioned such that it can largely absorb the amount of heat Q arising during the electrical charging process of the vehicle battery 2.
  • the dimensioning of the amount m of the fluid F is such that the amount of fluid m is large enough to effectively cool the vehicle battery 2 of the vehicle even without external cooling.
  • fluid F located in the tank 1 of the cooling circuit 21 fluid F is pre-cooled by the system SYS to a low temperature before the start of the electrical charging process and with the beginning of the electrical charging process, the fluid F by the pump 3 through the space of the vehicle battery. 2 pumped.
  • the heated return of the vehicle battery 2 can be added to the fluid F from the tank 1 via a controllable mixing valve 25.
  • a significant advantage of the admixture is that the minimum temperature for the fluid F in the tank 1 can be chosen to be significantly lower and thus more negative thermal energy can be kept per weight / volume unit.
  • Fig. 1B shows an embodiment with a mixing valve 25 which is controllable by the controller 18. The resulting in the electrical charging of the vehicle battery 2 waste heat can be used in a possible embodiment in addition to the temperature of a passenger compartment and / or other vehicle components of the vehicle. In one possible embodiment, that in the electrical
  • High-temperature circuit 22 cached In a preferred embodiment
  • the quantity m of the fluid F circulating within the cooling circuit 21 can be such that when the vehicle battery 2 is charged with electricity from approximately 10% of its battery charging capacity at the beginning of the electrical charging process to approximately 80% of its battery charging capacity at the end of the electric charging Charging a maximum allowable temperature of the vehicle battery 2 is not reached.
  • the controller 18 can control the power of a fluid pump 3 contained in the cooling circuit 21 and / or a compressor 5 contained in a heat pump.
  • FIG. 2 shows a block diagram for illustrating an exemplary embodiment of the system SYS according to the invention for controlling a charging temperature T A
  • Vehicle battery 2 of a vehicle The vehicle battery 2 is located in the cooling circuit 21, which has at least one cooling reservoir or at least one tank 1 for receiving a cooling fluid F.
  • the vehicle battery 2 is cooled by means of the fluid F which, driven by the pump 3, circulates in the cooling circuit 21 of the vehicle.
  • the controller 18 shown in Fig. 2 controls, for example by control signals CRTL, inter alia, the pump 3.
  • the circulating fluid in the cooling circuit 21 F is controlled by the controller 18 by means of the pump 3 such that the vehicle battery 2 on reaching an electrical charging station already on a desired charge start temperature To is preheated, which for a
  • Vehicle battery 2 is installed in a possible embodiment in a thermally well insulated space inside the vehicle. This space can be cooled or heated by means of the fluid F.
  • the cooling reservoir or tank 1 contains a relatively large amount of fluid F.
  • the amount m of the fluid F present in the tank 1 far exceeds the amount of fluid which is used in a conventional fluid Cooling circuit of a conventional system is present.
  • the amount m of the fluid F circulating in the refrigeration cycle 21 exceeds the amount of a fluid circulating in a conventional refrigeration cycle by a factor of 10.
  • the fluid F provided in the refrigeration cycle 21 has a relatively high specific heat capacity.
  • the fluid F is replaced by a liquid having a high
  • the liquid or the fluid F can flow through the pump 3 via a line system through the vehicle battery 2 installed in the vehicle, so that a heat exchange takes place between the fluid F and the vehicle battery 2.
  • thermal power Pthermisch internal resistance R * current I 2 heats the vehicle battery 2 according to their specific heat capacity and mass.
  • the thermal energy which the system can absorb thus results from the heat capacity and the permissible temperature difference as well as from the energy released during the electrical charging process to the environment. It increases when the fluid F and / or the vehicle battery 2 is actively cooled down before the charging process. To the performance of the vehicle battery 2, which under a
  • the fluid F is preferably pre-cooled without the vehicle battery 2 already to flow through.
  • the vehicle battery 2 before the electric Charging be brought to a temperature that is at the lower end of the necessary for the ferry service of the vehicle power output.
  • the pre-cooled fluid F located in the tank 1 is pumped from the tank 1 through the vehicle battery 2 by means of the pump 3 of the cooling circuit 21 controlled by the controller 18 with the start of the charging process.
  • the vehicle battery 2 can be connected via an electrical charging cable to an external charging station.
  • the pumping operation by the pump 3 is automatically started.
  • the existing in the cooling circuit 21 fluid quantity m of the fluid F is preferably such that at an electric charge of the vehicle battery 2 of about 10% of its total capacity at the start of the charging process to 80% of their total capacity at the end of the charging process, the maximum allowable temperature of the vehicle battery. 2 not quite reached yet and thus still a reserve for possible tips in the ferry service remains.
  • the fluid F is circulated continuously or discontinuously.
  • opening or closing the mixing valve 25 is a defined amount of the cooler fluid F from the
  • Cooling reservoir 1 is added to the circulating fluid F and so set the target temperature for the entry of the fluid F in the vehicle battery 2.
  • the controller 18 obtains navigation data from a
  • Navigation unit 20 of the vehicle has access to driving profile data of the
  • Vehicle which may be cached in a data memory 19.
  • the cooling circuit 21 is coupled to a high-temperature circuit 22 via a heat pump 4.
  • Heat pump 4 is temporarily stored in a heat storage 13 of the high-temperature circuit 22 of a drive train 9 of the vehicle.
  • the heat pump or chiller 4 includes a refrigeration compressor 5 and a diffuser 6. On both sides has the
  • Heat pump 4 and the refrigerator 4 via a heat exchanger On the side of the cooling circuit 21 is a heat exchanger 8 and on the part of
  • the high temperature circuit 22 of the vehicle includes a controllable by the controller 18 pump 12 for pumping a fluid F through the drive train 9 of the electric vehicle and through the heat accumulator 13 of the
  • High temperature circuit 22 As shown in Fig. 2.
  • the high temperature circuit 22 includes a radiator 10 and a radiator fan 11 which is connected to the radiator 10 and cools the circulating fluid F 'with ambient air.
  • a slide 17 may be provided for the exhaust air control for the
  • an additional electric heater 14 may be provided, as shown in FIG.
  • an AC cooler 16 is provided for the air conditioning of the passenger compartment, which may be connected to the heat pump 4.
  • DC power and a high current amplitude can generate more than 4 kWh of thermal energy within a few minutes.
  • the operating temperature T of a vehicle battery 2 with, for example, a weight of more than 300 kg would rise by approximately 20 ° C. and thus rise above the permissible range for most cell types.
  • a vehicle battery 2 with about 40 kg of additional aqueous fluid F as a temperature sink heats up to less than 25 ° C. With a starting temperature of about 20 ° C, for example 17 ° C, reaches the vehicle battery 2 at the end of the electric charging a
  • Temperature sink stored heat energy in the amount of about 3 to 6 kWh can be used over the forecast period using a heat pump 4, so as to increase the range of the vehicle, especially in a colder environment, for example, in a colder season, significantly improve. If the heat had to be generated from an electrically stored energy, this would consume about 15% of the usable energy of the vehicle battery.
  • Heat energy are discharged through the cooling circuit 21 during the ferry operation of the vehicle to the environment.
  • the heat pump 4 with its compressor 5 and its diffuser 6 and the two heat exchangers 7, 8 are used. This is particularly useful if already another cooling circuit, namely the high-temperature cooling circuit 22, provided with its own radiator 10, fan 11 and pump 12 for inverter and drive motors of the drive train 9 with a higher temperature level
  • Compressor 5 and the diffuser 6 of the heat pump 4 circulates such that the fluid F emits its heat energy and a heat accumulator 13 of the
  • High temperature circuit 22 is heated.
  • the heat pump or chiller 4 can also be used for the cooling of the passenger compartment of the vehicle using the AC cooler 16.
  • the cooling capacity between the fluid F and the vehicle battery 2 as well as in the passenger compartment of the vehicle can be regulated via the valves 23, 24 and the refrigeration compressor 5. Is there heat demand in the
  • the heat pump 4 is used to increase the efficiency and a higher
  • the system can be supplemented by additional heaters 14, 15, if the stored during the charging process heat energy is insufficient to fully temper the passenger compartment or the
  • Vehicle battery 2 threatens to cool below a permissible minimum temperature.
  • the regulation of the system SYS adapts to the requirements of the temperature control of the passenger compartment and the requirements
  • Vehicle battery 2 on. For example, reaches the state of charge of the vehicle battery 2, which is monitored by the sensor 18, for example, a Minimum level of, for example, less than 25% of the battery capacity, so meets the system SYS invention measures for preparing an imminent rapid charging process for charging the vehicle battery 2.
  • a Minimum level of, for example, less than 25% of the battery capacity so meets the system SYS invention measures for preparing an imminent rapid charging process for charging the vehicle battery 2.
  • monitored state of charge of the vehicle battery 2 can also be considered information or data from the navigation system or the navigation unit 20.
  • the distance of the vehicle can be co-processed to existing in the environment charging stations.
  • information from the previous driving behavior of the user can be taken into account in order to additionally estimate the average power output until reaching the charging station and until the beginning of the charging process.
  • the expected remaining time duration and / or the expected remaining distance to reach the charging station by a calculation unit of the controller 18 can be calculated.
  • the probable temperature of the vehicle is in one possible embodiment
  • Vehicle battery 2 when reaching the charging station by the calculation unit of the controller 18 calculated.
  • the temperature of the vehicle battery 2 and the fluid F is lowered by the controller 18 to an optimum target charge starting temperature To at the start of the rapid charging operation.
  • Navigation unit 20 may provide data regarding the availability of nearby charging stations. Further, the navigation unit 20 may provide data regarding the remaining distance to reach the charging station in real time. Driving profile data of the driver and / or the vehicle can be read from the data memory 19. The waste heat of the drive train 9, i. of the motor and the inverter, as well as the discharge process, in a possible embodiment, additional amounts of heat depending on the average
  • Amount of heat can be adjusted with the heat demand. If the available amount of heat is greater than the heat demand, it can be discharged via the radiator and fan 10 to the environment. In addition, the passenger compartment and the temperature sink can be cooled via the heat pump or refrigerating machine 4. is In contrast, the heat demand greater than the available heat energy, so first the stored heat energy of
  • Temperature sink, in particular of the fluid F, and the vehicle battery 2 used to heat by means of additional electrical energy can.
