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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie, insbesondere einer Batterie für ein Hybridfahrzeug, welche einen geschlossenen Kühlkreislauf mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer aufweist, wobei der Verdampfer in einem die Batterie umgebenden Gehäuse angeordnet ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie mit einer derartigen Vorrichtung beschrieben.
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Bei Fahrzeugen mit kombiniertem Verbrennungsmotor und Elektroantrieb, sogenannten Hybridfahrzeugen, wird die Energie für den elektromotorischen Fahrbetrieb in einem Akkumulator gespeichert. Beim Betrieb des Elektromotors bzw. beim Laden der Antriebsbatterie durch den Generator fließen sehr hohe Ströme, die zur Erwärmung der Antriebsbatterie führen. Diese müssen daher gekühlt werden.
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Zurzeit werden Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-Zelle favorisiert. Bei diesen Batterien ist ein optimaler Betrieb nur in einem eingegrenzten Temperaturbereich, idealerweise von 20 bis 30°C, möglich. Vor allem höhere Batterietemperaturen über 45°C müssen hinsichtlich Leistung, Lebensdauer und einer Explosionsgefahr vermieden werden.
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Grundsätzlich wird die Batteriekühlung mittels Kühlluft oder einer Kühlflüssigkeit realisiert. Bei höheren Temperaturen wird die Kühlung mittels aktiver Kühlung, z. B. unter Nutzung der Klimaanlage des Fahrzeugs, realisiert. Dabei wird die Kühlung üblicherweise mit Zu- und Abluft der Batterie ausgeführt.
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Eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie ist aus der Druckschrift
DE 24 14 758 B2 bekannt. Hierbei wird eine Batterie von Zuleitungen durchsetzt, wobei eine Flüssigkeit zur Aufnahme der Wärme aus der Batteriezelle durch die Zuleitungen geleitet wird. Des Weiteren ist es möglich, mithilfe des Batteriekühlkreislaufs auch eine Temperierung des Fahrzeuginnenraums vorzunehmen. Bevorzugt wird jedoch eine getrennte Ausbildung des flüssigkeitsbasierten Batteriekühlkreislaufs und eines gasgekühlten Fahrzeuginnenraum-Temperierungskreislaufs. Nachteil an den verschiedenen Ausführungsformen ist der komplizierte Aufbau, welcher fehleranfällig ist.
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Eine weitere Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie ist beispielsweise in der Patentschrift
DE 44 08 960 C1 dargestellt.
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In einer dort dargestellten Variante der Batteriekühlung wird bei einer höheren Außentemperatur als Batterietemperatur die Batterie mittels eines Klima-Kühlkreislaufes gekühlt, wobei der Klima-Kühlkreislauf ein Kühlwasser abkuhlt, welches anschließend in eine Rohrschleife durch eine abgeschlossene Sektion der Batterie strömt. Bei einer kalten Außentemperatur, d. h. kälter als die Batterietemperatur, wird zur Kühlung der Batterie ein Wärmetauscher eingesetzt, welcher das Kühlwasser mittels angeströmter Luft abkühlt und anschließend durch die Batterie leitet.
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Nachteil einer derartigen Batterietemperierung ist es, dass zwei unterschiedliche Kühlkreisläufe verwendet werden, was zu einer komplizierten Ausführung der Batteriekühlung führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Temperierung einer Batterie, insbesondere einer Batterie für ein Hybridfahrzeug zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und eine bestmögliche Kühlung der Batterie gewährleistet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den unter- und nebengeordneten Ansprüchen ausgeführt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Bypassventil vorhanden, wobei das Bypassventil parallel zum Expansionsorgan schaltbar ist. Dadurch kann ein durch den Verflüssiger kommendes Kühlmittel unter Umgehung des Expansionsorgans durch das Bypassventil treten und auf diese Weise dem Verdampfer zugeführt werden. Auf diese Weise kann das Kühlmittel alternativ entweder durch das Expansionsorgan (bei geschlossenem Bypassventil) oder durch das Bypassventil (bei geoffnetem Bypassventil) fließen. Auf diese Weise sind innerhalb eines einzigen geschlossenen Kühlkreislaufes zwei unterschiedliche Betriebsweisen zur Batterietemperierung möglich.
