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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug.
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Beim Einsatz von modernen Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, ist dafür Sorge zu tragen, dass sich die Temperatur der Batterie während des Betriebs in einem gewissen Intervall befindet. Daher ist eine Batterietemperierung, d. h. Kühlung bzw. Heizung, erforderlich. Zur Batterietemperierung wird häufig ein Kühlmedium, wie z. B. Kältemittel, Kühlmittel oder Luft eingesetzt, das über eine Anbindung in thermischem Kontakt mit der Batterie steht. Prinzipiell erfordern fluidgekühlte Systeme den Einsatz von Zusatzkomponenten. Hierzu zählen u. a. eine Einheit zur Förderung des Kühlmediums, wie beispielsweise Kompressor, Pumpe bzw. Gebläse, ein Wärmeübertrager, Ventile, Fluidleitungen, usw. Bei der Kältemittel- und Kühlmittelkühlung ist zudem das Kühlmedium bereitzustellen. Eine weitere Möglichkeit zur Batterietemperierung stellt die Verwendung von elektrothermischen bzw. thermoelektrischen Elementen bzw. Wandlern dar. Da die Verlustwärme der Batterie ebenso wie die Umgebungsbedingungen stark variieren können, ist die Temperierung wechselnden Bedingungen anzupassen. Hierbei sollte die Temperierung möglichst energieeffizient gestaltet werden.
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Die
US 4,314,008 offenbart ein thermoelektrisches, temperaturstabilisiertes Batteriesystem. Die Akkumulatoren befinden sich hierbei in einem Gehäuse, welches durch eine äußere Lage von Peltierelementen gekühlt oder geheizt wird. Die Abwärme im Kühlfall bzw. die aufgenommene Wärme im Heizfall wird über Kühlrippen an der anderen Seite der Peltierelemente an die Umgebungsluft abgegeben bzw. aus dieser gewonnen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, eine verbesserte Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs und ein verbessertes Energiespeichersystem für ein Fahrzeug zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Energiespeichersystem gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine temperaturabhängige Einstellung des elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs erhebliche Vorteile bietet. Der elektrothermische Wandler kann beispielsweise so effizient betrieben werden, dass dem elektrothermischen Wandler in der Regel keine größere Stromstärke zugeführt wird, als es zur Erreichung einer maximalen Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers erforderlich ist. Somit kann ein elektrothermischer Wandler beispielsweise derart bestromt werden, dass für die Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers in der Regel dauerhaft eine geringere als die höchste verfügbare Stromstärke verwendet wird.
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Der elektrothermische Wandler kann auf der Peltiertechnologie basieren. Im Vergleich zu einem konventionellen Kälteprozess entstehen aufgrund der Peltiertechnologie geringe Kosten bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden, wie sie bei konventioneller Ansteuerung bzw. Regelung nicht erreicht werden könnten. Thermoelektrische Elemente werden hiermit in der Breite einsetzbar, da sie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung effizienter als bisher betrieben werden können und somit Effizienzbestrebungen insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen unterstützen. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die kostengünstige Peltiertechnologie so intelligent eingesetzt und betrieben werden, dass die Effizienz bezüglich eines Verbrauchs an elektrischer Energie eine Mehrzahl von Anwendungen ermöglicht. Die erfindungsgemäße Stromeinstellung für einen elektrothermischen Wandler kann eine verbesserte Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Sicherheit sicherstellen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, mit folgendem Schritt:
Einstellen des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke, wenn eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt, wobei die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers bewirkt.