  • FIG. 3 schematically shows a possible exemplary implementation of a
  • FIG. 3 shows, on the one hand, the input signals, in particular sensor signals, and, on the output side, possible control signals CRTL for components of the system.
  • On the input side receives the controller 18 in a possible embodiment, for example, the actual or
  • Temperatur sensors may be provided in the interior or passenger compartment of the vehicle, which provide an actual temperature of the interior.
  • a user has the option of setting a setpoint temperature of the interior via an adjustment unit.
  • the controller 18 also monitors the actual temperature of the sensor
  • the controller 18 additionally receives data or information regarding the estimated time until the start of the electrical charging of the vehicle battery 2. Furthermore, the controller 18 receives temperature data regarding the temperature of the vehicle in the
  • Cooling circuit 21 circulating fluid F.
  • the controller 18 includes a comparator which compares the actual temperature of the fluid F circulating in the high-temperature circuit 22 with an adjustable target temperature.
  • High-temperature circuit 22 and the radiator motor 11 are controlled by the controller 18.
  • the controller 18 may include a comparator, which compares the measured interior temperature with the measured target temperature and depending on the temperature difference heats or cools the interior of the vehicle. For heating or cooling of the interior of the AC cooler 16, the additional electric heater 14, the slider 17 and / or the valve 23 of the
  • Cooling pump 24 are controlled by the controller 18. Furthermore, it is possible to control the compressor 5 of the heat pump 4 or chiller 4.
  • controller 18 the current state of charge of the
  • This target temperature T of the vehicle battery 2 is compared with the measured instantaneous vehicle battery 2 by the controller 18 to determine whether the vehicle battery 2 has to be heated or cooled.
  • the vehicle battery 2 is so controlled by the controller 18
  • this desired charging start temperature T 0 is particularly suitable for charging the vehicle battery 2 rapidly by the charging station, especially for an electrical charging process.
  • the desired charge start temperature T 0 is about 20 ° C.
  • the second valve 24 is the second valve 24 .
  • Heat pump or the chiller 4 and / or the pump 3 of the cooling circuit 21 to achieve the desired charge start temperature To controlled. Furthermore, in one possible embodiment by the controller 18, the electrical
  • Vehicle battery heater 15 are activated in order to achieve the desired charge start temperature To on time when reaching the charging station, in particular if the temperature of the vehicle battery 2 and / or the temperature of the fluid F within the cooling circuit 21 is significantly lower than the target Charging start temperature T 0 .
  • the controller 18 of the system SYS performs a control to accelerate the electrical charging of the vehicle battery 2 and / or to optimize the range of the vehicle by means of the temperature sink.
  • the expected time to the electric rapid charging process can from the driving profile and / or the
  • the heat flows are for example from the Actual temperature of the components and their heat capacity determined. Furthermore, to determine the heat flows, the waste heat of the drive train 9 and the heat demand of the interior can be considered. In addition, the possible cooling capacity in the environment for determining the heat flows
  • the control can determine or calculate a temperature-time profile of the vehicle battery 2 with optimal protection of the vehicle range.
  • a temperature sensor may be provided on the vehicle battery 2. If the temperature of the vehicle battery 2 drops below a permissible value, a warning signal is generated in a possible embodiment variant. Furthermore, when the temperature of the battery 2 drops below a threshold value, the additional electric heater for the vehicle battery 2 is switched on or activated. Additional electrical consumption units can at a possible
  • Embodiment of the controller 18 are reported for range calculation.
  • a warning signal can be generated in a possible embodiment by the controller 18, which, for example, prompts the driver of the vehicle to park the vehicle.
  • all unnecessary electrical loads can be automatically switched off by the controller 18 and maximum cooling of the vehicle battery 2 can be initiated.
  • the temperature of the vehicle battery 2 rises above a desired setpoint, which is still not critical, in one possible embodiment, the
  • Cooling capacity in the cooling circuit or low-temperature circuit 21 increased by the controller 18.
  • the pump power of the driven pump 3 can be increased and at the same time the compressor 5 of the refrigerator or
  • Heat pump 4 are controlled so that it provides more power. Furthermore, the valve 24 of the heat pump or refrigerator 4 is opened. In addition, if the cooling capacity is insufficient, the valve 23 is throttled by the controller 18. If the high-temperature circuit 22 overheats, the power of the fan 11 and the pump 12 can be increased. If the temperature of the vehicle battery 2 drops below the desired setpoint, but is not critical, the pumping power of the pump 3 is reduced by the controller 18. If cooling power is required in the interior, in addition, the valve 23 can be opened. At the same time, the valve 24 is throttled by the controller 18. In addition, the compressor 5 can be switched to less power.
  • FIG. 4 shows an application example of the system according to the invention and the method according to the invention for controlling a charging temperature of a
  • Vehicle battery 2 of a vehicle according to the invention.
  • the vehicle battery 2 has a state of charge SOC of about 30 kWh at the time of 6:00 o'clock (for example, at the beginning of a working shift). The in the
  • Vehicle battery 2 stored charge initially decreases rapidly when driving the vehicle towards a distribution area of the service, since the drive to
  • Distribution area or target area of the service is speedy and additional electrical consumers, such as heating, need more electrical energy.
  • the electrical consumption flattens off slightly, as shown in Fig. 4, as the vehicle either parked during service provision or in the
  • the temperature of the vehicle battery 2 initially rises from 35 ° C. to 40 ° C. due to the high electrical consumption during the approach to the distribution area.
  • the heating system can heat the residual heat
  • the system SYS for controlling the charging temperature of the vehicle battery 2 recognizes in the illustrated example of application, that at the latest by 10:00 o'clock in the morning a charging process for charging the vehicle battery 2 is pending. With a charging power of 200 kW and an energy volume of, for example, 35 kWh, the vehicle battery 2, including the fluid F located in the temperature sink, in the illustrated example, will heat up by 20 to 25 ° C. To an optimal To ensure charging, the temperature of the vehicle battery 2 is controlled by the controller 18 so that it will reach a desired setpoint starting temperature T 0 of, for example, 17 ° C at 10:00 am, ie at the expected beginning of the electrical charging process. The waste heat is, if desired, provided to the interior of the vehicle. Requires the interior
  • the waste heat can be delivered via the heat pump 4 to the high-temperature circuit 22.
  • the vehicle battery 2 reaches a state of charge of about 5 kWh at about 10:00 in the morning and can be charged quickly.
  • Temperature sink or the cooling circuit 21 by about 23 ° C to 40 ° C in the example shown. Since the fluid quantity m of the fluid F can be adjusted relatively easily by dimensioning the tank volume of the tank 1, individual heat capacities for the battery temperature-sink unit can be set relatively easily.
  • the logistics service can be resumed for example at 10:15 clock.
  • a further rapid charging process is sufficient at the end of the shift in order to be able to return the vehicle ready for operation and charged to another colleague of the logistics service, for example taxi service.
  • Temperature sink the range of the vehicle optimized and the charging process for charging the vehicle battery 2 accelerates, for example, a load time of less than 15 minutes.
  • the various parameters of the control system depend on the one hand on the structural and chemical properties of the vehicle battery 2 and on the other hand on adjustable setpoints. For example, the
  • Vehicle battery 2 for urban urban operation have a battery capacity of 40 kWh.
  • the usable capacity in a range of 10 to 80% is, for example, 28 kWh.
  • the vehicle battery 2 can be operated at a voltage of 300 V and have a mass per kilowatt hour of 9.5 kg per kilowatt-hour.
  • the internal resistance of the vehicle battery 2 may also vary depending on Battery type differ and has, for example, an internal resistance of about 70 mOhm.
  • the desired nominal charging start temperature T 0 at the beginning of the charging process is approximately 20 ° C., for example 17 ° C., as in the example illustrated in FIG. 4.
  • Charging for example, is preferably about 50 ° C.
  • the discharging and charging power of the vehicle battery 2 may vary depending on the type of the battery.
  • the average discharge power is 6.25 kW and the average charging power is 200 kW.
  • the charging and discharging current may vary from type to type. In one possible embodiment, the average charging current is 667 amps and the average discharging current is 21 amps.
  • the heat capacity is for example for the battery cells 0.18 Wh / kg * K with a possible mass of 380 kg.
  • the heat capacity of the cooling fluid in particular water, for example, 1.16 Wh / kg * K at a mass of, for example, about 30 kg.
  • the heat capacity of the aluminum at a mass of 76 kg, for example, 0.24 Wh / kg * K.
  • the total mass is thus in a possible embodiment at about 486 kg.
  • the temperature difference for charging the vehicle battery 2 per hour is 248 K / h in one possible embodiment.
  • the charging time required to charge from 10% to 80% of the battery capacity in one possible embodiment is 0.14 hours.
  • the total storable thermal energy is in a possible embodiment, about 4.4 kWh.
  • the volume of the cooling reservoir or the tank 1 for use of different vehicle battery types of the vehicle battery 2 is variable.
  • the battery is designed so that the fluid can be completely stored between the cells of the battery.
  • the controller 18 provides additional information to the driver of the vehicle via a user interface or a user interface fast. For example, the driver receives information
  • a temperature and / or charging profile can be displayed, as shown for example in Fig. 4.
  • the calculation unit of the controller 18 can determine various possible reachable charging stations in the city area and select a most suitable charging station, which correspond to a service plan and / or a transfer time.
  • the service plan or shift schedule can specify a desired point in time at which a charging station is to be reached.
  • the temperature of the vehicle battery 2 should also correspond to a specific desired charging start temperature T 0 .
  • the system and method according to the invention is suitable for controlling the charging temperature of any vehicle batteries of electric vehicles. These electric vehicles are electric vehicles that are used in road traffic.
  • the system according to the invention is particularly suitable for vehicles that are in the field of logistics or in the provision of
  • the vehicles may be in addition to road vehicles also electrically powered watercraft.