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Zum einen kann die Batterie wie gewöhnlich unter Zuhilfenahme des Expansionsorgans in einem Verdampfungskühlungsbetrieb betrieben werden. Hierzu wird das Kühlmittel in dem Verdichter verdichtet, im Verflüssiger verflüssigt, im Expansionsorgan entspannt und im Verdampfer verdampft, wobei der Verdampfer Wärme aus der Batterie aufnimmt und das derart erwärmte Kühlmittel an den Verdichter bzw. Kompressor weiterleitet. Dies ist der gewöhnliche, bereits im Stand der Technik bekannte Betrieb.
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Zum anderen kann bei geöffnetem Bypassventil der Kühlkreislauf als reiner Pumpenbetrieb ausgestaltet sein. Dies ist unter anderem bei tiefen Außentemperaturen notwendig, da hier das Verdampfungsprinzip nicht mehr angewendet werden kann. Die Druckdifferenz für eine Expansion des Kältemittels mit Wärmeaufnahme ist zu gering, was u. a. bedeutet, dass die Kühlanlage infolge des niedrigen Druckes nicht mehr einschaltet und keine Kühlung vorgenommen wird.
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Auf diese Weise sind innerhalb eines geschlossenen Kühlkreislaufes zwei Betriebsweisen möglich, und eine sichere Temperierung der Batterie kann in einem weiten Bereich von vorliegenden Außentemperaturen vorgenommen werden.
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In einer Variante der Vorrichtung ist das Bypassventil elektrisch schaltbar, vorzugsweise als Magnetventil, ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass Magnetventile schnell schalten und kosteneffizient herstellbar sind.
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In einer weiteren Variante ist eine Steuerschaltung vorhanden, welche das Bypassventil in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder dem Zustand des Kühlmittels öffnet und schließt. Die Steuerschaltung registriert eine Temperatur (beispielsweise über einen Messfühler) und entscheidet beispielsweise anhand eines Kennfeldes, ob die herrschende Außentemperatur eine ausreichende Druckdifferenz für die Expansion des Kühlmittels zulässt. Ist dies der Fall, bleibt das Bypassventil geschlossen. Ist dies nicht der Fall, wird das Bypassventil geöffnet und der Kühlkreislauf wird im Pumpenbetrieb betrieben.
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In einer weiteren Variante ist das Expansionsorgan zumindest in Teilen, vorzugsweise in seiner Gesamtheit im Gehäuse der Batterie angeordnet. Dadurch kann das Expansionsorgan naher am Verdampfer angeordnet werden, so dass die Verluststrecke zwischen dem Expansionsorgan und dem Verdampfer möglichst klein ausfällt. Dies erspart aufwendige Isolierarbeiten, welche für gewöhnlich in dem Zwischenabschnitt zwischen Expansionsorgan und Verdampfer vorgenommen werden müssen.
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Andererseits kann das Expansionsorgan jedoch auch komplett außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, was beispielsweise vorteilhaft im Sinne einer schnellen Auswechslung und einer schnellen Reparatur des vorgenannten Expansionsorgans ist. Allerdings muss hier eine Isolation der außerhalb des Batteriegehäuses verlaufenden Strecke des Kuhlkreislaufes vorgenommen werden.