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Unter einem Fahrzeug kann hierbei ein Fahrzeug mit Hybrid- oder Elektroantrieb, wie beispielsweise ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibus, ein anderes Nutzfahrzeug, ein Sonderfahrzeug (Räumfahrzeug, Baumaschine, Gabelstapler..) und dergleichen, verstanden werden. Ein elektrochemischer Energiespeicher kann aus einer Anzahl einzelner galvanischer Zellen aufgebaut sein und z. B. Akkumulatoren bzw. Sekundärbatterien umfassen. Dabei kann es sich bei dem elektrochemischen Energiespeicher insbesondere um eine Fahrbatterie eines Fahrzeugs handeln, es kann sich aber auch um eine Batterie handeln, die elektrische Energie für den Antrieb mechanischer Funktionen bereitstellt, wie sie üblicherweise z. B. hydraulisch ausgeführt werden (z. B. greifen, heben). Eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers kann hierzu an zumindest einer Stelle des elektrochemischen Energiespeichers sensormäßig erfasst werden, wie beispielsweise einer warmen oder erfahrungsgemäß wärmsten Stelle und gegebenenfalls auch einer kalten oder erfahrungsgemäß kältesten Stelle. Für eine Nutzung des elektrochemischen Energiespeichers ist dieser möglichst innerhalb des Betriebstemperaturbereichs zu versetzen und zu halten. Dazu wird der elektrochemische Energiespeicher temperiert. Unter Temperieren kann hierbei eine Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers, wenn dessen Temperatur über dem Betriebstemperaturbereich liegt, bzw. eine Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers verstanden werden, wenn dessen Temperatur unter dem Betriebstemperaturbereich liegt. Eine Temperierung ist bedeutsam, da einerseits der Wirkungsgrad des elektrochemischen Energiespeichers bei Unterschreitung eines geeigneten Betriebstemperaturbereichs sehr stark sinkt und der elektrochemische Energiespeicher somit eine hohe Verlustleistung produziert. Andererseits laufen oberhalb des geeigneten Betriebstemperaturbereichs Prozesse innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers ab, die zu irreversiblen Schädigungen führen können. Der Betriebstemperaturbereich kann mit einer Hysterese beispielsweise für dessen Obergrenze und Untergrenze versehen sein. Zur Temperierung ist ein elektrothermischer Wandler vorgesehen. Unter einem elektrothermischen bzw. thermoelektrischen Wandler kann insbesondere ein Peltier-Element bzw. eine Mehrzahl von Peltier-Elementen verstanden werden. Bei der maximalen Stromstärke, auf die der elektrische Strom für den elektrothermischen Wandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingestellt wird, kann es sich um eine bezüglich einer höchsten verfügbaren Stromstärke verringerte Stromstärke handeln. Unter der maximalen Stromstärke kann somit die maximal eingestellte Stromstärke des elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler verstanden werden. Bei der maximalen Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers kann es sich um die maximale Kühlleistung bzw. Wärmeleistung desselben handeln.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einstellens der elektrische Strom auf die maximale Stromstärke eingestellt werden, wenn eine Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler unter einer Schwellentemperaturdifferenz liegt. Ferner kann der elektrische Strom auf eine reduzierte Stromstärke kleiner als die maximale Stromstärke eingestellt werden, wenn die Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler über der Schwellentemperaturdifferenz liegt. Die reduzierte Stromstärke kann die Stromstärke sein, die bevorzugt eingestellt wird, wenn nicht die maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers benötigt wird und die Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler über der Schwellentemperaturdifferenz liegt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass nicht immer die maximale Stromstärke eingestellt wird, sondern die reduzierte Stromstärke, wenn es die Temperaturbedingungen erlauben. Somit wird elektrische Energie eingespart. Wenn es die Temperaturbedingungen erfordern, kann jedoch die Stromstärke so eingestellt werden, dass die maximale Temperierleistung erreicht werden kann.
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Dabei kann im Schritt des Einstellens die reduzierte Stromstärke eine maximale Leistungszahl des elektrothermischen Wandlers bewirken. Unter einer maximalen Leistungszahl kann hierbei ein maximaler Wirkungsgrad bzw. ein maximaler Wert eines Verhältnisses von erzielter Temperierleistung zu jeweils zugeführter elektrischer Leistung verstanden werden. Die Leistungszahl ist auch unter dem englischen Begriff „Coefficient of Performance” (COP) bekannt. Die maximale Leistungszahl eines elektrothermischen Wandlers kann üblicherweise bei einer geringeren Stromstärke des zugeführten elektrischen Stroms, also geringerer zugeführter Leistung, erreicht werden als die maximale Temperierleistung. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der elektrische Strom auf eine Stromstärke eingestellt werden kann, die einen höchst effizienten Betrieb des elektrothermischen Wandlers ermöglicht.
