DE102008005754A1

DE102008005754A1 - Kraftfahrzeug mit einem kühlbaren Energiespeicher

Info

Publication number: DE102008005754A1
Application number: DE200810005754
Authority: DE
Inventors: Friedrich Bielert; Frédéric Périard; Thomas Olszok
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher zur Speicherung und Freigabe von in eine mechanische Antriebsenergie wandelbarer Energie und mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des Energiespeichers. Um eine verbesserte Kühlung zu ermöglichen, ist eine der Kühlvorrichtung zugeordnete Kältemaschine vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher zur Speicherung und Freigabe von in eine mechanische Antriebsenergie wandelbarer Energie und mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des Energiespeichers.
Kraftfahrzeuge mit kühlbaren Energiespeichern sind bekannt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder Brennstoffzellenantrieb handeln. In Hybridfahrzeugen für den Fahrbetrieb einsetzbare Batterien setzen für ihre optimale Funktion einen relativ engen Temperaturbereich voraus. Da während des Betriebs der Batterie erhebliche Abwärme entstehen kann, kann eine Kühlung vorgesehen sein. In bekannten Konzepten kann die für die Kühlung der Batterie erforderliche Luft aus einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges angesaugt werden. Dazu können ein oder mehrere Lüfter vorgesehen sein. Ferner ist es bekannt, die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges, aus der die Luft zur Batteriekühlung angesaugt werden kann, zu temperieren, beispielsweise mittels einer Klimaanlage des Kraftfahrzeuges. Die EP 1 486 362 A3 offenbart eine Mehrzonen-Klimaanlage mit einer Mehrzahl einzelner Klimazonen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Regeleinrichtung zum Regeln von das Innenraumklima bestimmenden Klimaparametern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlung eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeuges zu ermöglichen.
Die Aufgabe ist mit einem Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher zur Speicherung und Freigabe von in eine mechanische Antriebsenergie wandelbarer Energie und mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des Energiespeichers dadurch gelöst, dass eine der Kühlvorrichtung zugeordnete Kältemaschine vorgesehen ist. Vorteilhaft kann die Kältemaschine insbesondere ein unterhalb eines Umgebungstemperaturniveaus liegendes Temperaturniveau zur Kühlung des Energiespeichers bereitstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass ein mittels der Kältemaschine gekühltes Medium mittels der Kühlvorrichtung zur Kühlung des Energiespeichers zum Energiespeicher führbar ist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um zuvor mittels der Kältemaschine gekühlte Luft handeln. Die gekühlte Luft kann so an dem Energiespeicher entlang geführt werden, dass sich dieser in gewünschtem Maße abkühlt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass die Kältemaschine Teil der Kühlvorrichtung ist. Vorteilhaft kann die Kältemaschine als Teil der Kühlvorrichtung Kälte erzeugen und so eine bessere Kühlung des Energiespeichers ermöglichen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass die Kältemaschine Teil einer Klimaanlage zur Kühlung eines Innenraums des Kraftfahrzeuges ist. Vorteilhaft kann eine ohnehin vorhandene Klimaanlage des Kraftfahrzeuges ohne weiteren großen Aufwand auch zur Kühlung des Energiespeichers verwendet werden. Im Umluftbetrieb kann die Klimaanlage beispielsweise sich im Innenraum des Kraftfahrzeuges befindliche Luft gekühlt hin zum Energiespeicher beziehungsweise über die Kühlvorrichtung hin zum Energiespeicher fördern. Vorteilhaft kann so im Vergleich zu einer üblicherweise aus der Fahrgastzelle entnommenen Ansaugluft eine Zeitverzögerung der Zeitkonstante des sich in der Fahrgastzelle befindlichen Luftvolumens umgangen werden. Vorteilhaft kann