  • the cooling fluid F is preferably a liquid, in particular water.
  • a cooling gas or gas mixture can be used for cooling.

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Abstract

System zur Regelung einer Ladetemperatur (T) einer Fahrzeugbatterie (2) eines Fahrzeuges, wobei die Fahrzeugbatterie (2) mittels eines Fluids (F) gekühlt wird, das in einem Kühlkreislauf (21) des Fahrzeuges zirkuliert, welcher durch eine Steuerung (18) derart gesteuert wird, dass die Fahrzeugbatterie (2) bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll-Ladestarttemperatur (T0) vortemperiert ist, die für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie (2) durch die Ladestation geeignet ist.

Description

System und Verfahren zum Regeln einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Optimierung und Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges und insbesondere ein System und ein Verfahren zur aktiven Regelung einer Ladetemperatur einer
Fahrzeugbatterie mittels einer Temperatursenke zur Optimierung einer Reichweite des Fahrzeuges und/oder zur Beschleunigung eines Ladevorganges der
Fahrzeugbatterie.
Elektrofahrzeuge weisen einen Elektromotor auf, welcher während der Fahrt von einer Fahrzeugbatterie gespeist wird. Bei der Auslegung von Elektrofahrzeugen spielen die Batteriekapazität und Leistung der Fahrzeugbatterie eine wesentliche Rolle. Ein Nutzer des Elektrofahrzeuges wünscht sich eine möglichst große Reichweite des Elektrofahrzeuges bei gleichzeitig möglichst kurzen Ladezeiten zur Aufladung der Fahrzeugbatterie. Herkömmliche Fahrzeugbatterien erlauben je nach
elektrochemischer Zusammensetzung Ladeströme zwischen dem 1- und 20-fachen der Batteriekapazität der Fahrzeugbatterie, auch C-Wert genannt. Beim Aufladen der Batterie fließen elektrische Ströme, die in der Fahrzeugbatterie Wärme erzeugen.
Hohe Ladeströme können zu einer Wärmeerzeugung führen, die die Fahrzeugbatterie über einen zulässigen Temperaturwert hinaus erwärmen können. Beispielsweise sollen herkömmliche Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterien nicht über 50°C erwärmt werden. Um eine hohe Erwärmung von Fahrzeugbatterien zu vermeiden, werden daher die im Fahrzeug verbauten Batteriezellen der Fahrzeugbatterie teilweise aktiv gekühlt. Diese Temperaturkühlung erfolgt dabei beispielsweise mittels eines
Luftstromes oder mittels einer Kühlflüssigkeit. In der US 2017/0096073 Al wird ein Fahrzeug beschrieben, bei dem die Kühlung der Fahrzeugbatterie während eines Ladevorganges durch eine extern zugeführte Kühlflüssigkeit erfolgt. Die DE 11 2013 004 048 beschreibt ein Wärmeverwaltungssystem für ein Elektrofahrzeug, bei welchem u.a. die Temperatur der Fahrzeugbatterie aktiv geregelt wird. Die DE 10 2016 109 590 beschreibt ein Traktionsbatteriekühlsystem, bei dem ebenfalls die Temperatur der Fahrzeugbatterie aktiv geregelt wird. Die Abwärme wird in beiden herkömmlichen Systemen dabei an die Umgebung abgegeben. Um die Kühlleistung zu erhöhen, kann in diesen herkömmlichen Systemen zudem eine Kältemaschine eingesetzt werden. Herkömmliche Systeme zielen darauf ab, die Temperatur der Fahrzeugbatterie innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zur Zeit des Betriebs und des Ladevorganges zu halten und die erzeugte Wärme abzuführen, sofern notwendig.
Das in dieser Erfindung beschriebenen System nimmt die von der Fahrzeugbatterie zur Zeit des Ladevorganges erzeugte Ladewärme mithilfe der Fluidmasse eines Kühlmittelkreises für die Fahrzeugbatterie auf. Hierdurch ist es möglich, die
Ladewärme der Fahrzeugbatterie zu speichern und die Temperatur der
Fahrzeugbatterie innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches während des Ladevorganges zu halten. Falls es notwendig wird, die Fahrzeugbatterie zu erwärmen, kann das Kühlmittel für die Fahrzeugbatterie durch eine Heizvorrichtung erwärmt werden und/oder die gespeicherte Abwärme aus dem Ladevorgang genutzt werden.
Bei einem sehr schnellen Ladevorgang, beispielsweise bei einer Ladezeit von unter 20 Minuten entsteht, je nach elektrochemischer Zusammensetzung der Fahrzeugbatterie und deren Bauform, eine relativ große Abwärme von einigen Kilowatt Leistung und einigen Kilowattstunden Energie. Mit verkürzter Ladezeit muss daher bei
herkömmlichen Systemen die Kühlleistung zur Kühlung der Fahrzeugbatterie überproportional erhöht werden, da einerseits die beim Laden erzeugte
Wärmeenergiemenge steigt und gleichzeitig Ladezeit reduziert wird. Um die entstehende Wärmemenge abzublasen, ist eine relativ hohe Kühlleistung erforderlich, die zudem in der direkten Umgebung des Fahrzeuges einen Wärmeanstieg
verursacht und gleichzeitig zunehmende Geräusche des Kühllüfters bewirkt. Ein weiteren Nachteil herkömmlicher Systeme besteht darin, dass eine aktive
Temperaturregelung der Fahrzeugbatterie erst während des Ladevorganges erfolgt und somit der Ladevorgang der Fahrzeugbatterie immer noch eine beträchtliche Ladezeit benötigt oder die Geschwindigkeit des Ladevorgangs von dem Einhalten der Maximaltemperatur der Batterie begrenzt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges zu schaffen, bei der der Ladevorgang zur elektrischen Aufladung der Fahrzeugbatterie beschleunigt wird bzw. die erforderliche Ladezeit zum Laden der Fahrzeugbatterie reduziert wird. Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein System zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach ein System zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges, wobei die Fahrzeugbatterie mittels eines Fluids gekühlt wird, das in einem Kühlkreislauf des Fahrzeuges zirkuliert, welcher durch eine Steuerung derart gesteuert wird, dass die Fahrzeugbatterie bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll-Ladestarttemperatur vortemperiert ist, die für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie durch die Ladestation geeignet ist.
Das vortemperierte Fluid kann vollständig im Kühlkreislauf der Fahrzeugbatterie zirkulieren oder alternativ in einem Nebenkreis beigemischt werden.
Das erfindungsgemäße System führt zu einem schnelleren Ladevorgang bei einer Fahrzeugbatterie in einem Elektrofahrzeug, das die Abwärme mittels eines Fluids abführt und zwischenspeichert. Die gespeicherte Wärmemenge kann je nach
Betriebsprofil des Fahrzeuges und Außentemperatur zum Temperieren eines
Innenraums des Fahrzeuges genutzt werden, um damit die Reichweite des
Fahrzeuges trotz eines Betriebs einer Heizung für den Innenraum zu erweitern.
Alternativ kann die erzeugte Wärmemenge über den Betriebszeitraum an die
Umgebung des Fahrzeuges abgegeben werden, ohne die Reichweite des Fahrzeuges zu verringern.
Aufgrund der effizienten Möglichkeit die Abwärme der Fahrzeugbatterie aktiv abzuführen, empfiehlt sich eine thermisch isolierte Bauform der Fahrzeugbatterie. Dies ist insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen vorteilhaft, um die
Temperatur der Fahrzeugbatterie nicht unter eine gewünschte Temperatur fallen zu lassen und keine wertvolle elektrische Energie für einen Aufheizvorgang einsetzen zu müssen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ermittelt die Steuerung des Systems eine erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder verbleibende Wegstrecke des Fahrzeuges bis zum Erreichen der Ladestation und daraus resultierende zu erwartende Wärmeströme von Fahrzeugkomponenten des
Fahrzeuges bis zum Erreichen der Ladestation durch das Fahrzeug.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems berechnet die Steuerung die erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder die erwartete verbleibende Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation auf Grundlage von Navigationsdaten, welche eine Navigationseinheit des Fahrzeuges liefert, und/oder auf Grundlage von Fahrprofildaten des Fahrzeuges.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems werden die Fahrprofildaten des Fahrzeuges aufgezeichnet und in einem Datenspeicher des Systems periodisch gespeichert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems überwacht die Steuerung einen aktuellen Ladezustand und eine Betriebstemperatur der Fahrzeugbatterie.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems steuert die Steuerung den Kühlkreislauf und/oder eine an der Fahrzeugbatterie vorgesehene Batterieheizung im Hinblick auf die bis zum Erreichen der Ladestation zu erwartenden Wärmeströme derart an, dass die überwachte Betriebstemperatur der Fahrzeugbatterie bei Erreichen der Ladestation der Soll-Ladestarttemperatur entspricht.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist die Fahrzeugbatterie in einem thermisch isolierten Bauraum innerhalb des Fahrzeuges eingebaut, der mittels des innerhalb des Kühlkreislaufes zirkulierenden Fluids gekühlt wird. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist der Kühlkreislauf einen Tank zur Aufnahme einer vorgegebenen Menge des Fluids und eine durch die Steuerung steuerbare Pumpe zum Pumpen des Fluids durch den Bauraum der Fahrzeugbatterie auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Menge des Fluids innerhalb des Tanks die bei dem elektrischen
Ladevorgang der Fahrzeugbatterie anfallende Wärmemenge größtenteils aufnehmen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Menge des Fluids innerhalb des Bauraums zwischen den einzelnen
Batteriezellen frei dimensioniert werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird das in dem Tank des Kühlkreislaufes befindliche Fluid vor Beginn des elektrischen Ladevorganges auf eine niedrige Temperatur vorgekühlt und mit Beginn des elektrischen Ladevorganges mittels einer Pumpe durch den Bauraum der
Fahrzeugbatterie gepumpt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie entstehende Abwärme zur Temperierung eines Fahrgastraumes des Fahrzeuges und/oder sonstiger
Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges genutzt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie entstehende Abwärme über eine mit dem Kühlkreislauf gekoppelte Wärmepumpe in einen Wärmespeicher eines Hochtemperaturkreislaufes eines Antriebsstranges des Fahrzeuges
zwischengespeichert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist der Hochtemperaturkreislauf des Fahrzeuges eine durch die Steuerung steuerbare Pumpe zum Pumpen eines Fluids durch den Antriebsstrang und durch den Wärmespeicher sowie durch Heizeinrichtungen für einen Fahrgastraum des
Fahrzeuges oder für sonstige Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist die Menge des innerhalb des Kühlkreislaufes zirkulierenden Fluids derart bemessen, dass bei einer elektrischen Ladung der Fahrzeugbatterie von etwa 10 % seiner Batterieladekapazität bei Beginn des elektrischen Ladevorganges auf etwa 80 % seiner Batterieladekapazität am Ende des elektrischen Ladevorganges eine maximal zulässige Temperatur der Fahrzeugbatterie nicht erreicht wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems steuert die Steuerung zur Einstellung der von dem Kühlkreislauf erbrachten
Kühlleistung die Leistung einer in dem Kühlkreislauf enthaltenen Pumpe und/oder eines in einer Wärmepumpe enthaltenen Kompressors an.