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Im Schritt des Einstellens kann ein Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke mit einer definierten Hysterese bei der Temperaturdifferenz erfolgen. Das Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke kann somit beispielsweise einem Verlauf der Temperaturdifferenz nacheilen. Dies bietet den Vorteil, dass eine schnelle Zyklierung um die Schwellentemperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler vermieden werden kann.
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Ferner kann ein Schritt des Bestimmens der Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler aus einem ersten und einem zweiten Temperatursignal vorgesehen sein. Das erste Temperatursignal kann eine Temperatur auf einer dem elektrochemischen Energiespeicher zugewandten Seite des elektrothermischen Wandlers angeben. Das zweite Temperatursignal kann eine Temperatur auf einer von dem elektrochemischen Energiespeicher abgewandten Seite des elektrothermischen Wandlers angeben. Die Temperatursignale können mittels Temperatursensoren bereitgestellt werden. Liegt eine Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler vor, so ergibt sich diese aus einem Temperaturwert auf der dem elektrochemischen Energiespeicher zugewandten Seite des elektrothermischen Wandlers und einem Temperaturwert auf der von dem elektrochemischen Energiespeicher abgewandten Seite des elektrothermischen Wandlers. Anders ausgedrückt ergibt sich die Temperaturdifferenz aus einem Temperaturwert auf einer Warmseite des elektrothermischen Wandlers und einem Temperaturwert auf einer Kaltseite des elektrothermischen Wandlers. Abhängig von Umgebungstemperatur und Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers kann es sich beispielsweise bei der Warmseite und der Kaltseite abwechselnd um die von dem elektrochemischen Energiespeicher abgewandte oder die dem elektrochemischen Energiespeicher zugewandte Seite des elektrothermischen Wandlers handeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch Kenntnis wenigstens der herrschenden Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler der elektrische Strom für den elektrothermischen Wandler so eingestellt werden kann, dass ein Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke optimiert ist. Die Berechnung einer Stromstärke selbst ist exakter, wenn neben der Temperaturdifferenz wenigstens eine der beiden Absoluttemperaturen am thermoelektrischen Wandler oder alternativ wenigstens die beiden Absoluttemperaturen, aus denen sich die Temperaturdifferenz berechnen lässt, bekannt sind,
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Auch kann im Schritt des Einstellens eine Stromrichtung des elektrischen Stroms auf eine erste Stromrichtung eingestellt werden, wenn die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers über dem Betriebstemperaturbereich liegt. Ferner kann die Stromrichtung des elektrischen Stroms auf eine der ersten Stromrichtung entgegensetzte, zweite Stromrichtung eingestellt werden, wenn die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers unter dem Betriebstemperaturbereich liegt. Dabei kann der elektrothermische Wandler ein Peltier-Element sein. Eine der Stromrichtungen kann eine Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers bewirken, wobei die andere, jeweils entgegengesetzte Stromrichtung eine Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers bewirken kann. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der elektrochemische Energiespeicher mit demselben elektrothermischen Wandler sowohl gekühlt als auch beheizt werden kann. Dies spart Material, Kosten und Platz ein.
