DE102007004979A1

DE102007004979A1 - Vorrichtung zur Kühlung einer Hybridfahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102007004979A1
Application number: DE200710004979
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Eichberger (FH); Klaus Dipl.-Ing. Harm; Jutta Dipl.-Ing. Schmidtke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Vorrichtung (10) zur Kühlung beziehungsweise Temperierung einer Batterie (2) in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV-Fahrzeug) mit Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb mit einem Niedertemperatur-(NT)-Kühlkreislauf (3) des Fahrzeugs, welcher mindestens mit einem Verdampfer (5), einem Verdichter (6), einem Kondensator (7) und einem Kühler (8) versehen ist, an welchen die Batterie (2) über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf (4) verdampferseitig zur Kühlung der Batterie (2) über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) angebunden ist, wobei zwischen dem Kältekreislauf (4) und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) ein erweiterter Kältekreislauf (1) mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (1) mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) und die Batterie (2) kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie (2) bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie (2) in einem Kühlungsmodus und/oder zur Zufuhr von Wärme an die Batterie zur Vorwärmung der Batterie in einem Vorwärmungsmodus (beziehungsweise Kaltstart) der Batterie (2) miteinander thermisch koppelbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Beeinflussung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV-Fahrzeug). Um die Lebensdauer von Batterien in Hybridfahrzeugen zu erhöhen oder um anderen Wärmequellen mit einer aktiven Kühlung in Kraftfahrzeugen zu begegnen, ist es bekannt, die jeweilige Wärmequelle mit einer Kühlvorrichtung zu kühlen, die über einen Kühlmittelkreislauf gespeist wird. Ferner ist es bekannt, die Kühlung solcher Hybridfahrzeug-Batterien über einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeugs zu koppeln, indem ein Kältekreislauf, in dem die Wärmequelle eingeschlossen ist, an den Kühlkreislauf angeschlossen wird. Ziel all dieser Bemühungen ist es, die Lebensdauer der HV-Batterie zu erhöhen, welche bei erhöhter Betriebstemperatur stark abnimmt. Es ist erstrebenswert, dass der Schwankungsbereich der Temperatur der Batterie nur in bestimmten Grenzen gehalten wird.
Zu diesem Zweck wurden im Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen und Kühlsysteme vorgeschlagen: In der DE 44 08 960 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug offenbart, bei welcher ein Kühlaggregat über einen Wärmetauscher mit einem Batteriekühlkreis gekop gelt ist. Im Bodenbereich der Batterie ist eine Kühlschlange vorgesehen, sodass die Batterie mittels der thermischen Kopplung mit dem luftgekühlten Wärmetauscher gekühlt werden kann. Ziel bei dieser Vorrichtung ist es, eine zuverlässige Batteriekühlung bei möglichst einfacher Konstruktion der Vorrichtung auch bei hohen Umgebungstemperaturen zu erlauben.
Bei einem anderen bekannten Fahrzeug-Kühlsystem nach der DE 101 28 164 A1 wird ein Kältekreislauf mitsamt der Klimaanlage eines Fahrzeugs über einen Wärmetauscher mit einem separaten Kühlkreislauf für ein temperaturerhöhendes Element im Fahrzeug, wie zum Beispiel eine Fahrbatterie oder Brennstoffzelle, vorgeschlagen. Der Kühlkreislauf der zu kühlenden Batterie ist über einen Wärmetauscher mit dem Kältekreislauf des Fahrzeugs und der Klimaanlage gekoppelt. Die Vorrichtung erlaubt somit eine Ableitung von deutlich höheren Wärmemengen. Dieses Kühlsystem funktioniert jedoch nur bei bestimmten Temperaturbedingungen und hat zudem den Nachteil, dass die Funktion der Klimaanlage und damit die Klimatisierung des Fahrzeuginnern bei bestimmten Situationen beeinträchtigt sein können.
Das in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 035 879 A1 beschriebene Kühlsystem zur Kühlung einer Wärmequelle in einem Fahrzeug verwendet eine relativ aufwendige Steuerung zur optimalen Ausnutzung von Kühlenergie. Das Problem einer höheren Kühlenergieeffizienz wird hier dadurch gelöst, indem ein Mittel zur Steuerung des Kühlmittelstroms im Kühlkreislauf des Fahrzeugs vorgesehen wird, über welches die verschiedenen Kühlmittelströme des Kühlungssystems je nach Bedarf teilweise oder vollständig an dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager vorbeigeleitet werden können. Die Steuerung bestehend aus zwei Steuerventilen und einer extra Bypassleitung ist relativ aufwendig zu realisieren und bei bestimmten Temperaturbereichen kann es auch hier zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Kühlung der Wärmequelle kommen.