Die Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Regeln einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges mit den in
Patentanspruch 15 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum Regeln einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges, wobei die Fahrzeugbatterie mittels eines Fluids gekühlt wird, das in einem Kühlkreislauf des Fahrzeuges zirkuliert, welcher derart gesteuert wird, dass die Fahrzeugbatterie bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll-Ladestarttemperatur vortemperiert wird, die für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie durch die Ladestation geeignet ist.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A ein Blockschaltbild zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges;
Fig. 1B eine Abwandlung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 1A, welches zusätzlich einen Nebenstromkreis zum Mischen des Fluides aus dem Batterierücklauf mit dem temperierten Fluid aus dem Tank zulässt;
Fig. 2 ein weiteres Blockschaltbild zur Darstellung einer möglichen
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise einer exemplarischen
Ausführungsform einer innerhalb des erfindungsgemäßen Systems verwendbaren Steuerung;
Fig. 4 Funktionsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des
erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines exemplarischen Anwendungsbeispiels.
Das in Fig. 1A dargestellte System (SYS) dient zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges. Bei dem in Fig. 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Fahrzeugbatterie 2 eines Fahrzeuges mit einem Kühlreservoir bzw. Tank 1 gekoppelt. Der in Fig. 1A
dargestellte Tank 1 bildet einen Aufnahmebehälter zur Aufnahme eines Fluids F. Dieses Fluid F wird mittels einer Pumpe 3 zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 2 innerhalb eines Kühlkreislaufes 21 gepumpt. Die Fahrzeugbatterie 2 wird mittels des Fluids F gekühlt, welches in dem Kühlkreislauf 21 des Fahrzeuges zirkuliert. Dabei wird der Kühlkreislauf 21 des Fahrzeuges durch eine Steuerung 18 des Systems SYS derart gesteuert, dass die Fahrzeugbatterie 2 bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll-Ladestarttemperatur T0 vortemperiert ist. Diese Soll-Ladestarttemperatur T0 ist für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 2 durch die Ladestation geeignet. Die Soll-Ladestarttemperatur T0 hängt von der elektrochemischen Zusammensetzung und von dem individuellen Aufbau der
Fahrzeugbatterie 2 des Fahrzeuges ab. Die Soll-Ladestarttemperatur T0 liegt bei einer möglichen Ausführungsform vorzugsweise bei etwa 20°C, beispielsweise bei 17°C. Bei dem in Fig. 1A dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Pumpe 3 durch eine Steuerung 18 des Systems SYS angesteuert. Bei der in Fig. 1A dargestellten
Ausführungsform kann die Steuerung 18 eine erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder eine verbleibende Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation und daraus resultierende zu erwartende Wärmeströme von Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges bis zum Erreichen der Ladestation durch das Fahrzeug ermitteln.
Bei dem in Fig. 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 18 mit einer Navigationseinheit 20 des Fahrzeuges verbunden. Bei einer möglichen
Ausführungsform berechnet die Steuerung 18 die erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder die erwartete verbleibende Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation auf Grundlage von Navigationsdaten und auf Grundlage von Fahrprofildaten des Fahrzeuges. Bei der in Fig. 1A dargestellten Ausführungsform liefert die
Navigationseinheit 20 Navigationsdaten an die Steuerung 18, auf deren Grundlage die erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder die erwartete verbleibende
Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation berechnet wird. Weiterhin können bei der Berechnung der verbleibenden Zeitdauer und/oder der zu erwartenden
verbleibenden Wegstrecke auch Fahrprofildaten des Fahrzeuges herangezogen werden. Diese Fahrprofildaten werden bei einer möglichen Ausführungsform aufgezeichnet und in einem Datenspeicher 19 periodisch gespeichert. Die Steuerung 18 kann bei der in Fig. 1A dargestellten Ausführungsform diese Fahrprofildaten auslesen, um sie bei der Berechnung der verbleibenden Zeitdauer und/oder der zu erwartenden verbleibenden Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation
mitzu berücksichtigen.
Bei einer möglichen Ausführungsform überwacht die Steuerung 18 den aktuellen Ladezustand (state of Charge) und eine Betriebstemperatur T der Fahrzeugbatterie 2. Die Steuerung 18 kann den Kühlkreislauf 21 im Hinblick auf die bis zum Erreichen der Ladestation zu erwartenden Wärmeströme bei einer möglichen Ausführungsform derart ansteuern, dass die von ihr überwachte Betriebstemperatur T der Fahrzeugbatterie 2 bei Erreichen der Ladestation der gewünschten Soll- Ladestarttemperatur T0 entspricht. Hierzu kann die Steuerung 18 bei einer weiteren möglichen Ausführungsform zusätzlich eine in der Fahrzeugbatterie 2 vorgesehene Batterieheizung 15, wie sie auch in Fig. 2 dargestellt ist, benutzen. Bei einer
möglichen Ausführungsform steuert somit die Steuerung 18 sowohl den Kühlkreislauf 21 zur Ansteuerung seiner Pumpe 3 als auch eine Batterieheizung 15 im Hinblick auf die bis zum Erreichen der Ladestation zu erwartenden Wärmeströme derart an, dass die von der Steuerung 18 überwachte Betriebstemperatur T der Fahrzeugbatterie 2 bei Erreichen der Ladestation der Soll-Ladestarttemperatur T0, beispielsweise einer Soll-Ladetemperatur T0 von etwa 20°C, entspricht.
Die Fahrzeugbatterie 2 kann sich bei einer möglichen Ausführungsform in einem thermisch isolierten Bauraum innerhalb des Fahrzeuges befinden, der mittels des innerhalb des Kühlkreislaufes 21 zirkulierenden Fluids F gekühlt wird. Wie in Fig. 1A erkennbar, weist der Kühlkreislauf 21 ein Kühlreservoir bzw. einen Tank 1 zur
Aufnahme einer vorgegebenen Menge des Fluids F auf sowie die durch die Steuerung 18 ansteuerbare Pumpe 3 zum Pumpen des Fluids F durch den Bauraum der
Fahrzeugbatterie 2. Die Menge m des Fluids F innerhalb des Tanks 1 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform derart bemessen, dass sie die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 2 anfallende Wärmemenge Q größtenteils aufnehmen kann. Die Dimensionierung der Menge m des Fluids F ist derart, dass die Fluidmenge m groß genug ist, um die Fahrzeugbatterie 2 des Fahrzeuges auch ohne eine externe Kühlung wirksam zu kühlen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das in dem Tank 1 des Kühlkreislaufes 21 befindliche Fluid F vor Beginn des elektrischen Ladevorganges durch das System SYS auf eine niedrige Temperatur vorgekühlt und mit Beginn des elektrischen Ladevorganges wird das Fluid F mittels der Pumpe 3 durch den Bauraum der Fahrzeugbatterie 2 gepumpt.