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In einer weiteren Variante wird die Batterie im Umluftbetrieb betrieben. Hierbei ist der Umluftbetrieb dahingehend zu verstehen, dass keine aktive Frischluftzufuhr in das Gehäuse der Batterie erfolgt, sondern die bereits in dem Gehäuse befindliche Luft innerhalb des Gehäuses zirkuliert wird. Es handelt sich somit um einen Umluftbetrieb im Sinne der Fahrzeugtechnik, welche außerhalb der Fahrzeugtechnik bisweilen auch als Sekundärluftbetrieb bezeichnet wird. Im Umluftbetrieb wird die im Gehäuse befindliche Luft aufgrund der von der Batterie abgestrahlten Wärme erwärmt und gibt diese Wärme im Verdampfer an das Kühlmittel ab. Der Umluftbetrieb ist unter anderem deswegen vorteilhaft, weil im Vergleich zu einer Durchlüftung mit Frischluft, bei der der Batterie ständig feuchte Luft zugeführt wird, wenn überhaupt, nur geringste Kondensatmengen innerhalb der Batterie anfallen. Dies ist gerade bei den oftmals verwendeten Lithium-Ionen-Zellen von großer Wichtigkeit, da diese in einem sehr trockenen Milieu betrieben werden müssen. Des Weiteren ist der Umluftbetrieb vorteilhaft, da er bei tiefen Umgebungstemperaturen – aufgrund der Eigenerwärmung der Batteriezellen – ein schnelles Aufheizen der Batterie auf die Betriebstemperatur zulässt. Somit ermöglicht der Umluftbetrieb nicht nur eine Kühlung der Batterie, sondern auch eine Erwärmung auf Betriebstemperatur, was den Wirkungsgrad des Fahrzeugs erhöht, da die Batterie nur über einen kürzestmöglichen Zeitraum unterhalb des optimalen Temperaturbereichs operieren muss.
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In einer weiteren Variante weist das die Batterie umgebende Gehäuse eine Öffnung auf, wobei die Öffnung vorzugsweise mit einem Schutzvlies verschlossen ist. Über die Öffnung wird ein Druckausgleich realisiert, so dass die innerhalb des Gehäuses vorhandene Luft zur Kühlung der Batterie sich aufgrund der unterschiedlichen Batterietemperatur ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne einen Über- bzw. Unterdruck innerhalb des Batteriegehäuses zu erzeugen. Dadurch, dass nur eine Öffnung vorhanden ist, wird lediglich ein geringer Zustrom an Frischluft in das Gehäuse eingebracht, wobei sich das Volumen der Frischluft im Rahmen der Volumenänderung der bereits innerhalb des Gehäuses befindlichen Luft bewegt. Über das Schutzvlies kann ein Eindringen von Schmutz verhindert werden. Weiterhin kann zur Absorption der durch den geringen Frischluftanteil eingeführten Feuchte eine Packung mit Silikat in das Batteriegehäuse eingebracht werden, welche die geringen Mengen an Frischluft problemlos trocknen kann.
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In einer weiteren Variante weist der Kühlkreislauf einen Batteriekühlkreislauf und einen Klimakühlkreislauf auf, wobei der Verdichter und der Verflüssiger sowohl dem Batteriekreislauf als auch dem Klimakühlkreislauf zugeordnet sind. Auf diese Weise sind lediglich ein Verdichter und ein Verflüssiger vonnöten. Dabei ist es auch möglich, den Klimakühlkreislauf und den Batteriekreislauf auf unterschiedlichen Temperaturen zu führen, so dass es prinzipiell möglich ist, beispielsweise den Batteriekreislauf bei geöffnetem Bypassventil zu betrieben, wohingegen der Klimakühlkreislauf kein derartiges Bypassventil aufweist.
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In einer besonders vorteilhaften Variante ist das im Kühlkreislauf eingesetzte Kühlmittel ein Gas. Dies hat zum einen den Vorteil, dass das Gas im Pumpenbetrieb sehr viel leichter umgepumpt werden kann als beispielsweise eine Flüssigkeit und zum anderen das Gas in der Nahe des kritischen Punktes leicht von der gasförmigen Phase in die flussige Phase umgewandelt werden kann, wie es bei Klimaanlagen oder Kühlkreisläufen im Stand der Technik der Fall ist.
