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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer Batterie, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zum Kühlen einer Batterie.
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Batterien, wie z. B. Batterien von (Hybrid)elektrofahrzeugen, erwärmen sich beim Laden und Entladen und benötigen daher unter bestimmten Betriebsbedingungen eine Kühlung, um negative Auswirkungen einer zu hohen Batterietemperatur zu vermeiden. Ist die Kühlung nicht ausreichend, kann sich dies z. B. negativ auf die Lebensdauer der Batterie auswirken.
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Eine Kühlung der Batterie kann beispielsweise durch den Fahrtwind erreicht werden, der an der Batterie entlang geleitet wird. Die erzielbare Kühlwirkung kann jedoch selbst bei hoher Geschwindigkeit des Fahrzeugs unzureichend für eine ausreichende Batteriekühlung sein, insbesondere, falls die Batterie einer hohen Belastung ausgesetzt ist und sich folglich stark erwärmt.
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Nach dem Stand der Technik können zur Batteriekühlung zusätzlich Lüfter eingesetzt werden. Für den Betrieb der Lüfter ist allerdings elektrische Energie erforderlich, die der Batterie entnommen wird, was wiederum zu einer Erwärmung der Batterie führen kann. Im Ergebnis kühlt sich die Batterie also selbst.
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Beispielsweise ist aus der
DE 40 18 347 A1 eine Anordnung zur Kühlung der Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei der die Batterie zumindest teilweise in einem Gehäuse angeordnet ist und das Gehäuse mit einer im Frontbereich des Fahrzeugs angeordneten Lufteinlassöffnung sowie mit einer Luftauslassöffnung in Verbindung steht. Die Lufteinlassöffnung ist in der Wandung einer Luftleiteinrichtung ausgebildet, an welche sich ein mit einem Lüfter ausgestatteter Kühler für den Motor des Kraftfahrzeugs anschließt. Bei stehendem Fahrzeug saugt der Lüfter Frischluft über die Luftleiteinrichtung durch den Kühler an. In der Luftleiteinrichtung entsteht dadurch ein Unterdruck, welcher direkt oder indirekt über eine Leitung aus dem Gehäuse für die Batterie erwärmte Luft absaugt. Bei Fahrbetrieb entsteht an der Luftleiteinrichtung ein Staudruck, der bewirkt, dass Frischluft in das Batteriegehäuse gedrückt wird.
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Die
DE 103 37 493 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Fahrzeugbatterie. Die Batterie ist in einem Behälter angeordnet, der mit Ausnahme eines Kühllufteinlasses und eines Luftaustragsdurchlasses im Wesentlichen dicht ausgebildet wird. Bei Fahrzeugbewegung wird über einen Luftstutzen relativ kalte Luft von außerhalb des Fahrzeugs an den Kühllufteinlass gelenkt. Die Kühlluft wird um die Batterie herum in Richtung des Austragsdurchlasses und durch diesen hinausgedrängt. Der Kühllufteinlass ist bevorzugt im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordnet, um den Staudruck auszunutzen.
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Der bei Fahrzeugbewegung entstehende Staudruck und die daraus resultierende Frischluftströmung sind für eine ausreichende Kühlung jedoch häufig nicht ausreichend, insbesondere falls es sich bei der Batterie um die Traktionsbatterie eines Fahrzeugs handelt.
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Die
DE 10 2012 217 469 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung einer Komponente, z. B. einer Batterie, in einem Fahrzeug mittels einer Kühlluftströmung. Die Vorrichtung weist mindestens einen Lufteinlass und mindestens einen Luftauslass auf, die derart angeordnet sind, dass sich die Kühlluftströmung aufgrund einer Druckdifferenz einstellt, die sich bei der Bewegung des Fahrzeugs aufgrund unterschiedlich hoher Strömungsgeschwindigkeiten der umgebenden Luft einstellt. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Verwendung bei einem Luftfahrzeug vorgesehen, bei dem sich die unterschiedlich hohen Strömungsgeschwindigkeiten aufgrund der Form und Anordnung der Flügel ausbilden, d. h. der Lufteinlass ist auf der Unterseite des Flügels und der Luftauslass auf der Oberseite des Flügels angeordnet. Bei einem Landfahrzeug sind die bei Fahrzeugbewegung resultierenden unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten jedoch häufig zu gering, um eine ausreichende Kühlwirkung zu erzielen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Kühlung einer Batterie anzugeben, mit der eine hohe Kühlwirkung ermöglicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung einer Batterie, z. B. der Batterie eines Kraftfahrzeugs, weist eine Batterie, ein die Batterie umgebendes Gehäuse mit einem Lufteinlass und einem Luftauslass und einen Luftströmungskanal, ausgebildet zum Erzeugen einer Luftströmung auf. Der Luftströmungskanal weist eine Querschnittsverengung auf und der Luftauslass mündet im Bereich der Querschnittsverengung in den Luftströmungskanal.