Um Zellen der Fahrzeugbatterie 2 zu Beginn des Ladevorgangs nicht zu stark abzukühlen, kann der erwärmte Rücklauf der Fahrzeugbatterie 2 dem Fluid F aus dem Tank 1 über ein steuerbares Mischventil 25 beigemischt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Beimischung ist, dass die minimale Temperatur für das Fluid F im Tank 1 deutlich niedriger gewählt werden kann und damit pro Gewichts-/Volumeneinheit mehr negative thermische Energie vorgehalten werden kann. Fig. 1B zeigt eine Ausführungsform mit einem Mischventil 25, das durch die Steuerung 18 steuerbar ist. Die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 2 entstehende Abwärme kann bei einer möglichen Ausführungsform zusätzlich zur Temperierung eines Fahrgastraumes und/oder sonstiger Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges genutzt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform wird die bei dem elektrischen
Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 2 entstehende Abwärme über eine mit dem Kühlkreislauf 21 gekoppelte Wärmepumpe in einen Wärmespeicher eines
Hochtemperaturkreislaufes 22 zwischengespeichert. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems SYS kann die Menge m des innerhalb des Kühlkreislaufes 21 zirkulierenden Fluids F derart bemessen sein, dass bei einer elektrischen Aufladung der Fahrzeugbatterie 2 von etwa 10 % seiner Batterieladekapazität bei Beginn des elektrischen Ladevorganges auf etwa 80 % seiner Batterieladekapazität am Ende des elektrischen Ladevorganges eine maximal zulässige Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 nicht erreicht wird. Zur Einstellung der von dem Kühlkreislauf 21 erbrachten Kühlleistung kann die Steuerung 18 die Leistung einer in dem Kühlkreislauf 21 enthaltenen Fluidpumpe 3 und/oder eines in einer Wärmepumpe enthaltenen Kompressors 5 ansteuern.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems SYS zur Regelung einer Ladetemperatur T einer
Fahrzeugbatterie 2 eines Fahrzeuges. Die Fahrzeugbatterie 2 befindet sich in dem Kühlkreislauf 21, der über mindestens ein Kühlreservoir bzw. mindestens einen Tank 1 zur Aufnahme eines Kühlfluids F verfügt. Die Fahrzeugbatterie 2 wird mittels des Fluids F gekühlt, das angetrieben durch die Pumpe 3 in dem Kühlkreislauf 21 des Fahrzeuges zirkuliert. Die in Fig. 2 dargestellte Steuerung 18 steuert beispielsweise durch Steuersignale CRTL unter anderem die Pumpe 3. Das in dem Kühlkreislauf 21 zirkulierende Fluid F wird durch die Steuerung 18 mithilfe der Pumpe 3 derart gesteuert, dass die Fahrzeugbatterie 2 bei Erreichen einer elektrischen Ladestation bereits auf eine Soll-Ladestarttemperatur To vortemperiert ist, die für einen
elektrischen Ladevorgang der betreffenden Fahrzeugbatterie 2 zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 2 durch die Ladestation besonders geeignet ist. Die
Fahrzeugbatterie 2 ist bei einer möglichen Ausführungsform in einem thermisch gut isolierten Bauraum innerhalb des Fahrzeuges eingebaut. Dieser Bauraum kann mittels des Fluids F gekühlt oder erwärmt werden. Das Kühlreservoir bzw. der Tank 1 enthält eine relativ große Menge an Fluid F. Dabei übersteigt die Menge m des in dem Tank 1 vorhandenen Fluids F bei weitem die Menge von Fluid, die in einem herkömmlichen Kühlkreislauf eines herkömmlichen Systems vorhanden ist. Beispielsweise übersteigt die Menge m des in dem Kühlkreislauf 21 zirkulierenden Fluids F die Menge eines in einem herkömmlichen Kühlkreislauf zirkulierenden Fluids um einen Faktor 10. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das in dem Kühlkreislauf 21 vorgesehene Fluid F eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fluid F durch eine Flüssigkeit mit einem hohen
spezifischen Wärmekoeffizienten gebildet, beispielsweise durch Wasser oder durch eine wässrige Alkohollösung. Die Flüssigkeit bzw. das Fluid F kann durch die Pumpe 3 über ein Leitungssystem durch die in dem Fahrzeug verbaute Fahrzeugbatterie 2 fließen, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem Fluid F und der Fahrzeugbatterie 2 erfolgt.
Die beim Laden der Fahrzeugbatterie 2 entstehende Wärmeleistung Pthermisch = Innenwiderstand R * Strom I2 erwärmt die Fahrzeugbatterie 2 entsprechend deren spezifischer Wärmekapazität und Masse.
Wird während des Ladevorganges ein Fluid F durch die Fahrzeugbatterie 2 zirkuliert, erhöht sich der Wert der spezifischen Wärmekapazität entsprechend um die
Wärmekapazität des Fluids F.
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Die thermische Energie, welche das System aufnehmen kann, ergibt sich somit aus der Wärmekapazität und der zulässigen Temperaturdifferenz sowie aus der während des elektrischen Ladevorganges an die Umwelt abgegebenen Energie. Sie erhöht sich, wenn das Fluid F und/oder die Fahrzeugbatterie 2 vor dem Ladevorgang aktiv herabgekühlt wird. Um die Leistung der Fahrzeugbatterie 2, die unter einer
gegebenen Temperatur stark abnimmt, nicht zu schwächen, wird das Fluid F vorzugsweise vorgekühlt, ohne die Fahrzeugbatterie 2 bereits zu durchströmen. Je nach aufzunehmender Abwärme kann die Fahrzeugbatterie 2 vor dem elektrischen Ladevorgang auf eine Temperatur gebracht werden, die am unteren Ende der für den Fährbetrieb des Fahrzeuges notwendigen Leistungsabgabe liegt.
Nach Anschließen der Fahrzeugbatterie 2 an die Ladestation wird mit dem Start des Ladevorganges das in dem Tank 1 befindliche vorgekühlte Fluid F aus dem Tank 1 durch die Fahrzeugbatterie 2 mithilfe der Pumpe 3 des Kühlkreislaufes 21 gesteuert durch die Steuerung 18 gepumpt. Die Fahrzeugbatterie 2 kann über ein elektrisches Ladekabel an eine externe Ladestation angeschlossen werden. Sobald der elektrische Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 2 beginnt, d.h., sobald ein elektrischer Ladestrom fließt, wird automatisch der Pumpvorgang durch die Pumpe 3 gestartet. Die in dem Kühlkreislauf 21 vorhandene Fluidmenge m des Fluids F wird vorzugsweise derart bemessen, dass bei einer elektrischen Ladung der Fahrzeugbatterie 2 von etwa 10 % ihrer Gesamtkapazität beim Start des Ladevorganges auf 80 % ihrer Gesamtkapazität am Ende des Ladevorganges die maximal zulässige Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 noch nicht ganz erreicht wird und somit noch eine Reserve für mögliche Spitzen im Fährbetrieb verbleibt.
In der in der Abwandlung gezeigten Bauform gemäß Fig. 1B wird das Fluid F kontinuierlich oder diskontinuierlich umgewälzt. Durch Öffnen oder Schließen des Mischventils 25 wird eine definierte Menge des kühleren Fluids F aus dem
Kühlreservoir 1 dem zirkulierenden Fluid F beigemischt und so die Solltemperatur für den Eintritt des Fluides F in die Fahrzeugbatterie 2 eingestellt.
Typischerweise liegt die durchschnittliche Last im Fährbetrieb deutlich unter der Last während der Schnellladung bzw. des Ladevorganges. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform erhält die Steuerung 18 Navigationsdaten von einer
Navigationseinheit 20 des Fahrzeuges und hat Zugriff auf Fahrprofildaten des
Fahrzeuges, die in einem Datenspeicher 19 zwischengespeichert sein können.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist der Kühlkreislauf 21 über eine Wärmepumpe 4 mit einem Hochtemperaturkreislauf 22 gekoppelt. Die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 2
entstehende Abwärme wird über die mit dem Kühlkreislauf 21 gekoppelte
Wärmepumpe 4 in einen Wärmespeicher 13 des Hochtemperaturkreislaufes 22 eines Antriebsstranges 9 des Fahrzeuges zwischengespeichert. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Wärmepumpe bzw. Kältemaschine 4 einen Kältekompressor 5 sowie einen Diffusor 6. Auf beiden Seiten verfügt die
Wärmepumpe 4 bzw. die Kältemaschine 4 über einen Wärmetauscher. Auf Seiten des Kühlkreislaufes 21 befindet sich ein Wärmetauscher 8 und auf Seiten des
Hochtemperaturkreislaufes 22 ein Wärmetauscher 7, wie in Fig. 2 dargestellt.
Innerhalb der Wärmepumpe 4 können steuerbare Ventile 23, 24 vorgesehen sein. Der Hochtemperaturkreislauf 22 des Fahrzeuges enthält eine durch die Steuerung 18 ansteuerbare Pumpe 12 zum Pumpen eines Fluids F durch den Antriebsstrang 9 des Elektrofahrzeuges sowie durch den Wärmespeicher 13 des
Hochtemperaturkreislaufes 22, wie in Fig. 2 dargestellt. Darüber hinaus wird das Fluid F' in dem Hochtemperaturkreislauf 22 durch Heizeinrichtungen für einen
Fahrgastraum des Fahrzeuges sowie für sonstige Fahrzeugkomponenten des
Fahrzeuges gepumpt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Hochtemperaturkreislauf 22 einen Kühler 10 sowie einen Lüfter 11 mit Kühlermotor, der mit dem Kühler 10 verbunden ist und das zirkulierende Fluid F' mithilfe von Umgebungsluft kühlt.
Weiterhin kann ein Schieber 17 vorgesehen sein zur Abluftsteuerung für den
Fahrgastinnenraum. Optional kann ein elektrischer Zusatzheizer 14 vorgesehen sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Weiterhin ist bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ein AC-Kühler 16 für die Klimatisierung des Fahrgastraumes vorgesehen, der an die Wärmepumpe 4 angeschlossen sein kann.
Bei einem elektrischen Schnellladevorgang der Fahrzeugbatterie 2 mit 200 kW
Gleichstromleistung und einer hohen Stromamplitude können innerhalb weniger Minuten mehr als 4 kWh thermische Energie entstehen. Ohne Temperatursenke oder aktive Kühlung würde dabei die Betriebstemperatur T einer Fahrzeugbatterie 2 mit beispielsweise einem Gewicht von mehr als 300 kg um ca. 20°C steigen und damit für die meisten Zelltypen über den zulässigen Bereich ansteigen. Eine Fahrzeugbatterie 2 mit ca. 40 kg zusätzlichem wässrigen Fluid F als Temperatursenke erwärmt sich um weniger als 25°C. Mit einer Starttemperatur von etwa 20°C, beispielsweise 17°C, erreicht die Fahrzeugbatterie 2 am Ende des elektrischen Ladevorganges eine
Betriebstemperatur T von weniger als 45°C, beispielsweise 40°C. Die in der
Temperatursenke gespeicherte Wärmeenergie in Höhe von ca. 3 bis 6 kWh kann über den prognostizierten Zeitraum mithilfe einer Wärmepumpe 4 genutzt werden, um so die Reichweite des Fahrzeuges, insbesondere in einer kälteren Umgebung, beispielsweise in einer kälteren Jahreszeit, deutlich zu verbessern. Müsste die Wärme aus einer elektrisch gespeicherten Energie erzeugt werden, würde dies ca. 15 % der nutzbaren Energie der Fahrzeugbatterie verbrauchen.
Besteht kein Wärmebedarf in der Fahrgastzelle des Fahrzeuges, kann die
Wärmeenergie über den Kühlkreislauf 21 während des Fährbetriebs des Fahrzeuges an die Umgebung abgegeben werden. Um die Kühlleistung zu erhöhen, kann die Wärmepumpe 4 mit ihrem Kompressor 5 und ihrem Diffusor 6 sowie den zwei Wärmetauschern 7, 8 eingesetzt werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn bereits ein weiterer Kühlkreislauf, nämlich der Hochtemperaturkühlkreislauf 22, mit eigenem Kühler 10, Lüfter 11 sowie Pumpe 12 für Inverter und Antriebsmotoren des Antriebsstranges 9 mit einem höheren Temperaturniveau vorgesehen bzw.
vorhanden ist.