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Die genannten Varianten können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bei dem Verfahren zur Kühlung einer Batterie mit einer Vorrichtung nach einer der zuvor genannten Varianten wird das Bypassventil abhängig von einer Außentemperatur geöffnet oder geschlossen, wobei die Batterie bei geschlossenem Bypassventil mittels Verdampfungskühlung und bei geöffnetem Bypassventil mittels Umlaufkühlung temperiert wird. Die damit verbundenen Vorteile sind bereits in den vorherigen Abschnitten beschrieben.
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Die Vorrichtung soll anhand eines Ausführungsbeispiels genauer erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie nach dem Stand der Technik;
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2a, 2b eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der 1 ist ein gewöhnlicher, aus dem Stand der Technik bekannter Kühlkreislauf zum Kühlen einer Batterie schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 zum Temperieren einer Batterie weist eine Batterie 2 mit einem Batteriegehäuse 20 sowie einen Kühlkreislauf 10 auf, welcher unter anderem einen Verdichter 11, einen Verflüssiger 12, ein Expansionsorgan 13 (welches im Gehäuse angeordnet ist) und einen Verdampfer 14 (welcher ebenfalls im Gehäuse angeordnet ist) aufweist.
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Bei der Verdampfungskühlung wird das gasförmige Kühlmittel im Verdichter komprimiert und anschließend unter Wärmeabgabe im Verflüssiger 12 verflüssigt. Danach kann das Gas weiterhin gasförmig vorliegen (jedoch kälter) oder sogar in den flussigen Zustand übergehen. Das Gas wird anschließend durch das Expansionsorgan 13 geleitet. Dabei kann das Expansionsorgan 13 beispielsweise eine Rohraufweitung der Zuleitung des Kühlkreislaufes 10 sein, wobei der Rohrquerschnitt vor der Drossel kleiner als nach der Drossel ist. Da es sich bei dem Kühlmittel um ein reales Gas handelt, kommt es nach dem Expansionsorgan aufgrund der Entspannung des Gases zu einer Temperatursenkung des Kuhlmittels gemäß dem Joule-Thomson-Effekt. Das derart gekühlte Kühlmittel wird dem Verdampfer 14 zugeführt und kühlt die im Batteriegehäuse 20 vorhandene Luft bei gleichzeitiger Wärmeaufnahme ab. Das aufgewärmte Kühlmittel wird anschließend durch den Verdichter 11 angesogen, und der Kreislauf ist geschlossen. Bei einer zu geringen Außentemperatur beim Verflüssiger 12 ist es nun aufgrund einer mangelnden Druckdifferenz nicht mehr möglich, das Kühlmittel zu expandieren. Dies führt dazu, dass für tiefe Temperaturen im Stand der Technik bislang ein zweiter, getrennter Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher benötigt wurde.
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In der 2a ist eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' gezeigt, bei welcher der Kühlkreislauf 10 einen Batteriekühlkreislauf 100 und einen Klimakühlkreislauf 100' aufweist. Der Verdichter 11 und der Verflüssiger 12 sind dabei sowohl dem Batteriekühlkreislauf als auch dem Klimakühlkreislauf zugehörig. Innerhalb des Batteriekühlkreislaufes 100 ist eine Batterie 2' mit einem die eigentlichen Batteriezellen umschließenden Batteriegehäuse 20' dargestellt. Außer einer kleinen Öffnung 21, welche mit einem Schutzvlies 22 überdeckt ist, ist das Batteriegehäuse 20' vollständig geschlossen. Anstelle der Öffnung 21 könnte auch eine sich lediglich aufgrund eines Über- oder Unterdrucks öffnende Membran eingebracht sein, so dass die sich innerhalb des Batteriegehäuses 20' befindliche Luft nur bei Bedarf mit der außerhalb des Batteriegehäuses 20' vorhandenen Luft vermengt wird. Ein aktiver Austausch zwischen der Luft innerhalb und außerhalb des Batteriegehäuses 20' findet nicht statt. Es ist auch denkbar, dass auf die Öffnung 21 komplett verzichtet und damit ein hermetisch abgeschlossenes Batteriegehäuse 20' vorhanden ist.