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Ferner kann ein Schritt des Anlegens des eingestellten elektrischen Stroms an den elektrothermischen Wandler vorgesehen sein, um den elektrochemischen Energiespeicher zu temperieren. Dies bietet den Vorteil, dass der elektrothermische Wandler so bestromt werden kann, dass abhängig von den herrschenden Betriebsumständen dessen Effizienz oder Leistung optimal ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einstellens der elektrische Strom auf eine Stromstärke von Null eingestellt werden, wenn eine Temperatur des elektrothermischen Wandlers über einem kritischen Temperaturwert liegt. Wird ein Überschreiten des kritischen Temperaturwerts des elektrothermischen Wandlers vermieden, indem bis zu einer Rückkehr der Temperatur des elektrothermischen Wandlers ein Stromfluss durch denselben unterbrochen wird, kann eine Beschädigung des elektrothermischen Wandlers wegen zu hoher Temperatur verhindert werden. Wird auch für ein Überschreiten und insbesondere ein Unterschreiten des kritischen Temperaturwerts eine Hysterese vorgesehen, kann auch hier eine hochfrequente Zyklierung bei dem elektrothermischen Wandler vermieden werden. So kann beispielsweise erst dann wieder ein elektrischer Strom mit einer von Null verschiedenen Stromstärke angelegt werden, wenn die Temperatur des elektrothermischen Wandlers um einen Betrag der Hysterese unter dem kritischen Temperaturwert liegt, sodass ein Betrieb des elektrothermischen Wandlers zumindest so lange möglich ist, bis der kritische Temperaturwert eventuell wieder überschritten wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung folgendes Merkmal aufweist:
eine Einrichtung zum Einstellen des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke, wenn eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt, wobei die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers bewirkt.
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In Verbindung mit der Vorrichtung kann ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, wobei das Energiespeichersystem folgende Merkmale aufweist:
einen elektrochemischen Energiespeicher;
einen Wärmeübertrager;
einen elektrothermischen Wandler, der zum Temperieren des elektrochemischen Energiespeichers ausgebildet ist und zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und dem Wärmeübertrager angeordnet ist; und
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler.
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In Verbindung mit dem Energiespeichersystem kann ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt bzw. eingesetzt werden. Unter einem Wärmeübertrager kann eine geeignete wärmeübertragende Einheit verstanden werden, wie beispielsweise ein Luftkühler oder eine Kühlplatte mit Kühlmittelkanälen.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Energiespeichereinheit;
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2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3A und 3B Diagramme von Verläufen einer Temperatur eines elektrochemischen Energiespeichers, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines Kühlleistungsverlaufs sowie eines Leistungszahlverlaufs eines elektrothermischen Wandlers abhängig von der angelegten Stromstärke; und
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5A und 5B Darstellungen von Kühlwärmestromverläufen über der Zeit.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichereinheit. Die Energiespeichereinheit weist eine Mehrzahl von elektrothermischen Wandlern in Gestalt von Peltier-Elementen 110, einen elektrochemischen Energiespeicher in Gestalt einer Batterie 120 und einen Wärmeübertrager 130 auf. Die Energiespeichereinheit kann in einem Fahrzeug eingesetzt werden, wie beispielsweise einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
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In 1 sind sechs Peltier-Elemente 110 dargestellt, von denen aus Platzgründen lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Es sollte klar sein, dass sich in der Praxis eine Anzahl von Peltier-Elementen 110 von der dargestellten unterscheiden kann. Die Batterie 120 kann eine Fahrbatterie des Fahrzeugs darstellen. Obwohl es in 1 nicht gezeigt ist, kann die Batterie 120 aus einer Mehrzahl von Zellen gebildet sein. Der Wärmeübertrager 130 kann ein geeignetes, Wärme übertragendes Elemente oder Modul sein, wie beispielsweise ein Luftkühler oder eine Kühlplatte mit Kühlmittelkanälen.
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Die Peltier-Elemente 110 sind zwischen der Batterie 120 und dem Wärmeübertrager 130 angeordnet. Die Batterie 120 und der Wärmeübertrager 130 sind um einen Spalt voneinander beanstandet, wobei die Peltier-Elemente 110 in dem Spalt vorgesehen sind. Dabei sind die Peltier-Elemente 110 sowohl mit der Batterie 120 als auch mit dem Wärmeübertrager 130 thermisch gekoppelt. Die Peltier-Elemente 110 sind in dem Spalt zwischen der Batterie 120 und dem Wärmeübertrager 130 verteilt angeordnet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems mit einer Energiespeichereinheit und einer Vorrichtung 250 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Energiespeichereinheit weist den anhand von 1 beschriebenen Aufbau aus einer Batterie 120, einem elektrothermischen Wandler 110 und einem Wärmeübertrager 130 auf.