Hierzu wird bei einer möglichen Ausführungsform ein Kältemittel über den
Kompressor 5 und den Diffusor 6 der Wärmepumpe 4 derart zirkuliert, dass das Fluid F seine Wärmeenergie abgibt und ein Wärmespeicher 13 des
Hochtemperaturkreislaufes 22 erwärmt wird. Die Wärmepumpe bzw. Kältemaschine 4 kann zudem für die Kühlung des Fahrgastraumes des Fahrzeuges mithilfe des AC- Kühlers 16 genutzt werden. Über die Ventile 23, 24 sowie den Kältekompressor 5 kann die Kälteleistung zwischen dem Fluid F und der Fahrzeugbatterie 2 als auch im Fahrgastraum des Fahrzeuges geregelt werden. Besteht Wärmebedarf in dem
Fahrgastraum, so kann die eingelagerte Wärmeenergie im Fährbetrieb für die Temperierung des Fahrgastraumes mitgenutzt werden. Idealerweise wird hierzu die Wärmepumpe 4 eingesetzt, um die Effizienz zu erhöhen und ein höheres
Temperaturniveau zu erreichen. Das System kann durch Zusatzheizungen 14, 15 ergänzt werden, falls die während des Ladevorganges eingelagerte Wärmeenergie nicht ausreicht, den Fahrgastraum vollständig zu temperieren oder die
Fahrzeugbatterie 2 droht, unter eine zulässige Mindesttemperatur abzukühlen.
Die Regelung des Systems SYS passt sich bei einer möglichen Ausführungsform den Bedürfnissen zur Temperierung der Fahrgastzelle und den Bedürfnissen zur
Vorbereitung des nächsten elektrischen Ladevorganges zum Aufladen der
Fahrzeugbatterie 2 an. Erreicht beispielsweise der Ladezustand der Fahrzeugbatterie 2, der beispielsweise durch die Steuerung 18 sensorisch überwacht wird, einen Mindeststand von beispielsweise unter 25 % der Batteriekapazität, so trifft das erfindungsgemäße System SYS Maßnahmen zur Vorbereitung eines bevorstehenden Schnellladevorganges zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 2. Neben dem
überwachten Ladezustand der Fahrzeugbatterie 2 können zudem Informationen bzw. Daten aus dem Navigationssystem bzw. der Navigationseinheit 20 berücksichtigt werden. Weiterhin kann die Entfernung des Fahrzeuges zu den in der Umgebung vorhandenen Ladestationen mitverarbeitet werden. Weiterhin können Informationen aus dem bisherigen Fahrverhalten des Nutzers berücksichtigt werden, um zusätzlich die durchschnittliche Leistungsabgabe bis zum Erreichen der Ladestation und bis zum Beginn des Ladevorganges abzuschätzen. Mit den zur Verfügung stehenden
Informationen bzw. Daten, welche die Navigationseinheit 20 liefert, sowie auf
Grundlage der Fahrprofildaten des Fahrzeuges, welche das Fahrverhalten des Nutzers des Fahrzeuges widerspiegeln, kann die erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder die erwartete verbleibende Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation durch eine Berechnungseinheit der Steuerung 18 berechnet werden. Mit diesen Informationen sowie der Ist-Temperatur bzw. Betriebstemperatur T der Fahrzeugbatterie 2 des in dem Tank 1 befindlichen Fluids F und der Ist-Temperatur der Umgebung wird bei einer möglichen Ausführungsform die voraussichtliche Temperatur der
Fahrzeugbatterie 2 beim Erreichen der Ladestation durch die Berechnungseinheit der Steuerung 18 berechnet. Durch aktives Kühlen des im Tank 1 befindlichen Fluids F sowie durch Steuerung des durch die Pumpe 3 erbrachten Pumpvolumens wird die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 und des Fluids F durch die Steuerung 18 auf eine optimale Soll-Ladestarttemperatur To beim Start des Schnellladevorganges gesenkt. Bei einer möglichen Ausführungsform können die Außentemperatur und das
Nutzungsverhalten des Fahrzeuges bei der Ermittlung des durchschnittlichen
Wärmebedarfs für den Fahrgastinnenraum mitberücksichtigt werden. Die
Navigationseinheit 20 kann Daten hinsichtlich der Erreichbarkeit naheliegender Ladestationen liefern. Ferner kann die Navigationseinheit 20 Daten hinsichtlich der noch zurückzulegenden Strecke zum Erreichen der Ladestation in Echtzeit liefern. Fahrprofildaten des Fahrers und/oder des Fahrzeuges können aus dem Datenspeicher 19 ausgelesen werden. Die Abwärme des Antriebsstranges 9, d.h. des Motors und des Inverters, sowie der Entladevorgang können bei einer möglichen Ausführungsform weitere Wärmemengen in Abhängigkeit von der durchschnittlichen
Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges liefern. Die zur Verfügung stehende
Wärmemenge kann mit dem Wärmebedarf abgeglichen werden. Ist die verfügbare Wärmemenge größer als der Wärmebedarf, kann diese über den Kühler und Lüfter 10 an die Umgebung abgegeben werden. Zusätzlich kann über die Wärmepumpe bzw. Kältemaschine 4 der Fahrgastraum und die Temperatursenke gekühlt werden. Ist demgegenüber der Wärmebedarf größer als die zur Verfügung stehende Wärmeenergie, so wird zunächst die eingelagerte Wärmeenergie der
Temperatursenke, insbesondere des Fluids F, und der Fahrzeugbatterie 2 genutzt, um mittels elektrischer Energie ergänzend heizen zu können.
Fig. 3 zeigt schematisch eine mögliche beispielhafte Implementierung einer
Steuerung 18 des erfindungsgemäßen Regelungssystems SYS. Fig. 3 zeigt einerseits die Eingangssignale, insbesondere Sensorsignale, und ausgangsseitig mögliche Steuersignale CRTL für Komponenten des Systems. Auf der Eingangsseite erhält die Steuerung 18 bei einer möglichen Ausführungsform beispielsweise die Ist- bzw.
Betriebstemperatur des Antriebsstranges 9, insbesondere des darin enthaltenen Elektromotors. Darüber hinaus wird eine Ist- und eine Soll-Temperatur des in dem Hochtemperaturkreislauf 22 zirkulierenden Fluids F erfasst und der Steuerung 18 gemeldet. Ein an die Steuerung 18 angeschlossener Sensor kann die
Umgebungstemperatur des Fahrzeuges messen. Weiterhin können in dem Innenraum bzw. Fahrgastraum des Fahrzeuges Temperatursensoren vorgesehen sein, die eine Ist-Temperatur des Innenraums liefern. Weiterhin hat ein Nutzer die Möglichkeit, über eine Einstelleinheit eine Soll-Temperatur des Innenraums einzustellen.
Die Steuerung 18 überwacht ferner sensorisch die Ist-Temperatur der
Fahrzeugbatterie 2. Darüber hinaus wird der Steuerung 18 der momentane
Ladezustand der Fahrzeugbatterie 2 gemeldet. Weiterhin erhält die Steuerung 18 zusätzlich Daten bzw. Informationen hinsichtlich der voraussichtlichen Zeit bis hin zum Start des elektrischen Ladevorganges der Fahrzeugbatterie 2. Weiterhin erhält die Steuerung 18 Temperaturdaten hinsichtlich der Temperatur des in dem
Kühlkreislauf 21 zirkulierenden Fluids F.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Steuerung 18 einen Komparator, welcher die Ist-Temperatur des in dem Hochtemperaturkreislauf 22 zirkulierenden Fluids F mit einer einstellbaren Soll-Temperatur vergleicht. In
Abhängigkeit von der Temperaturabweichung kann die Pumpe 12 des
Hochtemperaturkreislaufes 22 und der Kühlermotor 11 durch die Steuerung 18 angesteuert werden. Weiterhin kann die Steuerung 18 einen Komparator enthalten, welcher die gemessene Innenraumtemperatur mit der gemessenen Soll-Temperatur vergleicht und in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz den Innenraum des Fahrzeuges heizt oder kühlt. Zum Heizen bzw. Kühlen des Innenraumes kann der AC-Kühler 16, der elektrische Zusatzheizer 14, der Schieber 17 und/oder das Ventil 23 der
Kühlpumpe 24 durch die Steuerung 18 angesteuert werden. Weiterhin ist es möglich, den Kompressor 5 der Wärmepumpe 4 bzw. Kältemaschine 4 anzusteuern.
Weiterhin kann die Steuerung 18 den momentanen Ladezustand der
Fahrzeugbatterie 2 und die voraussichtlich verbleibende Zeit bis zum Beginn des elektrischen Ladevorganges auswerten, um eine Soll-Betriebstemperatur T der Fahrzeugbatterie 2 zu ermitteln. Diese Soll-Temperatur T der Fahrzeugbatterie 2 wird mit der gemessenen momentanen Fahrzeugbatterie 2 durch die Steuerung 18 verglichen, um festzustellen, ob die Fahrzeugbatterie 2 aufgeheizt oder gekühlt werden muss. Die Fahrzeugbatterie 2 wird durch die Steuerung 18 derart
vortemperiert, dass sie bei Erreichen der Ladestation auf eine bestimmte Soll- Ladestarttemperatur T0 vortemperiert ist. Diese Soll-Ladestarttemperatur T0 ist je nach Aufbau und chemischer Zusammensetzung der Fahrzeugbatterie 2 besonders für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 2 durch die Ladestation besonders geeignet. Beispielsweise liegt die Soll-Ladestarttemperatur T0 bei etwa 20°C. Um diese Soll-Ladestarttemperatur T0 zu erreichen, wird bei einer möglichen Ausführungsform durch die Steuerung 18 das zweite Ventil 24 der
Wärmepumpe bzw. der Kältemaschine 4 und/oder die Pumpe 3 des Kühlkreislaufes 21 zum Erreichen der Soll-Ladestarttemperatur To angesteuert. Weiterhin kann bei einer möglichen Ausführungsform durch die Steuerung 18 die elektrische
Fahrzeugbatterie-Heizung 15 aktiviert werden, um die Soll-Ladestarttemperatur To noch rechtzeitig beim Erreichen der Ladestation zu erreichen, insbesondere wenn die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 und/oder die Temperatur des Fluids F innerhalb des Kühlkreislaufes 21 deutlich niedriger ist als die zu erreichende Soll- Ladestarttemperatur T0.