Eine weitere bekannte Kühlvorrichtung für eine Batterie eines Hybridfahrzeugs unter Ausnutzung der Wärmesenke eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs ist in der 1 der beigefügten Zeichnung gezeigt: Der Kältekreislauf 4 in dieser bekannten Kühlvorrichtung weist insbesondere einen Verdampfer 5, einen Verdichter 6, einen Kondensator und einen Kühler 8 auf, die unter Zwischenschaltung eines Expansionsventils 19 über entsprechende Leitungen miteinander gekoppelt sind. Dieser Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 dient zur Kühlung des Verbrennungsmotors 22, der bei diesem Beispiel als ein so genannter Hybridmotor beziehungsweise Mild-Hybridmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 22 ist über einen elektrischen Generator/Starter 24 mit dem Getriebe 23 gekoppelt. Bei Nichtausnutzung der von dem Verbrennungsmotor 22 erzeugten Energie, wird diese über den Generator 24 in elektrische Energie umgewandelt und in einer Hybrid-Batterie 2 (HV-Batterie) gespeichert. Von der Batterie 2 ist die Energie im Bedarfsfall und bei bestimmten Fahrsituationen wieder abrufbar. Die Batterie 2 ist somit eine so genannte Traktionsbatterie, über welche mittels Zusammenwirken mit einem elektrischen Motor das Fahrzeug angetrieben werden kann. Die Kühlungsvorrichtung ist bei dieser bekannten Ausgestaltung auf der Saugseite vor dem Verdampfer 5 mit einer Abzweigungsleitung versehen, die über einen Wärmetauscher im unteren Bereich der Batterie 2 und ein vorgeschaltetes Absperrventil 14 sowie eine Fix-Drossel 15 geleitet wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Hybridfahrzeug(HV)-Batterie 2 mit einer aktiven Kühlung durch Einbindung der Batterie 2 in den Kältekreislauf 4 zu kühlen. Der Abgang von dem Kältekreislauf 4 zu der Batterie 2 erfolgt vor einem Expansionsventil, wobei die Rückführung des Kältemittels nach der Batterie 2 saugseitig nach dem Expansionsventil 19, jedoch vor dem Verdampfer 5, erfolgt. Dieses Kühlungssystem nach dem Stand der Technik hat sich grundsätzlich bewährt. Die Batterie 2 ist immer mit dem Kältekreislauf beziehungsweise A/C-Kreislauf 4 des Fahrzeugs gekoppelt. Jedoch besteht im Kältekreislaufbetrieb bei Temperaturen von weniger als in etwa –2°C die Gefahr einer Vereisung des Verdampfers 5 und damit eines Scheibenbeschlags im Innern des Fahrzeugs. Bei einem solchen niedrigen Temperaturbereich kann daher in der Regel kein Hybridbetrieb des Fahrzeugs genutzt werden, sobald die Batterie 2 ihre maximal zulässige Betriebstemperatur erreicht beziehungsweise überschritten hat. Dies führt zu einer schlechten Gesamtenergieeffizienzbilanz des Fahrzeugs. Wenn der Elektro-Betrieb nicht nutzbar ist, steigt dementsprechend der Energieverbrauch des Fahrzeugs insgesamt. Während dieses bekannte Kühlungssystem bei Temperaturen oberhalb von in etwa –2°C ohne weiteres funktioniert, besteht jedoch unterhalb dieser Temperaturschwelle ein beträchtliches Vereisungsproblem oder es tritt ein schädlicher Scheibenbeschlag im Innern des Fahrzeugs auf. Der verbrauchsgarende Hybridbetrieb ist in diesem Zustand dann nicht möglich. Eine sichere und effiziente Kühlung der Hybridfahrzeug-Batterie 2 ist damit nicht in jeder Situation gegeben.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung beziehungsweise zur Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen, mittels welchem auch bei kühlerer Witterung und niedrigeren Außentemperaturen eine effiziente Ableitung der Betriebswärme seitens der Batterie eines Hybridfahrzeugs oder ähnlicher Wärmequellen ermöglicht wird. Ferner soll mittels der Vorrichtung zur thermischen Beeinflussung der Hybrid-Batterie nach der Erfindung eine flexiblere und optimiertere Temperierung der Batterie in unterschiedlichen Betriebssituationen des Fahrzeugs realisierbar sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Kühlung beziehungsweise Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs, nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, insbesondere zur Kühlung einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs oder HV-Fahrzeugs, mit einem Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb, wobei die Vorrichtung einen Niedertemperatur(NT)-Kühlkreislauf aufweist, welcher mindestens mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Kondensator und einem Kühler versehen ist, an welchen die Batterie über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf verdampferseitig zur Kühlung der Batterie über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf angebunden ist, wobei erfindungsgemäß zwischen dem Kältekreislauf und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf ein erweiterter Kältekreislauf mit einem zusätzlichen Wärmetauscher vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf und die Batterie kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie und/oder zur Zufuhr von Wärme zur Vorwärmung in einem Vorwärmmodus (beziehungsweise beim Kaltstart) der Batterie miteinander thermisch koppelbar sind. Durch den bei Bedarf zuschaltbaren erweiterten Kältekreislauf mit einem zusätzlichen Wärmetauscher