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Innerhalb des Batteriegehäuses 20' sind ein Expansionsorgan 103 und ein Verdampfer 104 angeordnet, welche dem Expansionsorgan 13 und dem Verdampfer 14 in 1 entsprechen. Zusätzlich zum Expansionsorgan 103 ist ein Bypassventil 105 vorhanden, welches parallel zum Expansionsorgan 103 geschaltet ist, so dass dieses umgangen werden bzw. aus dem Batteriekühlkreislauf 100 entfernt werden kann und das gasförmige Kühlmittel ausschließlich durch das Bypassventil 105 strömt. Dabei wird die Öffnung oder Schließung des Bypassventils 105 über eine Steuerschaltung 106 vorgenommen. Das Bypassventil 105 ist als Magnetventil ausgebildet. Dies macht die Ansteuerung besonders einfach. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Komponenten sind noch Magnetventile 101 im Batteriekühlkreislauf 100 angeordnet, welche den Batteriekühlkreislauf 100 mit dem Verdichter 11 und dem Verflüssiger 12 verbinden können.
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Die in der 2a gezeigte Batterie 2' wird im Umluftbetrieb betrieben. Dies bedeutet, dass im Wesentlichen kein Luftaustausch zwischen der innerhalb des Gehäuses 20' und der außerhalb des Gehäuses 20' befindlichen Luft stattfindet. Die innerhalb des Batteriegehäuses 20' vorhandene Luft wird hierbei getrocknet, was für den Betrieb insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen, wie sie häufig bei Hybridfahrzeugen verwendet werden, von großer Wichtigkeit ist. Alternativ kann zusätzlich noch ein Feuchtigkeit absorbierendes Mittel wie beispielsweise ein Silikat oder Silikatgel, welches weiter zur Trocknung der Luft und somit zum Vermeiden einer Kondensation innerhalb der Batterie beiträgt, im Batteriegehäuse 20' platziert werden.
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In der 2b ist das Bypassventil 105 geoffnet, so dass das gasförmige Kühlmittel nicht durch das Expansionsorgan 103 strömt, sondern ausschließlich durch das Bypassventil 105. Dadurch entsteht am Verdichter kein Hochdruck mehr; dieser läuft nur noch als ”Gaspumpe”. Das durch den Kühlluftstrom der sich im Batteriegehäuse 20' befindlichen Umluft im Verdampfer erwärmte Kuhlmittelgas wird vom Verdichter 11 aus dem Verdampfer 104 gesaugt und zum Verflüssiger 12 gepumpt. Hier wird die im Verdampfer 104 aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgegeben. Das auf diese Weise gekühlte Kühlmittelgas wird anschließend wieder durch das Bypassventil 105 geschickt, und der Kreislauf ist geschlossen. Diese Betriebsweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn aufgrund einer sehr tiefen Außentemperatur das Verdampfungsprinzip nicht mehr angewandt werden kann, da die Druckdifferenz für die Expansion des Kältemittels mit Warmeaufnahme zu gering ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Vorrichtung zum Temperieren einer Batterie
- 2, 2'
- Batterie
- 10
- Kühlkreislauf
- 11
- Verdichter
- 12
- Verflüssiger
- 13
- Expansionsorgan
- 14
- Verdampfer
- 20, 20'
- Batteriegehäuse
- 21
- Offnung
- 22
- Schutzvlies
- 100
- Batteriekühlkreislauf
- 100'
- Klimaanlagenkreislauf
- 101
- Magnetventil
- 103
- Expansionsorgan
- 104
- Verdampfer
- 105
- Bypassventil
- 106
- Steuerschaltung