direkt gekühlte Luft zum Energiespeicher hin geführt werden. Im Vergleich zu einer Ansaugung direkt aus der Umwelt liegt die zum Energiespeicher hin geförderte Temperatur in einem günstigeren Temperaturbereich. Außerdem ist die Luft aus dem Fahrgastraum sauberer und trockener als die direkt aus der Umwelt angesaugte Luft. Falls die Klimaanlage nicht im Umluftbetrieb arbeitet, kann die angesaugte Luft zur Reinigung und/oder Kühlung zumindest an einem Verdampfer der Klimaanlage vorbeigeführt werden, wobei sich im Vergleich zu einer direkten Ansaugung ebenfalls die Vorteile einer größeren Reinheit und eines günstigeren Temperaturniveaus ergeben. Alternativ ist es möglich, die Luft unabhängig von dem Umluftbetrieb dennoch zunächst dem Innenraum zu entnehmen und von dort über den Verdampfer dem Energiespeicher zur Kühlung zuzuführen. Hierzu können entsprechende Kanäle und Klappern vorgesehen sein. Vorteilhaft ist im Vergleich zu einer Ansaugung aus dem Innenraum des Kraftfahrzeuges nicht das gesamte Fahrzeuginnenvolumen mit seiner Wärmekapazität zwischengeschaltet. Vorteilhaft kann eine direkte Verbindung zwischen der Kältemaschine und dem zu kühlenden Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, hergestellt werden, so dass eine wesentlich schnellere Temperierung möglich ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass es sich bei der Klimaanlage um eine Mehrzonen-Klimaanlage mit einer Vielzahl von Klimazonen handelt, wobei zumindest eine der Klimazonen der Kühlvorrichtung zuordenbar ist. Vorteilhaft kann mittels der Mehrzonenregelung der Mehrzonen-Klimaanlage die zumindest eine Klimazone so geregelt werden, dass sich eine optimale Kühlung des Energiespeichers ergibt. Die EP 1 486 362 A3 offenbart eine solche Mehrzonen-Klimaanlage. Der Inhalt dieser Druckschrift wird durch Bezugnahme, insbesondere auf die Zeichnungen und die dazu gehörige Beschreibung, zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass die zumindest eine Klimazone mittels Steuergrößen, insbesondere einer Batterietemperatur einer Batterie des Energiespeichers, einer entnommenen elektrischen Leistung aus der Batterie, einem Fahrzustand des Kraftfahrzeuges, steuerbar und/oder regelbar ist. Der Regelung der zumindest einen Klimazone können also über eine Temperatur der Batterie Aufschlüsse gebende Steuergrößen zu Grunde gelegt werden, wobei sich eine optimale Temperierung des Energiespeichers beziehungsweise der Batterie des Energiespeichers ergibt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass die Kältemaschine über einen separaten Klimakanal der Kühlvorrichtung zugeordnet ist. Vorteilhaft kann über den Klimakanal das gekühlte Medium, beispielsweise die Luft, geführt werden, bis hin zum Energiespeicher.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeuges ist vorgesehen, dass der Klimakanal über eine separate Klappe ansteuerbar und/oder regelbar ist. Mittels der Klappe kann die dem Energiespeicher zugeführte Kühlleistung gesteuert und/oder geregelt werden, wobei beispielsweise ein Teilluftstrom an dem Verdampfer der Klimaanlage vorbeigeführt werden kann.
Die Aufgabe ist außerdem mit einem Verfahren zur Kühlung eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines vorab beschriebenen Kraftfahrzeuges, mit folgendem Schritt gelöst: Kühlen des Energiespeichers mittels einer Kältemaschine. Vorteilhaft kann mittels der Kältemaschine erzeugte Kälteleistung zum Kühlen des Energiespeichers des Kraftfahrzeuges verwendet werden. Im Übrigen ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 einen Teil eines Kraftfahrzeuges mit einem mittels einer Kältemaschine kühlbaren Energiespeicher;
2 ein schematisches Schaltbild einer Mehrzonen-Klimaanlage des Kraftfahrzeuges, wobei zumindest eine Klimazone dem Energiespeicher des Kraftfahrzeuges zugeordnet ist; und
3 ein Diagramm eines Stromflusses über einer Temperatur eines Energiespeichers des Kraftfahrzeuges.