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Die Vorrichtung 250 ist über elektrische Leitungen mit dem elektrothermischen Wandler 110 verbunden und ausgebildet, um einen Stromfluss durch den elektrothermischen Wandler 110 zu steuern. Der elektrothermische Wandler 110 kann eine Mehrzahl von Peltier-Elementen umfassen, die so verschaltet sind, dass der Stromfluss durch die Peltier-Elemente 110 bewirkt, dass sich entweder eine der Batterie 120 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 erhitzt und eine dem Wärmeübertrager 130 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 abkühlt, oder dass sich eine der Batterie 120 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 abkühlt und eine dem Wärmeübertrager 130 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 erhitzt. Je nach Richtung des Stromflusses kann die Batterie 120 somit entweder erwärmt oder gekühlt werden.
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Die Vorrichtung 250 ist ausgebildet, um den elektrischen Strom durch den elektrothermischen Wandler 110 abhängig von wenigstens einer Temperaturdifferenz des elektrothermischen Wandlers 110 und zusätzlich oder alternativ abhängig von einer Temperatur der Batterie 120 einzustellen.
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Hierzu ist die Vorrichtung 250 ausgebildet, um von der Energiespeichereinheit eine Temperaturinformation zu empfangen. Dazu kann die Energiespeichereinheit einen oder mehrere Temperatursensoren 270 aufweisen.
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Die 3A und 3B zeigen Diagramme von Verläufen 380 einer Temperatur eines elektrochemischen Energiespeichers über der Zeit, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Der elektrochemische Energiespeicher bzw. die Batterie kann, wie anhand der 1 und 2 beschrieben von einem elektrothermischen Wandler bzw. einem oder mehreren Peltier-Elementen temperiert werden. Der elektrothermische Wandler kann dabei mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler zum Temperieren des elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs verbunden sein. In den 3A und 3B ist jeweils an der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen und ist jeweils an der Ordinatenachse die Batterietemperatur Tbatt aufgetragen. Ferner sind in den 3A und 3B jeweils drei Zeitpunkte t1, t2, t3 sowie vier Temperaturwerte Tc,min, Tc,out, Th,out, Th,max eingezeichnet.
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Die Temperaturwerte Tc,min, Tc,out, Th,out, Th,max ergeben sich folgendermaßen. Es erfolgt eine Definition eines Temperaturbandes einer oder mehrerer gemessenen Batterietemperaturen, vorzugsweise an der wärmsten Stelle einer Batterie, innerhalb dessen die Peltier-Elemente nicht bestromt werden. Dies entspricht einem bevorzugten Betriebstemperaturbereich der Batterie. Oberhalb dieses Temperaturbandes wird die Batterie durch Bestromung der Peltier-Elemente gekühlt, unterhalb wird die Batterie geheizt. Der Betriebstemperaturbereich weist eine obere Grenztemperatur Tc,min und eine untere Grenztemperatur Th,max auf. Die obere Grenztemperatur Tc,min entspricht einer minimalen Einschalttemperatur der Peltier-Elemente für den Kühlfall. Die untere Grenztemperatur Th,max entspricht einer maximalen Einschalttemperatur der Peltier-Elemente für den Heizfall. Damit bei Durchschreiten der Grenztemperaturen keine permanente Zyklierung, d. h. schnelles Ein- und Ausschalten, der Peltier-Elemente erfolgt, werden Heizung und Kühlung hystereseartig betrieben. Eine Ausschalttemperaturfür den Heizfall Th,out liegt um einen ersten Hysteresebetrag höher als die untere Grenztemperatur Th,max bzw. die maximale Einschalttemperatur für den Heizfall. Eine Ausschalttemperatur für den Kühlfall Tc,out liegt um einen zweiten Hysteresebetrag niedriger als die obere Grenztemperatur Tc,min bzw. die minimale Einschalttemperatur für den Kühlfall.