nach der Erfindung kann die Kühlungsvorrichtung für die Batterie des Fahrzeugs eine sichere Kühlung auch bei Umgebungstemperaturen von unterhalb –2°C gewährleisten. Im Gegensatz zu bekannten Kühlungssystemen nach dem Stand der Technik, bei welchen eine Kühlung der Traktionsbatterie des Hybridfahrzeugs über den Kältekreislauf des Fahrzeugs direkt ohne einen solchen zusätzlichen erweiterten Kältekreislauf mit einem separaten Wärmetauscher zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf und der Batterie erfolgt, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die effiziente Kühlung auch unterhalb von in etwa –2°C gewährleistet werden, ohne dass der luftseitige Verdampfer des Kältekreislaufs des Fahrzeugs (beziehungsweise A/C-Kreislauf) vereist und ohne dass es dadurch zu einem Scheibenbeschlag im Innern des Fahrzeugs kommt. Durch die gezielte Erweiterung des Kältekreislaufs des Fahrzeugs um einen zusätzlichen Wärmetauscher, der über Verbindungsleitungen mit dem Kältekreislauf verbunden ist und thermisch mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf auf Seiten des Kühlers beziehungsweise Kondensators gekoppelt ist, kann auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen, das heißt unter in etwa –2°C, die Abwärme der Batterie des Hybridfahrzeugs (HV-Batterie) über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf direkt an die Umgebung abgeführt werden. Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung ist damit in einem weitaus größeren Temperaturbereich effizient und zur Erfüllung ihrer Funktion in der Lage, als es im Stand der Technik bisher möglich war. Die jederzeit gegebene effiziente und darüber hinaus betriebssichere Batteriekühlung nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist zudem unabhängig von Anforderungen auf Seiten des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs beziehungsweise des Klimaanlagen-Kreislaufs (A/C-Kreislauf) des Fahrzeugs. Insbesondere bei Umgebungstemperaturen unterhalb von in etwa 10°C wird so ein sicherer Betrieb der Batteriekühlung in jeder Betriebssituation sichergestellt. Dies führt erfindungsgemäß auch zu einer Reduzierung des Verbrauchs an Energie durch den Hybridbetrieb ohne Einschränkungen, da der Hybrid(-Elektro)-Betrieb ohne Einschränkungen gewährleistet ist. Nicht zuletzt wird mittels der erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung die Lebensdauer der Batterie stark erhöht. Die üblicherweise hier in Hybridfahrzeugen beispielsweise vom Typ Mild-Hybrid eingesetzten Li thium-Ionen-Batterien haben ab einer Betriebstemperatur von über 30°C eine ansonsten stark reduzierte Lebensdauer. Dies wird erfindungsgemäß abgewendet, indem die Kühlungsvorrichtung der Erfindung jederzeit und in jeder Betriebsphase und -situation eine effiziente Kühlung der Batterien ohne wesentlich erhöhten Energiebedarf erlaubt. Dadurch, dass die Kühlung in der Batterie durch einen separaten zusätzlichen erweiterten Kältekreislauf und entsprechenden Wärmetauscher gewährleistet wird, wird eine Vereisung des Verdampfers luftseitig verhindert und im Innern der Fahrgastzelle des Fahrzeugs wird ein Beschlag der Scheiben jederzeit vermieden. Durch den erweiterten Kältekreis wird nämlich erfindungsgemäß die Abwärme seitens der Batterie auch bei ausgeschalteter Klimaanlage beziehungsweise A/C-Anlage über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf abgeführt. Die Kühlung der Batterie ist nicht mehr abhängig vom Betrieb einer A/C-Anlage des Fahrzeugs.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kältemittelpumpe zum Fördern von Kältemittel durch den Wärmetauscher im erweiterten Kältekreislauf zur zusätzlichen Temperierung der HV-Batterie vorgesehen. Über die Kältemittelpumpe wird das flüssige Kältemittel zum Batterieverdampfer beziehungsweise Wärmetauscher innerhalb der Batterie gefördert und verdampft, bevor es wieder zu dem Kühlmittel-Wärmetauscher zurückströmt, welcher mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf thermisch gekoppelt ist. Hierdurch ist nur eine geringe Pumpleistung erforderlich, da die Verdampfung und Kondensation des Kühlmittels quasi auf einem Druckniveau ablaufen. Die Energieeffizienz der Vorrichtung zur Kühlung der Batterie ist dadurch weiter erhöht. Diese Funktion in einem Batteriekühlungsmodus der Vorrichtung wird dann ausgenutzt, wenn die Batterietemperatur größer ist, als die Temperatur in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeugs und wenn ausreichend flüssiges Kühlmittel vor der Kühlmittelpumpe vorhanden ist. In diesem Fall kann die energieeffiziente Batteriekühlung circa bei Temperaturen von weniger als 10°C Umgebungstemperatur umgesetzt werden, und zwar dies auch im Falle einer Abschaltung der A/C-Anlage beziehungsweise Klimaanlage des Fahrzeugs.