Die Steuerung 18 des Systems SYS führt eine Regelung durch, um den elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 2 zu beschleunigen und/oder die Reichweite des Fahrzeuges mittels der Temperatursenke zu optimieren. Die zu erwartende Zeit bis zum elektrischen Schnellladevorgang kann aus dem Fahrprofil und/oder den
Navigationsdaten ermittelt werden. Die Wärmeströme werden beispielsweise aus der Ist-Temperatur der Komponenten und deren Wärmekapazität ermittelt. Weiterhin kann zur Ermittlung der Wärmeströme die Abwärme des Antriebsstranges 9 sowie der Wärmebedarf des Innenraumes berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann die mögliche Kühlleistung in die Umgebung zur Ermittlung der Wärmeströme
herangezogen werden.
Die Regelung kann ein Temperaturzeitprofil der Fahrzeugbatterie 2 bei optimaler Schonung der Fahrzeugreichweite ermitteln bzw. berechnen. An der Fahrzeugbatterie 2 kann bei einer möglichen Ausführungsform ein Temperatursensor vorgesehen sein. Sinkt die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 unter einen zulässigen Wert, wird bei einer möglichen Ausführungsvariante ein Warnsignal generiert. Weiterhin wird bei Absinken der Temperatur der Batterie 2 unterhalb eines Schwellenwertes die elektrische Zusatzheizung für die Fahrzeugbatterie 2 eingeschaltet bzw. aktiviert. Zusätzliche elektrische Verbrauchseinheiten können bei einer möglichen
Ausführungsform der Steuerung 18 zur Reichweitenberechnung gemeldet werden.
Steigt die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 über einen zulässigen kritischen
Temperaturwert, kann bei einer möglichen Ausführungsform durch die Steuerung 18 ebenfalls ein Warnsignal generiert werden, welches beispielsweise den Fahrer des Fahrzeuges dazu auffordert, das Fahrzeug zu parken. Zudem können bei Ansteigen auf den zulässigen kritischen Temperaturwert automatisch alle nicht notwendigen elektrischen Verbraucher durch die Steuerung 18 abgeschaltet werden und eine maximale Kühlung der Fahrzeugbatterie 2 eingeleitet werden.
Steigt die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 über einen gewünschten Sollwert, der jedoch noch unkritisch ist, wird bei einer möglichen Ausführungsform die
Kühlleistung in dem Kühlkreislauf bzw. Niedertemperaturkreislauf 21 durch die Steuerung 18 gesteigert. Hierzu kann die Pumpleistung der angesteuerten Pumpe 3 erhöht werden und gleichzeitig der Kompressor 5 der Kältemaschine bzw.
Wärmepumpe 4 derart gesteuert werden, dass er mehr Leistung liefert. Weiterhin wird das Ventil 24 der Wärmepumpe bzw. Kältemaschine 4 geöffnet. Wenn die Kühlleistung nicht ausreicht, wird zudem das Ventil 23 durch die Steuerung 18 gedrosselt. Falls der Hochtemperaturkreislauf 22 überhitzt, kann die Leistung des Ventilators 11 und der Pumpe 12 gesteigert werden. Sinkt die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 unter den gewünschten Sollwert, ist jedoch unkritisch, wird die Pumpleistung der Pumpe 3 durch die Steuerung 18 vermindert. Wird Kühlleistung im Innenraum benötigt, kann zudem das Ventil 23 geöffnet werden. Gleichzeitig wird das Ventil 24 durch die Steuerung 18 gedrosselt. Darüber hinaus kann der Kompressor 5 auf weniger Leistung geschaltet werden.
Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln einer Ladetemperatur einer
Fahrzeugbatterie 2 eines Fahrzeuges gemäß der Erfindung. In dem dargestellten Beispiel hat die Fahrzeugbatterie 2 zum Zeitpunkt 6:00 Uhr (beispielsweise zu Beginn einer Arbeitsschicht) einen Ladezustand SOC von etwa 30 kWh. Die in der
Fahrzeugbatterie 2 gespeicherte Ladung nimmt bei einer Fahrt des Fahrzeuges hin zu einem Verteilgebiet der Dienstleistung zunächst schnell ab, da die Fahrt zum
Verteilgebiet bzw. Zielgebiet der Dienstleistung zügig erfolgt und zusätzliche elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Heizung, mehr elektrische Energie benötigen. Beim Erreichen des Verteilgebietes, beispielsweise des Einsatzgebietes eines Taxis, flacht der elektrische Verbrauch etwas ab, wie in Fig. 4 dargestellt, da das Fahrzeug während der Dienstleistungserbringung entweder parkt oder sich im
Straßenverkehr einer Großstadt nur langsam fortbewegt.
Die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 steigt wie in Fig. 4 dargestellt aufgrund des hohen elektrischen Verbrauchs während der Anfahrt zum Verteilgebiet zunächst von 35°C auf 40°C an. Im Verteilgebiet kann die Heizung die Restwärme der
Fahrzeugbatterie 2 ausnutzen, um z.B. mittels der Wärmepumpe 4 den Innenraum des Fahrzeuges zu heizen. Die Abwärme aus dem Antriebsstrang 9 reicht während der Dienstleistungsphase nicht aus, um den Wärmebedarf vollständig zu decken.
Das System SYS zur Regelung der Ladetemperatur der Fahrzeugbatterie 2 erkennt bei dem dargestellten Anwendungsbeispiel, dass spätestens um 10:00 Uhr vormittags ein Ladevorgang zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 2 ansteht. Bei einer Ladeleistung von 200 kW und einem Energievolumen von beispielsweise 35 kWh wird sich die Fahrzeugbatterie 2 inklusive des in der Temperatursenke befindlichen Fluids F bei dem dargestellten Beispiel um 20 bis 25°C erwärmen. Um einen optimalen Ladevorgang sicherzustellen, wird die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 durch die Steuerung 18 derart gesteuert, dass sie um 10:00 vormittags, d.h. zum erwarteten Beginn des elektrischen Ladevorganges, eine gewünschte Soll-Ladestarttemperatur T0 von beispielsweise 17°C erreichen wird. Die Abwärme wird, soweit gewünscht, dem Innenraum des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt. Benötigt der Innenraum
momentan keine Wärme, so kann die Abwärme über die Wärmepumpe 4 an den Hochtemperaturkreislauf 22 abgegeben werden.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel erreicht die Fahrzeugbatterie 2 um etwa 10:00 Uhr vormittags einen Ladezustand von etwa 5 kWh und kann schnell aufgeladen werden. Hierzu erwärmt sich die Fahrzeugbatterie 2 und das Fluid F der
Temperatursenke bzw. des Kühlkreislaufes 21 um etwa 23°C auf 40°C in dem dargestellten Beispiel. Da sich die Fluidmenge m des Fluids F durch Dimensionierung des Tankvolumens des Tanks 1 relativ einfach justieren lässt, lassen sich individuelle Wärmekapazitäten für die Batterietemperatursenke-Einheit relativ einfach einstellen.
Nach einer etwa 15-minütigen Ladepause, in der die Fahrzeugbatterie 2 an der Ladestation elektrisch aufgeladen wird, kann der Logistikdienst beispielsweise um 10:15 Uhr wieder aufgenommen werden. In diesem Beispiel reicht ein weiterer Schnellladevorgang zum Schichtende aus, um das Fahrzeug wieder betriebsbereit und aufgeladen an einen anderen Kollegen des Logistikdienstes, beispielsweise Taxidienstes, abgeben zu können.
Mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren wird mittels einer
Temperatursenke die Reichweite des Fahrzeuges optimiert und der Ladevorgang zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 2 beschleunigt, beispielsweise auf eine Ladezeit von weniger als 15 Minuten. Die verschiedenen Parameter des Regelungssystems hängen einerseits von den strukturellen und chemischen Eigenschaften der Fahrzeugbatterie 2 und andererseits von justierbaren Sollwerten ab. Beispielsweise kann die
Fahrzeugbatterie 2 für den urbanen Stadtbetrieb eine Batteriekapazität von 40 kWh besitzen. Die nutzbare Kapazität in einem Bereich von 10 bis 80 % beträgt dabei beispielsweise 28 kWh. Die Fahrzeugbatterie 2 kann bei einer Spannung von 300 V betrieben werden und eine Masse pro Kilowattstunde von 9,5 kg pro Kilowattstunden aufweisen. Der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie 2 kann ebenfalls je nach Batterietyp differieren und weist beispielsweise einen internen Widerstand von etwa 70 mOhm auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform beträgt die gewünschte Soll- Ladestarttemperatur T0 zum Beginn des Ladevorganges etwa 20°C, beispielsweise 17°C, wie in dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel. Die Temperatur am Ende des
Ladevorganges beträgt beispielsweise vorzugsweise etwa 50°C. Die Entlade- und Ladeleistung der Fahrzeugbatterie 2 kann je nach Typ der Batterie variieren.
Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Entladeleistung 6,25 kW und die durchschnittliche Ladeleistung 200 kW. Auch der Lade- und Entladestrom kann von Typ zu Typ unterschiedlich sein. Bei einer möglichen Ausführungsform beträgt der durchschnittliche Ladestrom 667 Ampere und der durchschnittliche Entladestrom 21 Ampere.
Die Wärmekapazität beträgt beispielsweise für die Batteriezellen 0,18 Wh/kg*K bei einer möglichen Masse von 380 kg. Die Wärmekapazität des Kühlfluids, insbesondere Wasser, beträgt beispielsweise 1,16 Wh/kg*K bei einer Masse von beispielsweise etwa 30 kg. Die Wärmekapazität des Aluminiums beträgt bei einer Masse von 76 kg beispielsweise 0,24 Wh/kg*K. Die Gesamtmasse liegt somit bei einer möglichen Ausführungsform bei etwa 486 kg.