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In 3A ist ein Fall dargestellt, bei dem der elektrochemische Energiespeicher bzw. die Batterie mittels des elektrothermischen Wandlers bzw. Peltier-Elements zu kühlen ist. Wie anhand des Temperaturverlaufs 380 zu erkennen ist, liegt die Batterietemperatur Tbatt zu einem Zeitpunkt t = 0 über der oberen Grenztemperatur Tc,min und wird bis zum Zeitpunkt t1 auf die Ausschalttemperatur für den Kühlfall Tc,out durch Kühlen gesenkt. Danach steigt die Batterietemperatur Tbatt bis zu dem Zeitpunkt t2 wieder bis zu der oberen Grenztemperatur Tc,min bzw. minimalen Einschalttemperatur für den Kühlfall. Von dem Zeitpunkt t2 bis zu dem Zeitpunkt t3 wird die Batterie wieder bis zu der Ausschalttemperatur für den Kühlfall Tc,out gekühlt. Nach dem Zeitpunkt t3 erwärmt die Batterie wieder. Auch wenn es in 3A nicht mehr weiter gezeigt ist, kann die Batterie nach dem obigen Hystereseschema so lange immer wieder gekühlt werden, wie es erforderlich ist.
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In 3B ist ein Fall dargestellt, bei dem der elektrochemische Energiespeicher bzw. die Batterie mittels des elektrothermischen Wandlers bzw. Peltier-Elements zu heizen ist. Wie anhand des Temperaturverlaufs 380 zu erkennen ist, liegt die Batterietemperatur Tbatt zu einem Zeitpunkt t = 0 unterhalb der unteren Grenztemperatur Th,max und wird bis zu dem Zeitpunkt t1 auf die Ausschalttemperatur für den Heizfall Th,out aktiv durch Heizen erhöht. Dann sinkt die Batterietemperatur Tbatt von selbst aufgrund der kalten Umgebung wieder ab, bis die untere Grenztemperatur Th,max bzw. maximale Einschalttemperatur für den Heizfall bei dem Zeitpunkt t2 erreicht wird. Nach einer erneuten aktiven Heizphase von dem Zeitpunkt t2 bis zu dem Zeitpunkt t3 wird die Ausschalttemperatur für den Heizfall Th,out wieder erreicht. Die Eigenabwärme der nun stärker belasteten Batterie bewirkt jedoch eine weitere Erwärmung, welche aber innerhalb des Betriebstemperaturbereiches der Batterie erfolgt und die Peltier-Elemente somit weder aktiv, d. h. mit elektrischem Strom, kühlen noch aktiv heizen müssen.
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Die in den 3A und 3B dargestellten Verläufe berücksichtigen nicht, dass in der Praxis aufgrund thermischer Trägheiten nicht genau die jeweilige Grenztemperatur eingehalten werden kann. Dies ist bei der Auslegung simulatorisch oder experimentell zu berücksichtigen. Darf beispielsweise eine bestimmte Batterietemperatur auf keinen Fall überschritten werden, ist ggf. bereits bei einer niedrigeren Temperatur die Kühlung anzuschalten, da die Temperaturveränderung aufgrund von Wärmekapazitäten der Bestromung der Peltierelemente zeitlich nachläuft.
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4 zeigt eine Darstellung eines Kühlleistungsverlaufs sowie eines Leistungszahlverlaufs eines elektrothermischen Wandlers, wie er beispielsweise anhand der 1 und 2 beschrieben ist, abhängig von der an den elektrothermischen Wandler angelegten Stromstärke. In 4 ist an der Abszissenachse die an den elektrothermischen Wandler angelegte elektrische Stromstärke I aufgetragen und sind an getrennt eingezeichneten Ordinatenachsen die Kühlleistung Qc sowie die Leistungszahl COP des elektrothermischen Wandlers bzw. eines oder mehrerer Peltier-Elemente aufgetragen. Ferner sind in 4 Leistungszahlmaximum COPmax und ein Kühlleistungsmaximum Qc,max gezeigt. Das Leistungszahlmaximum COPmax ist bei einer geringeren Stromstärke I erreicht als das Kühlleistungsmaximum Qc,max. In 4 ist somit die qualitative Lage von Kühlleistungsmaximum Qc,max und Leistungszahlmaximum COPmax dargestellt.