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Kältekreislauf des Fahrzeugs saugseitig ein Absperrventil vorgesehen, das heißt hinter der Batterie in Strömungsrichtung, mittels welchem der Kältekreislauf wahlweise deaktivierbar ist. Für einen Betriebsmodus einer Batteriekühlung beziehungsweise einer Batterievorwärmung kann so je nach der Temperatur seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs des Fahrzeugs der Kältekreislauf, in welchem die herkömmliche Kühlung der Batterie bei höheren Temperaturen integriert ist, gezielt abgeschaltet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Kältekreislauf druckseitig eine Drossel und ein Rückschlagventil vorgesehen, mit welchen der Kältekreislauf im Betriebsmodus Batteriekühlung vom Niedertemperatur-Kühlkreislauf trennbar ist. Bei Förderung von Kältemittel durch die Kältemittelpumpe in dem erweiterten Kältekreislauf über die zu kühlende Batterie und den Wärme abgebenden Wärmetauscher wird so ein verkürzter Zwischenkreislauf realisiert, der unabhängig von der Funktionsweise und der Temperatur des Kältekreislaufs des Fahrzeugs beziehungsweise des Klimaanlagenkreislaufs ist. Eine Art verkürzter Zwischenzirkulationskreislauf wird zwischen dem Wärmetauscher und der zu kühlenden Batterie im Zusammenwirken mit einem Absperrventil auf der Saugseite hinter der Batterie realisiert. Auf diese Art und Weise kann entweder die Batteriekühlung im Kühlungsmodus oder eine Vorwärmung der Batterie in einem Vorwärmmodus zum Beispiel beim Kaltstart des Fahrzeugs durch Aufnahme von Wärme seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs beziehungsweise durch Abgabe von Wärme an diesen unter geringem Energiebedarf gewährleistet werden. Die einzige hierfür erforderliche Energie ist die elektrische Energie zum Betreiben der Kühlmittelpumpe, wobei auf Grund der Verdampfung und Kondensation des Kältemittels hier, wie schon oben beschrieben, ein sehr geringer zusätzlicher Energiebedarf für die Kältemittelpumpe erforderlich ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung ist zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf auf Seiten des Kühlers und dem Wärmetauscher des erweiterten Kältekreislaufs eine Bypassleitung vorgesehen, welche über ein Ventil, beispielsweise ein 3/2-Wegeventil, zuschaltbar ist zur Vorwärmung der Batterie mit Abwärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf, wobei der Kühlmittelstrom durch den Kühler über die Bypassleitung unterbrochen wird. Das Kältemittel lagert sich bei diesem Betriebsmodus auf Grund des geodätisch tiefer gelegenen Batterieverdampfers im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher ab. Durch die Aufnahme von Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (zum Beispiel durch eine Leistungselektronik oder einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (beziehungsweise DC/DC-Wandler) in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf verdampft das Kältemittel in dem Wärmetauscher. Durch Kondensation wird die im Kältemittel enthaltene Verdampfungswärme am kalten Batterieverdampfer wieder abgegeben. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einem schnelleren Erreichen eines effizienten Betriebsbereichs der Batterie des Hybridfahrzeugs und einer damit verbundenen vollständigen und jederzeit gewährleisteten Hybrid-Funktionalität. Der Energieverbrauch des Fahrzeugs wird insgesamt reduziert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Wärmequelle und ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) im Niedertemperatur-Kühlkreislauf vorgesehen, deren Abwärme zur Vorwärmung der Batterie über den Wärmetauscher an die Batterie im Vorwärmungsmodus geleitet wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Steuermittel vorgesehen zum Umschalten in einen Batteriekühlungsmodus und/oder einen Batterievorwärmmodus, der insbesondere für die Situation eines Kaltstarts des Fahrzeugs vorteilhaft ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erweiterte Kältekreislauf zur zusätzlichen Kühlung der Batterie vor und nach einer direkten Batteriekühlung an dem Kältekreislauf beziehungsweise A/C-Kreislauf des Fahrzeugs angeschlossen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Verlaufe der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung offenbar werden, bei welchen unter Bezug auf nicht beschränkende Beispiele, wie sie in den angehängten Zeichnungen dargestellt sind, die Erfindung mehr im Detail beschrieben werden wird.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Hybridfahrzeug nach dem Stand der Technik;
2 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Hybridfahrzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels aus der 2 in einem Funktionsmodus mit Batteriekühlung über den Kältekreislauf des Fahrzeugs;
4a ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach 2 in einem Betriebsmodus Batteriekühlung bei abgeschaltetem Kältekreislauf des Fahrzeugs;
4b ist ein logarithmisches p/h-Diagramm, welches die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebsmodus Batteriekühlung der 4a wiedergibt;
5a ist ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels der Erfindung nach der 2 im Betriebsmodus Batterievorwärmung; und
5b ist ein logarithmisches p/h-Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebsmodus Batterievorwärmung (Kaltstart) der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der 5a.