Die Temperaturdifferenz zum Laden der Fahrzeugbatterie 2 pro Stunde beträgt bei einer möglichen Ausführungsform 248 K/h. die benötigte Ladezeit zum Aufladen von 10 % auf 80 % der Batteriekapazität beträgt bei einer möglichen Ausführungsform 0,14 h. Die Temperaturdifferenz, die beim Aufladen der Fahrzeugbatterie 2
hervorgerufen wird, beträgt beispielsweise etwa 35 K. Die gesamte speicherbare thermische Energie beträgt bei einer möglichen Ausführungsvariante etwa 4,4 kWh.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Regelungssystems sind möglich. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Volumen des Kühlreservoirs bzw. des Tanks 1 zur Verwendung von verschiedenen Fahrzeugbatterietypen der Fahrzeugbatterie 2 veränderbar. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante ist der Kühlreservoirbehälter bzw. der Tank 1 innerhalb des Kühlkreislaufes 21 für verschiedene Anwendungsfälle, insbesondere verschiedene Fahrzeugbatterietypen der Fahrzeugbatterie 2 und/oder des Elektrofahrzeuges, austauschbar und/oder dessen Volumen einstellbar. In einer weiteren Ausführungsform ist die Batterie so gestaltet, dass das Fluid vollständig zwischen den Zellen der Batterie eingelagert werden kann. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform liefert die Steuerung 18 über ein Nutzerinterface bzw. eine Nutzerschnittschnelle zusätzliche Informationen an den Fahrer des Fahrzeuges. Beispielsweise erhält der Fahrer Informationen
hinsichtlich der noch zu verbleibenden Wegstrecke und der zu erwartenden verbleibenden Zeitdauer bis zum Erreichen der Ladestation. Darüber hinaus kann dem Fahrer bzw. Nutzer ein Temperatur- und/oder Ladeprofil angezeigt werden, wie es beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Berechnungseinheit der Steuerung 18 verschiedene mögliche erreichbare Ladestationen im Stadtgebiet ermitteln und eine geeignetste Ladestation selektieren, die mit einem Dienstplan und/oder einem Übergabezeitpunkt korrespondieren. Der Dienstleistungsplan bzw. Schichtplan kann bei dieser Ausführungsform einen Soll-Zeitpunkt vorgeben, zu dem eine Ladestation erreicht werden soll. Beim Erreichen der Ladestation soll zudem die Temperatur der Fahrzeugbatterie 2 einer bestimmten Soll-Ladestarttemperatur T0 entsprechen. Das erfindungsgemäße System und Verfahren eignet sich zur Regelung der Ladetemperatur beliebiger Fahrzeugbatterien von Elektrofahrzeugen. Bei diesen Elektrofahrzeugen handelt es sich um Elektrofahrzeuge, die im Straßenverkehr eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße System eignet sich insbesondere für Fahrzeuge, die im Bereich der Logistik oder bei der Erbringung von
Transportdienstleistungen eingesetzt werden. Bei den Fahrzeugen kann es sich neben Straßenfahrzeugen auch um elektrisch betriebene Wasserfahrzeuge handeln. Bei dem Kühlfluid F handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser. Alternativ kann zur Kühlung auch ein kühlendes Gas oder Gasgemisch eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. System zur Regelung einer Ladetemperatur (T) einer Fahrzeugbatterie (2) eines Fahrzeuges,
wobei die Fahrzeugbatterie (2) mittels eines Fluids (F) gekühlt wird, das in einem Kühlkreislauf (21) des Fahrzeuges zirkuliert,
welcher durch eine Steuerung (18) derart gesteuert wird, dass die
Fahrzeugbatterie (2) bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll- Ladestarttemperatur (T0) vortemperiert ist, die für einen elektrischen
Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie (2) durch die Ladestation geeignet ist.
2. System nach Anspruch 1,
wobei die Steuerung (18) eine erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder verbleibende Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation und daraus resultierende zu erwartende Wärmeströme von Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges bis zum Erreichen der Ladestation durch das Fahrzeug ermittelt.
3. System nach Anspruch 2,
wobei die Steuerung (18) die erwartete verbleibende Zeitdauer und/oder die erwartete verbleibende Wegstrecke bis zum Erreichen der Ladestation auf Grundlage von Navigationsdaten, welche eine Navigationseinheit (20) des Fahrzeuges liefert, und auf Grundlage von Fahrprofildaten des Fahrzeuges berechnet.
4. System nach Anspruch 3,
wobei die Fahrprofildaten des Fahrzeuges aufgezeichnet und in einem
Datenspeicher (19) periodisch gespeichert werden.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Steuerung (18) einen aktuellen Ladezustand und eine
Betriebstemperatur der Fahrzeugbatterie (2) überwacht.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 5,
wobei die Steuerung (18) den Kühlkreislauf (21) und/oder eine an der
Fahrzeugbatterie (2) vorgesehene Batterieheizung (15) im Hinblick auf die bis zum Erreichen der Ladestation zu erwartenden Wärmeströme derart ansteuert, dass die überwachte Betriebstemperatur der Fahrzeugbatterie (2) bei Erreichen der Ladestation der Soll-Ladestarttemperatur (T0) entspricht.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Fahrzeugbatterie (2) in einem thermisch isolierten Bauraum innerhalb des Fahrzeuges eingebaut ist, der mittels des innerhalb des
Kühlkreislaufes (21) zirkulierenden Fluids (F) gekühlt wird.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7,
wobei der Kühlkreislauf (21) einen Tank (1) zur Aufnahme einer vorgegebenen Menge des Fluids (F) und eine durch die Steuerung (18) steuerbare Pumpe (3) zum Pumpen des Fluids (F) durch einen Bauraum der Fahrzeugbatterie (2) aufweist,
wobei die Menge des Fluids (F) innerhalb des Tanks (1) die bei dem
elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie (2) anfallende Wärmeenergie anteilig aufnehmen kann.
9. System nach Anspruch 8,
wobei das in dem Tank (1) des Kühlkreislaufes (21) befindliche Fluid (F) vor Beginn des elektrischen Ladevorganges auf eine niedrige Temperatur vorgekühlt wird und mit Beginn des elektrischen Ladevorganges mittels der Pumpe (3) durch den Bauraum der Fahrzeugbatterie (2) gepumpt wird.
10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8,
wobei ein erwärmter Rücklauf aus der Fahrzeugbatterie (2) dem aus dem Tank (1) herausfließenden Fluid (F) über ein steuerbares Mischventil (25)
beimischbar ist.
11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10,
wobei die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie (2) entstehende Abwärme zur Temperierung eines Fahrgastraumes und/oder sonstiger Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges genutzt wird.
12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11,
wobei die bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie (2) entstehende Abwärme über eine mit dem Kühlkreislauf (21) gekoppelte Wärmepumpe (4) in einen Wärmespeicher (13) eines
Hochtemperaturkreislaufes (22) eines Antriebsstranges (9) des Fahrzeuges zwischengespeichert wird.
13. System nach Anspruch 12,
wobei der Hochtemperaturkreislauf (22) des Fahrzeuges eine durch die Steuerung (18) steuerbare Pumpe (12) zum Pumpen eines Fluids (F) durch den Antriebsstrang (9) und durch den Wärmespeicher (13) sowie durch
Heizeinrichtungen für einen Fahrgastraum des Fahrzeuges oder für sonstige Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges aufweist.
14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13,
wobei eine Menge des innerhalb des Kühlkreislaufes (21) zirkulierenden Fluids (F) derart bemessen ist, dass bei einer elektrischen Ladung der
Fahrzeugbatterie (2) von 10 % seiner Batterieladekapazität bei Beginn des elektrischen Ladevorganges auf 80 % seiner Batterieladekapazität am Ende des elektrischen Ladevorganges eine maximal zulässige Temperatur (Tmax) der Fahrzeugbatterie (2) nicht erreicht wird.
15. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14,
wobei die Steuerung (18) zur Einstellung der von dem Kühlkreislauf (21) erbrachten Kühlleistung die Leistung einer in dem Kühlkreislauf (21) enthaltenen Pumpe (3) und/oder eines in einer Wärmepumpe (4) enthaltenen Kompressors (5) ansteuert.
16. Verfahren zum Regeln einer Ladetemperatur (T) einer Fahrzeugbatterie (2) eines Fahrzeuges,
wobei die Fahrzeugbatterie (2) mittels eines Fluids (F) gekühlt wird, das in einem Kühlkreislauf (21) des Fahrzeuges zirkuliert, welcher derart gesteuert wird, dass die Fahrzeugbatterie (2) bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll-Ladestarttemperatur (T0) vortemperiert wird, die für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie (2) durch die Ladestation geeignet ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
wobei das in einem Tank (1) des Kühlkreislaufs (21) befindliche Fluid (F) vor Beginn des elektrischen Ladevorganges auf eine niedrige Temperatur vorgekühlt wird und mit Beginn des elektrischen Ladevorganges mittels einer Pumpe (3) durch einen Bauraum der Fahrzeugbatterie (2) gepumpt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
wobei eine bei dem elektrischen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie (2) entstehende Abwärme über eine mit dem Kühlkreislauf (21) gekoppelte Wärmepumpe (4) in einen Wärmespeicher (13) eines
Hochtemperaturkreislaufes (22) eines Antriebsstranges (9) des Fahrzeuges zwischengespeichert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
wobei der Hochtemperaturkreislauf (22) eine Pumpe (12) aufweist, die Fluid (F) durch den Antriebsstrang (9) und den Wärmespeicher (13) sowie durch Heizeinrichtungen für einen Fahrgastraum des Fahrzeuges oder für sonstige Fahrzeugkomponenten des Fahrzeuges pumpt.
20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 19, wobei ein erwärmter Rücklauf aus der Fahrzeugbatterie (2) dem aus dem Tank (1) herausfließenden Fluid (F) über ein steuerbares Mischventil (25)
beigemischt wird.
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