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Im folgenden wird erläutert, wie das Kühlleistungsmaximum Qc,max und das Leistungszahlmaximum COPmax zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs genutzt werden. Insbesondere beim Kühlfall werden die Peltier-Elemente mitunter so bestromt, dass deren Kühlleistung maximal wird, also bei oder nahe dem Kühlleistungsmaximum. Oberhalb und unterhalb dieser Stromstärke fällt die Kühlleistung ab. Im Heizfall kann dieselbe Strategie mit umgekehrter Polung verwendet werden, dadurch ergäbe sich eine maximale Ausnutzung des Wärmereservoirs der kalten Seite der Peltier-Elemente, z. B. Abwärmen, Umgebungswärme.
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Eine Alternative ist die Bestromung der Peltier-Elemente derart, dass nicht mit der dem Kühlleistungsmaximum Qc,max, sondern dem Leistungszahlmaximum COPmax entsprechenden Stromstärke gearbeitet wird. Die dem Leistungszahlmaximum COPmax entsprechende Stromstärke ist hierbei bezüglich der dem Kühlleistungsmaximum Qc,max entsprechenden Stromstärke reduziert, da das Leistungszahlmaximum COPmax regelmäßig bei geringeren Kühlleistungen erreicht wird als der Zustand maximaler Kühlleistung. Dementsprechend wird eine größere Menge an Peltier-Elementen vorzusehen sein. Bei dieser Strategievariante ist jedoch zu beachten, dass die Stromstärke am Leistungszahlmaximum COPmax für sehr kleine Temperaturdifferenzen zwischen warmer und kalter Seite eines Peltier-Elementes regelmäßig gegen null geht. Bei kleinen Temperaturdifferenzen reicht daher die dem Leistungszahlmaximum COPmax entsprechende Stromstärke eventuell nicht aus, um einen ausreichenden Kühl- bzw. Heizprozess in Gang zu setzen, wenn die an der Batterie gemessene Temperatur dies erfordern würde. Daher wird bei Unterschreitung einer bestimmten Schwellentemperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite eines Peltier-Elementes die dem Kühlleistungsmaximum Qc,max entsprechende Stromstärke verwendet. Hierdurch entsteht aufgrund der generell besseren Leistungszahl bei kleinen Temperaturhüben kein Nachteil.
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Die 5A und 5B zeigen Darstellungen von Kühlwärmestromverläufen 590 über der Zeit. In den 5A und 5B ist jeweils an der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen und ist jeweils an der Ordinatenachse der Kühlwärmestrom KWS für einen elektrochemischen Energiespeicher bzw. eine Batterie aufgetragen. 5A zeigt einen Fall, bei dem eine Auslegung von Peltier-Elementen, die zur Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers dienen, überdimensioniert ist. Der Verlauf 590 des Kühlwärmestroms in 5A weist konstante Abschnitte zwischen sprunghaften Ausschlägen auf hohe und niedrige Kühlwärmestromwerte auf. 5B zeigt einen Fall, bei dem die Auslegung der Peltier-Elemente richtig dimensioniert ist. Der Verlauf 590 des Kühlwärmestroms in 5B ist durchgehend konstant.
