DE102015010982A1 - Kühlverfahren beim Laden von Elektrofahrzeugen und Ladestation dazu - Google Patents

Kühlverfahren beim Laden von Elektrofahrzeugen und Ladestation dazu Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Traktionsbatterie (12) eines Elektrofahrzeugs (10) während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie (12), wobei die Traktionsbatterie (12) mit einer Kühlerfläche (14) des Elektrofahrzeugs (10) thermisch verbunden ist. Dabei wird die Kühlerfläche (14) des Elektrofahrzeugs (10) mit einem Aerosol (24) aus einer Sprühvorrichtung (22) beaufschlagt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Ladesäule (20), die eine entsprechende Sprühvorrichtung (22) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs während eines Ladevorgangs, und weiterhin eine entsprechende Ladestation.
  • Elektrofahrzeuge stellen umweltfreundliche Alternativen zu Kraftfahrzeugen dar, die ausschließlich mit Verbrennungsmotoren betrieben werden. Nachteilig ist jedoch bei Elektrofahrzeugen der Umstand, dass die Ladevorgänge entsprechender Traktionsbatterien im Vergleich zum Tankvorgang mit einem Kraftstoff auf der Grundlage eines fossilen Brennstoffs vergleichsweise viel Zeit in Anspruch nehmen. Die Ladezeiten dieser Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen lassen sich durch Schnellladevorgänge verkürzen, jedoch tritt dabei auch eine erhöhte Wärmebelastung der Traktionsbatterie auf. Um dieses Problem zu verringern, wurden mehrere Lösungsansätze beschrieben. Die DE 10 2012 220 218 A1 beschreibt zu diesem Zweck ein Verfahren zum Laden einer Traktionsbatterie, wobei diese an eine Fluid übertragende Leitung angeschlossen wird, welche mit einer Kühlvorrichtung einer Ladestation in Verbindung steht und ein kühlendes Wärmemedium an die Traktionsbatterie liefert. Das in dieser Druckschrift beschriebene Prinzip beruht also darauf, dass die Traktionsbatterie an ein externes Kühlsystem angeschlossen wird und zeitweilig ein Bestandteil davon wird, wobei das externe Kühlsystem eine erhöhte Kühlkapazität hat. Zu diesem Zweck ist es folglich notwendig, eine Verbindung zwischen einem Kühlsystem des die Traktionsbatterie aufweisenden Fahrzeugs und dem externen Kühlsystem bereitzustellen. Die DE 10 2014 203 859 A1 beschreibt dagegen ein Verfahren, bei dem seitens einer Ladestation ein Kühlkörper bereitgestellt wird, der mit einer Kontaktierungsfläche einer Traktionsbatterie in thermischen Kontakt gebracht wird und diese somit direkt kühlt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein alternatives Verfahren zur Kühlung einer Traktionsbatterie bereitzustellen. Insbesondere soll möglichst ein Verfahren bereitgestellt werden, das mit geringerem baulichem Aufwand auskommt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine entsprechende Ladestation zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Aufgabe ist in einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines Elektrokraftfahrzeugs, während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie, wobei die Traktionsbatterie mit einer Kühlerfläche des Elektrofahrzeugs thermisch verbunden ist, und wobei die Kühlerfläche des Elektrofahrzeugs mit einem Aerosol aus einer Sprühvorrichtung beaufschlagt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind unter Elektrofahrzeugen auch sogenannte Hybridfahrzeuge umfasst, die neben einem Elektromotor noch einen anderen Motor, beispielsweise einen Verbrennungsmotor, umfassen, der entweder direkt für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann, oder zur Aufladung einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Die Traktionsbatterie dient in erster Linie dem Antrieb des Fahrzeugs, kann jedoch auch weitere Funktionen, wie beispielsweise Startfunktion für einen entsprechenden Verbrennungsmotor, oder die Stromversorgung elektrischer Komponenten des Elektrofahrzeugs übernehmen.
  • Die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs ist mit einer Kühlerfläche des Elektrofahrzeugs thermisch verbunden, die mindestens dafür ausgelegt ist, die Abwärme, die beim normalen Gebrauch der Traktionsbatterie anfällt, abzuführen. Dies erfolgt üblicherweise im Rahmen eines Kühlsystems des Elektrofahrzeugs. Beispielsweise ist die Kühlerfläche Bestandteil eines geschlossenen Flüssigkeitskreislaufs, der Wärme von der Traktionsbatterie abtransportiert und über die Kühlerfläche nach außen abgibt. Gegebenenfalls beinhaltet der Kühlkreislauf auch eine Kältemaschine und einen Wechsel des verwendeten Kühlmittels zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand.