In der 1 ist ein Blockdiagramm einer Kühlungsvorrichtung für ein Mild-Hybridfahrzeug nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Die bekannte Technologie wurde oben in der Beschreibungseinleitung schon beschrieben. Die Vorrichtung 10 funktioniert zur Kühlung der Hybridfahrzeug-Batterie 2 unter Ausnutzung des Kältekreislaufs 4 des Fahrzeugs. Hierfür ist die Batterie 2 auf der Saugseite vor dem Verdampfer 5 über einen Extrazweig des Kältekreislaufs angebunden. Vor dem Expansionsventil 19 wird Kältemittel von dem Kältekreislauf 4 abgezweigt und in Richtung zu der Batterie 2 geleitet über ein Absperrventil 14 und eine Drossel 15, im vorliegenden Beispiel eine so genannte Fixdrossel. In der Batterie 2 ist ein Wärmetauscher beziehungsweise ein Wärmeübertragungsmittel vorgesehen, über welches die kühlere Temperatur des Kältemittels aus dem Kältekreislauf 4 an die zu kühlende Batterie 2 abgebbar ist. Der Rückfluss des Kältemittels erfolgt ebenfalls auf der Saugseite vor dem Verdampfer 5, jedoch nach dem Expansionsventil 19. Diese Technologie ist bekannt. Ein Nach teil liegt darin, dass die Batterie 2 immer mit dem Kältekreislauf 4 beziehungsweise A/C-Kreislauf des Fahrzeugs gekoppelt ist. Bei einem Kältekreislauf im Betrieb unter Temperaturen von in etwa –2°C besteht die Gefahr einer Verdampfervereisung des Verdampfers 5 sowie eines Scheibenbeschlags im Innern des Fahrzeugs. Da in einer solchen Situation sodann ein Hybridbetrieb des Fahrzeugs nicht mehr möglich ist, weil die Batterie 2 nicht unter ihrer maximal zulässigen Betriebstemperatur gehalten werden kann, entsteht diesbezüglich insgesamt ein Nachteil im Verbrauch des Fahrzeugs. Die Energiebilanz des Fahrzeugs ist insgesamt verschlechtert, da in bestimmten Betriebssituationen ein Hybridbetrieb des Fahrzeugs nicht möglich ist.
In der 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer Kühlungs- beziehungsweise Temperierungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung ebenfalls in einem Blockdiagramm dargestellt entsprechend der 1. Im Unterschied zu der bekannten Kühlungsvorrichtung ist bei der erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung 10 ein erweiterter Kältekreislauf 1 zur Temperierung der HV-Batterie auch über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 vorgesehen, wie im Folgenden erläutert. Durch diesen erweiterten Kältekreislauf 1 und die thermische Anbindung auch an den Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 kann eine Kühlung der Hybrid-Batterie 2 auch bei abgeschaltetem Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs (A/C-Kreislauf beziehungsweise Klimaanlage) erfolgen. Zudem ist es möglich, die Batterie 2 auch vorzuwärmen in einem Vorwärmungsbetriebsmodus zur Temperierung der Batterie 2 beispielsweise beim Kaltstart des Fahrzeugs. Im Unterschied zur Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 der Kältekreislauf 1 beziehungsweise ein erweiterter Zweig eines Kältekreislaufs vorgesehen, bei welchem eine Ableitung vor der Batterie 2 und eine Zuleitung nach der Batterie 2 vorge sehen ist. Der erweiterte Kältekreislauf 1 umfasst einen zusätzlichen Wärmetauscher 9, der als ein Kältemittel-/Kühlmittelwärmetauscher ausgestaltet ist. Gegenüber der bekannten Kühlvorrichtung ist ferner das Absperrventil 14 auf der stromabwärts gelegenen Seite nach der Batterie 2 angeordnet und auf der druckseitigen Seite vor der Batterie 2 ist ein Rückschlagventil 16 vorgesehen. Der erweiterte Kältekreislauf 1 umfasst ferner eine Kältemittelpumpe 12, über welche Kältemittel durch den Wärmetauscher 9 und über die Batterie 2 gefördert werden kann. Durch diesen erweiterten Kältekreislauf 1 ergibt sich die Möglichkeit einer Kühlung der Batterie 2 auch bei niedrigen Außentemperaturen beziehungsweise bei abgeschaltetem Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs. Sofern die batterieseitige Temperatur höher ist als die Kühlmitteltemperatur in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3, kann die Abwärme seitens der Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit Hilfe der Kältemittelpumpe 12 über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 direkt an die Umgebung abgeführt werden. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß eine effiziente und eine in jeder Situation betriebssichere Batteriekühlung unabhängig von den Bedingungen und Situationen seitens des Kraftfahrzeug-Kältekreislaufs 4. Auch unterhalb von in etwa 10°C Außentemperatur kann die Kühlung gewährleistet werden. Mit relativ wenig technischem Zusatzaufwand wird die Vorrichtung in ihrer Betriebssicherheit um einiges erhöht. Außerdem kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 auch eine Vorwärmung der Batterie realisiert werden:
Wie es in der 2 dargestellt ist, ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Bypassleitung 11 vor dem Kühler 8 in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf vorgesehen, die über ein 3/2-Wegeventil 13 zu- oder abschaltbar ist. Mittels dieser Bypassleitung 11 kann die Abwärme von Wärmequellen 18, 17 in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 genutzt werden, um die Batterie 2 über den Wärmetauscher 9 vorzuwärmen. Dies kann beispielsweise beim Kaltstart des Fahrzeugs zu einer weiteren Energieeinsparung führen. Insgesamt ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Temperierung der Batterie 2 eines Hybridfahrzeugs eine deutliche Reduzierung des Verbrauchs durch einen uneingeschränkt möglichen Hybridbetrieb gegeben. Die Hybridfahrzeug-Batterie 2, welche üblicherweise als Lithium-Ionen-Batterie realisiert ist, wird durch die jederzeit gewährleistete optimale Temperierung in ihrer Lebensdauer stark verlängert. Ein frühzeitiger Austausch beziehungsweise eine Wartung der Batterie ist damit nicht erforderlich.
In der 3 ist in einem Blockdiagramm entsprechend zu den vorherigen Figuren das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bei einem Betriebsmodus dargestellt, in welchem die Kühlung der Batterie 2 über den Kältekreislauf 4 beziehungsweise Klimaanlagenkreislauf des Fahrzeugs erfolgt. In diesem Betriebsmodus ist das Absperrventil 14 geöffnet und das Kältemittel durchströmt von dem Abgang vor dem Expansionsventil 19 die Kühlungsmittel der Batterie 2. Der erweiterte Kältekreislauf 1 ist in diesem Betriebsmodus nicht zugeschaltet. Dies ist eine Situation, welche bei Umgebungstemperaturen von höher als etwa 0°C eintritt, in welchen die Kühlung über den Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs ohne Gefahr einer Vereisung des Verdampfers 5 oder eines Beschlags der Scheiben im Innern des Fahrzeugs möglich ist. Ein Wärmeeintrag vom Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 in den Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs erfolgt in dieser Situation nicht. Da der erweiterte Kältekreislauf 1 nach der Erfindung hier nicht betätigt ist, ist auch die Kältemittelpumpe 12 ausgeschaltet. Bei der Kältemittelpumpe 12 kann es sich um eine Pumpe der Schwingkolbenbauart handeln, bei welcher der Kältemittelstrom durch den erweiterten Kältekreislauf 1 bei ausgeschalteter Pumpe vollständig unterbunden wird.
In der 4a beziehungsweise 4b sowie der 5a, 5b ist das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Temperierung einer Batterie 2 jeweils in verschiedenen Betriebsmodi dargestellt. Die 4a und 4b zeigen den Betriebsmodus einer Batteriekühlung bei ausgeschaltetem Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs. Die 5a, 5b dagegen zeigen den Betriebsmodus einer Batterievorwärmung der Hybrid-Batterie 2 aus Abwärme seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs 3 des Fahrzeugs über den erfindungsgemäßen erweiterten Kältekreislauf 1.