1 zeigt einen Teil eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem mittels einer Kühlvorrichtung 3 kühlbaren Energiespeicher 5. Bei dem Energiespeicher 5, kann es sich beispielsweise um eine Batterie 7, beispielsweise eine wiederaufladbare Traktionsbatterie, handeln. Die Kühlvorrichtung 3 weist Luftkanäle 9 mit einer Zuluft 11 und einer Abluft 13 auf, mittels der Luft zur Kühlung an dem Energiespeicher 5 vorbeiführbar ist. Vorteilhaft ist die Kühlvorrichtung 3 über einen Klimakanal 15 einer Klimaanlage 17 mit einer nicht näher dargestellten Kältemaschine 19 zugeordnet. Bei der Kältemaschine 19 kann es sich beispielsweise um übliche Komponenten einer Fahrzeug-Klimaanlage handeln, beispielsweise einen Kompressor, einen Kreislauf eines Kühlmediums und einen Verdampfer sowie einen Kühler handeln. Ein weiteres Gebläse 20a kann vor dem Eintritt in die Luftkanäle 9 vorgesehen werden. Es kann sich jedoch auch um eine andere Art von Kühlaggregat handeln, beispielsweise um Peltierelemente oder eine mittels Erwärmung des Verdampfers betriebene Kältemaschine. Vorteilhaft kann über den Klimakanal 15 gekühlte Luft mittels der Luftkanäle 9 der Kühlvorrichtung 3 direkt der Batterie 7 des Energiespeichers 5 zur Kühlung zugeführt werden.
2 zeigt ein Schaltschema einer Mehrzonen-Klimaanlage 31 eines Kraftfahrzeuges 1. Die Mehrzonen-Klimaanlage 31 verfügt über eine erste bis vierte Temperaturklappe 21–27, jeweils als Stellglied einer dazugehörigen Austrittstemperaturregelung 29. Es kann sich dabei um eine Mehrzonenregelung, beispielsweise für eine Seitendüse links, eine Mitteldüse links, eine Mitteldüse rechts sowie eine Seitendüse rechts eines Innenraums des Kraftfahrzeuges 1 handeln. Die Stellglieder beziehungsweise die Temperaturklappen 21–27 werden mittels einer Klimasteuerung 33 angesteuert, die wiederum als Grundlage für die Austrittstemperaturregelungen 29 Steuergrößen 35 verarbeitet, beispielsweise ein Azimut 37, eine Elevation 39 und/oder eine Intensität 41 und/oder beliebige weitere Eingangssteuergrößen 35. Zusätzlich weist die Mehrzonen-Klimaanlage 31 eine fünfte Temperaturklappe 43 auf als Stellglied einer Austrittstemperaturregelung 45 für den Energiespeicher 5 beziehungsweise die Batterie 7 des Energiespeichers 5 des Kraftfahrzeuges 1. Die Austrittstemperaturregelung 45 wirkt direkt auf den Energiespeicher 5 zur Kühlung desselben. Zur Steuerung und/oder Regelung der fünften Temperaturklappe 43 kann die Klimasteuerung 33 zusätzliche Batteriesteuergrößen, beispielsweise eine Batterietemperatur, eine entnommene elektrische Leistung, ein Fahrzustand des Kraftfahrzeuges 1 und/oder weitere Steuergrößen 47 verarbeiten. Vorteilhaft kann mittels der ohnehin vorhandenen Mehrzonen-Klimaanlage 31 beziehungsweise mittels der vorhandenen Klimasteuerung 33, die um die Austrittstemperaturregelung 45 erweitert ist, die Kühlvorrichtung 3 zur Kühlung des Energiespeichers 5 beziehungsweise der Batterie 7 mit erledigt werden.
3 zeigt ein Diagramm 49, wobei auf einer x-Achse 51 eine Temperatur der Batterie 7 des Kraftfahrzeuges 1 und auf einer y-Achse 53 des Diagramms 49 ein Stromfluss der Batterie 7 aufgetragen sind. Es ist zu erkennen, dass sowohl bei einem positiven Stromfluss, also bei einer Ladekurve 55 ein starker Anstieg der Temperatur stattfindet. Bei einer Entladekurve 57 findet ebenfalls eine starke Erwärmung der Batterie 7 statt. Der maximale Ladestrom bzw. der maximale Entladestrom werden ganz wesentlich durch die Temperatur in der Batterie bestimmt.