  • Vorteilhaft ist es nun im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich, das Kühlsystem des Elektrofahrzeugs aufwändig mit einem externen Kühlsystem zu verbinden oder die Traktionsbatterie baulich so in das Fahrzeug zu integrieren, dass sie für den Kontakt mit einem externen Kühlkörper zugänglich bleibt. Vielmehr wird die Kühlleistung des ohnehin vorhandenen Kühlsystems dadurch gesteigert, dass die Kühlerfläche des Elektrofahrzeugs mit einem Aerosol aus einer Sprühvorrichtung beaufschlagt wird und somit die die Kapazität zum Abführen thermischer Energie gesteigert wird.
  • Bei der Kühlerfläche handelt es sich gemäß einer Weiterbildung insbesondere um den Kühlkörper eines Fahrzeugs. Üblicherweise ist ein derartiger Kühlkörper, der in der Regel Oberflächenvergrößerungen wie Kühlrippen zum effizienteren Abführen von Wärmeenergie aufweist, an der Fahrzeugfront des Fahrzeugs angeordnet, wobei er insbesondere während der Fahrt mit einem durch den Fahrtwind gebildeten kühlenden Luftstrom einfach in Kontakt treten kann. Das Aerosol wird in diesem Fall direkt auf den Kühlkörper oder auf den üblicherweise in Fahrtrichtung gesehen vor dem Kühlkörper angebrachten Kühlergrill des Elektrofahrzeugs beaufschlagt.
  • Das Aerosol im Rahmen der Erfindung ist insbesondere ein Flüssig-Aerosol, bei dem Tröpfchen in einer Gasphase suspendiert sind.
  • Als Gasphase für das Aerosol kann ein beliebiges Gas verwendet werden, beispielsweise Luft oder Stickstoffgas, oder ein Gemisch davon. Im Falle eines Flüssig-Aerosol kann die flüssige Phase eine beliebige Flüssigkeit sein, die mit der Oberfläche eines Elektrofahrzeugs verträglich ist, weiterhin umweltverträglich ist und eine ausreichende Verdunstungswärme aufweist, wobei der Fachmann in Kenntnis des Erfindungsgedankens ohne weiteres in der Lage ist, entsprechende Flüssigkeiten zu bestimmen. Beispiele für derartige Flüssigkeiten sind Wasser oder organische Lösungsmittel, wie etwa Ethanol, n-Propan oder Isopropanol, oder Gemische zweier oder mehrerer Vertreter davon.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Aerosol um einen Wassernebel. Bei dem Wasser kann es sich um normales Leitungswasser handeln, oder zur Verringerung von Salzflecken auf der Karosserie des Elektrofahrzeugs nach Trocknung des Aerosols, um Wasser mit vermindertem Salzgehalt, beispielsweise entionisiertes Wasser. Vorteilhaft wird mit Wasser als flüssiger Phase des Aerosols eine Substanz gewählt, die gut verfügbar und umweltverträglich ist und eine hohe Verdunstungswärme aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält das Aerosol ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einem organischen Lösungsmittel. In weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei dem Lösungsmittel oder den Lösungsmitteln um Ethanol, n-Propanol oder Isopropanol, die in vorteilhafter Weise Verdunstungswärmen aufweisen, die mit denen von Wasser vergleichbar sind. Durch im Vergleich mit Wasser niedrigere Siedepunkte wird darüber hinaus ein verbessertes Abführen thermischer Energie ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Aerosol um ein gekühltes Aerosol, beispielsweise um ein Aerosol, das eine geringere Temperatur aufweist als die Umgebungstemperatur. Vorteilhaft wird dadurch die Kapazität zum Abführen thermischer Energie gesteigert.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Beaufschlagung mit Aerosol in Abhängigkeit von einem gemessenen Ladezustand der Traktionsbatterie. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass zu Beginn des Ladevorgangs üblicherweise hohe Ladeströme fließen, die entsprechend eine hohe Abwärme verursachen, also eine hohe abzuführende thermische Energie, wohingegen gegen Ende des Ladevorgangs nur noch geringe Ströme fließen und die Abwärme demzufolge geringer ist. Das Verfahren steuert nun vorteilhaft in Abhängigkeit von dem Ladezustand die Beaufschlagung der Kühlerfläche mit Aerosol. Der Ladezustand der Batterie wird gemäß einer Weiterbildung direkt über den fließenden Ladestrom gemessen, gemäß einer anderen Weiterbildung indirekt über die verstrichene Ladezeit bestimmt, wobei gegebenenfalls typische Kennlinien des Ladeverlaufs der jeweiligen Traktionsbatterie zugrundegelegt werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Ladestation zur elektrischen Aufladung einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, wobei die Ladestation eine Sprühvorrichtung zur Beaufschlagung eines Aerosols auf eine mit der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs thermisch verbundene Kühlerfläche umfasst. Die Ladestation ist insbesondere geeignet zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens. Sie kann Komponenten umfassen, die üblicherweise bei Ladestationen