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Um eine richtige Dimensionierung der Auslegung der Peltier-Elemente zu ermitteln, ist die Menge der Peltier-Elemente, d. h. deren Anzahl multipliziert mit deren Fläche entscheidend. Es ist festzulegen, welche Stressfälle es für die Peltier-Elemente gibt, d. h. unter welchen Bedingungen, wie Umgebungstemperaturen, Abwärmen, etc., die maximale Auslastung der Peltier-Elemente erfolgt, wobei spezifizierte Vorgaben erfüllt sein müssen. Die Vorgaben können z. B. eine Aufheizung von 0 auf 10°C in 15 Minuten, eine Abkühlung von 50 auf 40°C in 30 Minuten unter voller Lade- und Entladebeanspruchung der Batterie umfassen. Werden die Vorgaben nicht erfüllt, so liegt Unterdimensionierung vor, d. h. die Menge an Peltier-Elementen muss erhöht werden. Gibt es in einem instationären Stressfall, insbesondere in einem Stressfall für die Kühlung, mindestens einmal eine Phase, in welcher eine Bestromung aufgrund Vorliegen einer günstigen Betriebstemperatur der Batterie nicht erfolgt, so liegt Überdimensionierung vor, welche die Leistungszahl bzw. den Wirkungsgrad der Batterietemperierung unnötig verschlechtert. Bei Überdimensionierung ist die Häufigkeit der stromfreien Phasen an den Peltier-Elementen höher als bei richtiger Dimensionierung. Dies führt in den aktiven Phasen dazu, dass höhere Leistungen an die Peltier-Elemente angelegt werden müssen, was die mittlere Wärmestromdichte von der Batterie an die Umgebung in den Einschaltphasen erhöht, wie es in 5A gezeigt ist. Somit sind bei den Peltier-Elementen auch die Temperaturdifferenzen zwischen Warm- und Kaltseite vergrößert und die Leistungszahlen verschlechtert. In den Ausschaltphasen fließt Wärme durch natürliche Wärmeleitung in die jeweils unerwünschte Richtung, wie z. B. bei heißer Umgebung von außen in die Batterie. Im Idealfall ist daher die Menge an Peltier-Elementen so gewählt, dass im Stressfall bis zu einem möglichen, endgültigen Erreichen des Betriebstemperaturbereichs der Batterie, was gleichzeitig das Ende des Stressfalles bedeutet, keine Phase ohne Bestromung vorkommt.
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Abgesehen von der Bestimmung der Menge an Peltier-Elementen können noch weitere Kriterien berücksichtigt werden. Dazu zählt beispielsweise eine Abschaltung der Bestromung eines Peltier-Elements nach Erreichen einer kritischen Temperatur an der Warmseite des Peltier-Elementes zum Materialschutz. Es kann eine Hysterese für die Abschaltung vorgesehen werden, um auch hier eine schnelle Zyklierung zu vermeiden. Eine Hysterese kann auch für die Umschaltung von temperierleistungsoptimierten auf eine leistungszahloptimierte Bestromung vorgesehen werden, um eine schnelle Zyklierung um die Schwellentemperaturdifferenz am Peltier-Element zu vermeiden. Verallgemeinert ausgedrückt lässt sich sagen, dass die Peltier-Elemente in der Regel nahe bei deren Leistungszahlmaximum betrieben werden sollen und bei Temperaturdifferenzen zwischen warmer und kalter Seite der Peltier-Elemente kleiner als einer bestimmten Schwellentemperaturdifferenz eine Bestromung oberhalb des Leistungszahlmaximums erfolgen soll, allerdings soll die Stromstärke nicht höher sein als beim Temperierleistungsmaximum.
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Eine Alternative stellt eine Zweipunktregelung mit nur den beiden Zuständen „Strom an” mit konstant festgelegter Stromstärke und „Strom aus” dar. Simulationen haben aber gezeigt, dass mit einer solchen Strategie inakzeptable Energieverbräuche bewirkt werden, die bereits in die Größenordnung der von der Batterie geladenen und entladenen elektrischen Leistung geraten können.
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Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine optimierte Auslegungs- und Betriebsstrategie zur Batterietemperierung beispielsweise mit Peltier-Elementen. Batterien erzeugen Abwärme, haben einen optimalen Betriebstemperaturbereich und können mit Peltier-Elementen temperiert werden. Um den Aufwand an elektrischer Energie zu minimieren und eine Divergenz der Temperaturen im Kühlfall, bis hin zu einem Zusammenbruch der Peltier-Kühlung, zu vermeiden, ist die vorgestellte Strategie zur Bestromung der Peltier-Elemente in Abhängigkeit von Temperaturmesswerten vorteilhaft. Die benötigte Menge an Peltier-Elementen soll eine methodisch zu ermittelte Obergrenze nicht überschreiten und der Betriebszustand der Peltier-Elemente liegt zwischen deren Leistungszahlmaximum und deren Temperierleistungsmaximum.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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