Vorteilhaft können im Serieneinsatz befindliche Mehrzonen-Klimaanlagen mittels geringer Modifikationen so adaptiert werden, dass sie zur Kühlung des Energiespeichers 5 beziehungsweise der Batterie 7 des Energiespeichers 5 verwendet werden können. Solche Klimaanlagen besitzen grundsätzlich die Möglichkeit, die Temperatur an verschiedenen Orten des Kraftfahrzeuges 1 beziehungsweise des Innenraums des Kraftfahrzeuges 1 unabhängig voneinander zu regeln. Eine solche Klimaanlage ist in der EP 1 486 362 A3 beschrieben. Über unabhängige Temperierdüsen und Regelungen wird die Temperatur am jeweiligen Ausströmort geregelt. Die Integration der Batterielüftung beziehungsweise die Zuordnung zur Kühlvorrichtung 3 zur Kühlung der Batterie 7 kann vorteilhaft mittels des Lüftungskanals 9 erfolgen, der vorteilhaft über die zusätzliche Austrittstemperaturregelung 45 verfügt.
Die Steuergrößen 57 können aus einer Batterietemperatur, einer entnommenen elektrischen Leistung und/oder einem Fahrzustand des Kraftfahrzeuges 1 gewonnen werden. Der separate Klimakanal 15 kann direkt zur Batterie 7 geführt werden, analog wie dies auch bei den übrigen Austrittstemperaturregelungen 29 beziehungsweise den zugehörigen Austrittsdüsen im Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeuges 1 der Fall ist. Die direkt vom Klimagerät beziehungsweise der Mehrzonen-Klimaanlage 31 kommende Luft ist vorteilhaft sauberer, trocken und vorteilhaft einem Bedarf an Kühlleistung der Batterie 7 entsprechend klimatisiert. Ein erforderlicher Volumenstrom kann durch die separate Klappe 43 geregelt werden. So ist es nicht unbedingt erforderlich, den gesamten Volumenstrom über einen nicht näher dargestellten Verdampfer der Mehrzonen-Klimaanlage 31 zu führen.

1: Kraftfahrzeug
3: Kühlvorrichtung
5: Energiespeicher
7: Batterie
9: Luftkanäle
11: Zuluft
13: Abluft
15: Klimakanal
17: Klimaanlage
19: Kältemaschine
21: erste Temperaturklappe
23: zweite Temperaturklappe
25: dritte Temperaturklappe
27: vierte Temperaturklappe
29: Austrittstemperaturregelung
31: Mehrzonen-Klimaanlage
33: Klimasteuerung
35: Steuergrößen
37: Azimut
39: Elevation
41: Intensität
43: fünfte Temperaturklappe
45: Austrittstemperaturregelung
47: Batteriesteuergrößen
49: Diagramm
51: x-Achse
53: y-Achse
55: Ladekurve
57: Entladekurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1486362 A3 [0002, 0008, 0021]

Claims

Kraftfahrzeug (1) mit: – einem Energiespeicher (5) zur Speicherung und Freigabe von in eine mechanische Antriebsenergie wandelbarer Energie, – einer Kühlvorrichtung (3) zur Kühlung des Energiespeichers (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kühlvorrichtung (3) zugeordnete Kältemaschine (19) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels der Kältemaschine (19) gekühltes Medium mittels der Kühlvorrichtung (3) zur Kühlung des Energiespeichers (5) zum Energiespeicher (5) führbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (19) Teil der Kühlvorrichtung (3) ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (19) Teil einer Klimaanlage (17; 31) zur Kühlung eines Innenraums des Kraftfahrzeuges (1) ist.
Kraftfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Klimaanlage um eine Mehrzonen-Klimaanlage (31) mit einer Vielzahl von Klimazonen handelt, wobei zumindest eine der Klimazonen der Kühlvorrichtung (3) zuordenbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Klimazone mittels Steuergrößen (47), insbesondere eine Batterietemperatur einer Batterie (7) des Energiespeichers (5), eine entnommene elektrische Leistung der Batterie (7), ein Fahrzustand des Kraftfahrzeuges (1), steuerbar und/oder regelbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden drei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (19) der Kühlvorrichtung (3) zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakanal (15) über eine separate Klappe (43) ansteuerbar und/oder regelbar ist.
Verfahren zur Kühlung eines Energiespeichers (5) eines Kraftfahrzeuges (1), insbesondere eines Kraftfahrzeuges (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem Schritt: – Kühlen des Energiespeichers (5) mittels einer Kältemaschine (19).