für Traktionsbatterien vorhanden sind, beispielsweise Ladekabel oder Induktionsvorrichtungen zur Übertragung eines elektrischen Stroms in eine Traktionsbatterie, Bezahl- und/oder Kontroll-Vorrichtungen, mittels derer sich ein Nutzer als autorisiert für das Durchführen eines Ladevorgangs identifizieren kann, und/oder Steuervorrichtungen zur Einstellung weiterer Parameter des Ladevorgangs, beispielsweise der gewünschten Ladedauer. Jedoch umfasst die Ladestation in jedem Fall eine Sprühvorrichtung, welche vorteilhaft die Beaufschlagung der Kühlerfläche eines Elektrofahrzeugs mit dem Aerosol ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Sprühvorrichtung hinsichtlich ihrer Position und/oder der Sprührichtung des Aerosols verstellbar. Vorteilhaft kann ein Nutzer somit die Sprühvorrichtung in Bezug auf die zu beaufschlagende Kühlerfläche seines Elektrofahrzeugs optimal positionieren, beispielsweise direkt vor der Kühlerfläche oder in Höhe der Kühlerfläche, oder kann die Sprühvorrichtung einstellen, beispielsweise die Richtung des aus der Sprühvorrichtung austretenden Aerosols so wählen, dass dieses möglichst effizient auf die Kühlerfläche oder einen davor befindlichen Kühlergrill auftrifft. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Positionierung autonom von der Ladestation vorgenommen wird, wobei beispielsweise unter Verwendung bildgebender Verfahren, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer Datenbank mit Daten über das jeweilige Fahrzeug, die Position der zu beaufschlagenden Kühlerfläche ermittelt wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Ladestation eine Abstellfläche, auf der das Elektrofahrzeug für den Zeitraum der Aufladung der Traktionsbatterie abgestellt wird. Durch eine entsprechende Abstellfläche, die vorzugsweise durch Bodenmarkierungen gekennzeichnet ist, erhalten Nutzer der Ladestation vorteilhaft Informationen, wie sie ihr Elektrofahrzeug optimal positionieren können, um eine effiziente Beaufschlagung der Kühlerfläche des Elektrofahrzeugs mit dem Aerosol zu ermöglichen. Nach dem Abstellen des Elektrofahrzeugs auf der Abstellfläche befindet sich dieses entweder bereits optimal positioniert gegenüber der Sprühvorrichtung, oder die Sprühvorrichtung kann gegebenenfalls noch manuell oder autonom in einfacher Weise gegenüber der Kühlerfläche positioniert werden, da sich das Elektrofahrzeug bereits in einer vergleichsweise guten Position relativ zur Sprühvorrichtung befindet, die wenige Korrekturen erfordert.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Sprühvorrichtung entlang einer Begrenzung der Abstellfläche verstellbar ist. Beispielsweise kann die Sprühvorrichtung translational entlang der Begrenzung verschoben werden, so dass ein Elektrofahrzeug unabhängig davon, ob es in Vorwärtsrichtung oder Rückwärtsrichtung abgestellt ist, in jedem Fall auf seiner Kühlerfläche mit dem Aerosol beaufschlagt werden kann, da die Sprühvorrichtung zu dem die Kühlerfläche aufweisenden Ende des Fahrzeugs bewegt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ladestation eine Auffangvorrichtung für beaufschlagtes Aerosol. Für den Fall, dass das Aerosol nach der Beaufschlagung nicht vollständig in die gasförmige Phase übergeht, sondern am Fahrzeug in flüssiger Form abtropft, wird dadurch vorteilhaft ein unkontrolliertes Versickern im Boden verhindert. Vielmehr werden in einem wenigstens teilweise geschlossenen Kreislauf das Sammeln und gegebenenfalls die Wiederverwendung der flüssigen Phase des Aerosols ermöglicht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation,
  • 2 schematische Ablaufdiagramme des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Elektrofahrzeugs 10, das eine Traktionsbatterie 12 und eine Kühlerfläche 14 umfasst, wobei die Kühlerfläche 14 über Kühlleitungen 16 mit der Traktionsbatterie 12 thermisch verbunden ist. Weitere Einzelheiten dieses Kühlkreislaufs, wie beispielsweise Umwälzpumpen oder gegebenenfalls Kompressoren und Drosselventile, sind nicht dargestellt. Der Kühlerfläche 14 ist nach außen hin vorgelagert ein Kühlergrill 18. Das Elektrofahrzeug 10 befindet sich an einer Ladestation 20, die eine Sprühvorrichtung 22 zur Freisetzung eines Aerosols 24 umfasst, mit dem die Kühlerfläche 14 beaufschlagt wird. Dadurch wird ein verbessertes Abführen von thermischer Energie ermöglicht, die während eines Ladevorgangs, insbesondere während eines Schellladevorgangs von der Traktionsbatterie 12 freigesetzt wird. Zur besseren Veranschaulichung ist noch eine Ladesäule 26 als weiterer Bestandteil der Ladestation 20 dargestellt, deren Ladekabel 28 mit einer Ladebuchse 30 des Elektrofahrzeugs 10 und über diese mittels einer Ladeleitung 32 mit der Traktionsbatterie 12 verbunden ist.