In den 4a und 4b ist der Betriebsmodus einer Batteriekühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt: Dieser Betriebsmodus einer Batteriekühlung wird automatisch über entsprechende Steuerungen bei Umgebungstemperaturen von in etwa weniger als 10°C eingestellt, wenn der Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs ausgeschaltet ist. Der erweiterte Kältekreislauf 1 gemäß der Erfindung ist in diesem Betriebsmodus aktiv. Hierzu ist das Absperrventil 14 geschlossen und auf Grund des Rückschlagventils 16 erfolgt eine Förderung von Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe 12 nur durch den erweiterten Zweig des erfindungsgemäßen Kältekreislauf 1, wobei die Ventile 14, 16 ein Strömen von Kühlmittel durch den ohnehin in diesem Betriebsmodus ausgeschalteten Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs unterbinden. Dies ist in der 4a durch die dickeren Linien der Leitungen des erweiterten Kältekreislaufs 1 und dem Bewegungspfeil dargestellt. Das Kühlmittel ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein R134a-Kühlmittel. Das Kühlmittel gelangt über die Förderung durch die Kühlmittelpumpe 12 von dem Kältemittelkreislauf 4, in welchem die Batterie 2 eingeschlossen ist, zu dem Wärmetauscher 9, bei wel chem thermisch der Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 mit dem erweiterten Kältekreislauf 1 gekoppelt ist. Das flüssige Kühlmittel wird durch die Pumpe 12 zum Verdampfer innerhalb der Batterie 2 gefördert (A) und verdampft dort, bevor es wieder zu dem Wärmetauscher 9 zurückströmt (B). Diese Situation ist in dem Druck-/Enthalpie-Diagramm (p/h-Diagramm) der 4a dargestellt. Durch die höhere Temperatur seitens der Batterie 2 kann erfindungsgemäß eine Batteriekühlung durch die Vorrichtung durch Ausnutzung von der niederen Temperatur an den Kühler 8 des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs 3 ausgenutzt werden. Die Umgebungstemperatur liegt deutlich unter der Batterietemperatur, wobei aus dem Diagramm nach der 4b direkt ersichtlich ist, dass nur eine sehr geringe Pumpleitung (Pumpniveau p) hierfür erforderlich ist, da die Verdampfung und Kondensation von Kühlmittel in dem erweiterten Kühlkreislauf 1 nach der Erfindung quasi auf ein und demselben Druckniveau ablaufen. Die erfindungsgemäße Kühlung der Hybrid-Batterie 2 kann damit auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen von in etwa weniger als 10°C und bei abgeschaltetem Kältekreislauf 4 des Fahrzeugs effektiv durchgeführt werden. Die Lebensdauer der Batterie 2 ist hierdurch deutlich erhöht. Eine energiesparende Hybridfunktion ist auch bei niedrigen Temperaturen in der Umgebung und abgeschaltetem Klimaanlagenkreislauf des Fahrzeugs gewährleistet.
In den 5a und 5b ist demgegenüber eine alternative und vorzugsweise Betriebsart der Vorrichtung 10 nach der Erfindung dargestellt. Diese 5a und 5b zeigen den Betriebsmodus einer Batterievorwärmung, der beispielsweise beim Kaltstart des Fahrzeugs vorteilhafterweise umgesetzt werden kann. Bei diesem Betriebsmodus ist ebenso das Absperrventil 14 geschlossen und eine Förderung von Kühlmittel erfolgt durch die Kältemittelpumpe 12 über den erweiterten Kältekreislauf 1 nur über den Erweiterungszweig und durch den Ver dampfer innerhalb der Batterie 2. Dies wird einerseits durch das Rückschlagventil 16 und andererseits durch das Absperrventil 14 gewährleistet. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Betriebsmodus ist jedoch hier eine Bypassleitung 11 auf Seiten des Kühlers 8 in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 über ein 3/2-Wegeventil 13 zugeschaltet. Dadurch wird das Kühlmittel nicht über den Kühler 8 geleitet sondern vor diesem Kühler 8 durch die Bypassleitung 11 abgezweigt. Dadurch ist es möglich, die Abgabe von Wärme seitens der Elemente in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3, nämlich der Leistungselektronik beziehungsweise Leistungseinheit 17 und dem DC/DC-Wandler 18 auszunutzen und die davon abgegebene Wärme an die Batterie 2 zu deren Vorwärmung abzugeben. Der abgekürzte Fluss von Kühlmittel in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 ist durch die mit dickerer Linie hervorgehobene Leitungsdarstellung der Verbindungen zwischen Elementen in der 5a dargestellt. Das flüssige Kühlmittel des Kältekreislaufs 4 des Fahrzeugs, welches durch den abgekürzten erweiterten Kältekreislauf 1 strömt, lagert sich in dem Kühlmittel-/Kältemittel-Wärmetauscher 9 ab, weil dieser Wärmetauscher 9 geodätisch tiefer als die Batterie und der in die Batterie integrierte Verdampfer liegt. Durch den Wärmeeintrag der Leistungselektronik 17 und/oder des DC/DC-Wandlers (beziehungsweise Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers) in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3 verdampft das Kühlmittel im Wärmetauscher 9. Durch eine Kondensation wird die im Kühlmittel enthaltene Verdampfungswärme am kalten Batterieverdampfer abgegeben und kann folglich zur Aufwärmung der Batterie 2 genutzt werden. Der Vorteil dieser Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 liegt in einem schnelleren Erreichen eines effizienten Betriebsbereichs der Hybridfahrzeug-Batterie 2 und einer damit verbundenen erweiterten und jederzeit gegebenen Funktionalität der Hybridfunktion des Fahrzeugs. Dies resultiert insgesamt in einem deutlich reduzier teren Verbrauch des Fahrzeugs auf Grund der weitergehenden Nutzung der Hybridfunktion. Der Grund für diese vorteilhafte Ausgestaltung liegt unter anderem darin, dass die Batterie 2 eines Hybridfahrzeugs in der Regel einen reduzierten oder geringen Be-/Entladungswirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen aufweist, sodass der Hybridbetrieb des Fahrzeugs dann stark eingeschränkt ist. Erfindungsgemäß kann dem entgegengewirkt werden, indem der erweiterte Kältekreislauf 1 hier zur Vorwärmung der Batterie über die Bypassleitung 11 eingesetzt wird.