  • 2 zeigt schematische Ablaufdiagramme des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die linke Teilfigur 2A zeigt das Verfahren in seiner einfachsten Form. In einem Verfahrensschritt 200 wird während eines Ladevorgangs einer Traktionsbatterie 12 eines Elektrofahrzugs 10, wobei die Traktionsbatterie 12 mit einer Kühlerfläche 14 des Elektrofahrzeugs 10 thermisch verbunden ist, die Kühlerfläche des Elektrofahrzeugs 10 mit einem Aerosol 24 aus einer Sprühvorrichtung 22 beaufschlagt. Gemäß einer weiteren, in der rechten Teilfigur 2B gezeigten Ausführungsform erfolgt gemäß einem vorgeschalteten Verfahrensschritt 100 ein Abstellen des Elektrofahrzeugs 10 auf einer Abstellfläche einer Ladestation, erforderlichenfalls gefolgt von einem Positionieren der Sprühvorrichtung 22 gegenüber der Kühlerfläche 14 in einem Verfahrensschritt 150, so dass im Verfahrensschritt 200 ein optimales Beaufschlagen der Kühlerfläche 14 mit einem Aerosol 24 erfolgen kann.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten sowie Kombinationsmöglichkeiten von Elementen der hierin beschriebenen Ausführungsformen und Weiterbildungen existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Elektrofahrzeug
    12
    Traktionsbatterie
    14
    Kühlerfläche
    16
    Kühlleitungen
    18
    Kühlergrill
    20
    Ladestation
    22
    Sprühvorrichtung
    24
    Aerosol
    26
    Ladesäule
    28
    Ladekabel
    30
    Ladebuchse
    32
    Ladeleitung
    100–200
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012220218 A1 [0002]
    • DE 102014203859 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Kühlung einer Traktionsbatterie (12) eines Elektrofahrzeugs (10) während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie (12), wobei die Traktionsbatterie (12) mit einer Kühlerfläche (14) des Elektrofahrzeugs (10) thermisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlerfläche (14) des Elektrofahrzeugs (10) mit einem Aerosol (24) aus einer Sprühvorrichtung (22) beaufschlagt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol (24) ein Wassernebel ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol (24) ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einem organischen Lösungsmittel enthält.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol (24) ein gekühltes Aerosol ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit Aerosol (24) in Abhängigkeit von einem Ladezustand der Traktionsbatterie (12) erfolgt.
  6. Ladestation (20) zur elektrischen Aufladung einer Traktionsbatterie (12) eines Elektrofahrzeugs (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (20) eine Sprühvorrichtung (22) zur Beaufschlagung eines Aerosols (24) auf eine mit der Traktionsbatterie (12) des Elektrofahrzeugs (10) thermisch verbundene Kühlerfläche (14) umfasst.
  7. Ladestation (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (22) hinsichtlich ihrer Position und/oder Sprührichtung des Aerosols (24) verstellbar ist.
  8. Ladestation (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (20) für das Elektrofahrzeug (10) eine Abstellfläche für den Zeitraum der Aufladung der Traktionsbatterie (12) umfasst.
  9. Ladestation (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (22) entlang einer Begrenzung der Abstellfläche verstellbar ist.
  10. Ladestation (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (20) eine Auffangvorrichtung für beaufschlagtes Aerosol umfasst.
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