Dies ist auch in dem p/h-Diagramm der 5b dargestellt. Die Temperatur der Batterie 2 liegt hier über der Temperatur des Kühlmittels in dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf 3. Am Eingangspunkt A weist das Kühlmittel eine niedrigere Temperatur beziehungsweise einen niedrigeren Wärmegehalt auf, wohingegen beim Austrittspunkt B nach Abgabe von Wärme seitens des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs 3 das Kühlmittel dementsprechend in der Wärmemenge reduziert ist. Ein Druckniveauunterschied zwischen A und B besteht sozusagen nicht beziehungsweise kaum, sodass die Förderleistung der Kühlmittelpumpe 12 nicht ins Gewicht fällt. Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Temperierung einer Hybrid-Batterie 2 eine erhöhte Funktionssicherheit und erhöhte Flexibilität in der Nutzung des Hybridmodus eines Fahrzeugs. Die Energiebilanz ist deutlich verbessert und eine höhere Ausnutzung von der Vorteilhaftigkeit des Hybridmodus ist gewährleistet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorgestellte Ausführungsform beschränkt und umfasst alle äquivalente Techniken, welche in die Reichweite der nachfolgenden Ansprüche fallen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4408960 [0002]
- DE 10128164 A1 [0003]
- DE 102004035879 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Kühlung bzw. Temperierung einer Batterie (2) in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV) mit Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb, mit einem Niedertemperatur-(NT)-Kühlkreislauf (3) des Fahrzeugs, welcher mindestens mit einem Verdampfer (5), einem Verdichter (6), einem Kondensator (7) und einem Kühler (8) versehen ist, an welchen die Batterie (2) über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf (4) verdampferseitig zur Kühlung der Batterie (2) über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kältekreislauf (4) und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) ein erweiterter Kältekreislauf (1) mit einem zusätzlichen Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) und die Batterie (2) kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie (2) bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie (2) in einem Kühlungsmodus und/oder zur Zufuhr von Wärme zur Vorwärmung der Batterie (2) in einem Vorwärmmodus bzw. beim Kaltstart miteinander thermisch koppelbar sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kältemittelpumpe (12) zum Fördern von Kältemittel durch den Wärmetauscher (9) im erweiterten Kältekreislauf (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (4) saugseitig ein Absperrventil (14) vorgesehen ist, mittels welchem der Kältekreislauf (4) deaktivierbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (4) niederdruckseitig eine Kältemittelpumpe (12) vorgesehen ist, mit welcher der Kältekreislauf (4), durch abschalten der Kältemittelpumpe (12) im Betriebsmodus Batteriekühlung vom Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) trennbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) auf Seiten des Kühlers (8) und dem Wärmetauscher (9) des erweiterten Kältekreislauf (1) eine Bypassleitung (11) über ein Ventil (13) zuschaltbar ist zur Vorwärmung der Batterie (2) mit Abwärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3), wobei der Kühlmittelstrom durch den Kühler (8) über die Bypassleitung (11) unterbrochen ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (17) und ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (18) bzw. DC/DC-Wandler im Niedertemperatur-Kühlkreislauf (3) vorgesehen sind, deren Abwärme zur Vorwärmung der Batterie (2) über den Wärmetauscher (9) an die Batterie (2) im Vorwärmmodus übertragen wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel vorgesehen sind zum wahlweisen Umschalten in einen Batteriekühlungsmodus und/oder einen Batterievorwärmmodus.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erweiterte Kühlkreislauf (1) vor und nach einer direkten Batteriekühlungsleitung angeschlossen ist.