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Mit anderen Worten ist an der Verbindungsstelle zwischen Luftauslass und Luftströmungskanal eine Venturieinrichtung ausgebildet. Dies bewirkt, dass bei Luftströmung im Luftströmungskanal der Staudruck an der Querschnittsverengung erhöht wird und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Bereich der Querschnittsverengung zunimmt. In der Folge sinkt der Druck im Luftauslass und es entsteht eine Druckdifferenz zwischen Luftströmungskanal und dem mit dem Luftauslass verbundenen Gehäuse. Aufgrund des Differenzdrucks entsteht eine vom Lufteinlass zum Luftauslass gerichtete Luftströmung, welche die im Gehäuse angeordnete Batterie kühlt.
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Die Querschnittsverengung kann beispielsweise durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind, gebildet sein. Der Luftauslass mündet in die Vereinigungsstelle.
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Die Luftströmung im Luftströmungskanal kann bevorzugt durch eine Bewegung des Kraftfahrzeugs erzeugt werden, indem der Luftströmungskanal so angeordnet ist, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Luftströmungskanaleinlass und dem Luftströmungskanalauslass resultiert. Beispielsweise kann der Luftströmungskanal parallel zur Längsausrichtung des Kraftfahrzeugs verlaufen, so dass bei Bewegung des Kraftfahrzeugs im Bereich des Luftströmungskanaleinlasses durch den Fahrtwind ein Staudruck anliegt.
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Bei der Batterie kann es sich beispielsweise um die Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridelektrofahrzeugs handeln.
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Die Batterie wird von dem Gehäuse derart umgeben, dass zumindest teilweise ein Zwischenraum zwischen der Batterie und einer Wandung des Gehäuses ausgebildet wird, so dass im Zwischenraum eine kühlende Luftströmung ausgebildet werden kann. Optional können Einrichtungen zur Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen Batterie und der im Zwischenraum befindlichen Luft vorhanden sein, z. B. in Form von Kühlrippen zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Batterie und umgebender Luft.
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Die Anordnung ermöglicht eine effektive Kühlung der Batterie auf einfache und kostensparende Art und Weise. Vorteilhaft kann die Kühlung realisiert werden, ohne dass elektrische Energie für die Kühlung, z. B. zum Betreiben von Lüftern, benötigt wird. Außerdem ist kein flüssiges Kühlmedium, wie z. B. Kühlwasser, erforderlich, so dass keine Gefahr für eine Beschädigung der Batterie durch Kontakt mit einem flüssigen Kühlmedium, z. B. im Falle einer Leckage, besteht. Weiterhin kann die Kühlung ohne übermäßige Geräuschentwicklung, wie sie beispielsweise mit dem Betreiben von Lüftern verbunden sein kann, erfolgen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anordnung mehrere Luftquellen aufweisen. Dabei ist der Lufteinlass mit mehreren Luftquellen verbunden und/oder das Gehäuse weist mehrere Lufteinlässe auf, die jeweils mit mindestens einer Luftquelle verbunden sind.
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Durch die Bereitstellung mehrerer Luftquellen, aus denen dem Gehäuse über den Lufteinlass Luft zur Verfügung gestellt werden kann, kann die Kühlwirkung variiert werden. Beispielsweise können als Luftquellen die Klimaanlage des Kraftfahrzeugs und/oder der Innenraum des Kraftfahrzeugs genutzt werden. Mit anderen Worten kann dem Gehäuse Luft aus dem Innenraum des Kraftfahrzeugs oder direkt von der Klimaanlage zugeführt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung Mittel zur Beeinflussung der Luftströmung im Luftströmungskanal aufweisen.
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Beispielsweise kann der Querschnitt des Luftströmungskanals, z. B. am Luftströmungskanaleinlass, variabel ausgebildet sein, indem eine Drosseleinrichtung, z. B. eine Drosselklappe im Luftströmungskanal angeordnet ist.
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Die Beeinflussung der Luftströmung im Luftströmungskanal wirkt sich auf die sich einstellende Druckdifferenz aus, die wiederum die Luftströmung im Gehäuse und damit die Kühlung der Batterie beeinflusst. Eine Verringerung des Querschnitts des Luftströmungskanals am Luftströmungskanaleinlass kann beispielswiese nützlich sein, wenn für die Batteriekühlung eine moderate Druckdifferenz ausreichend ist, da dadurch der Luftwiderstand des Kraftfahrzeugs verringert und folglich die für den Antrieb des Fahrzeugs notwendige Energie verringert werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung einen im Lufteinlass angeordneten Lüfter aufweisen. Sind mehrere Lufteinlässe vorhanden, können selbstverständlich auch mehrere Lüfter vorhanden sein.
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Die Lüfter können die Luftströmung im Gehäuse und damit die Kühlwirkung für die Batterie verstärken, so dass auch bei außerordentlich hohem Kühlbedarf eine ausreichende Kühlung erreicht werden kann.
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Der bzw. die Lüfter können signalübertragend mit der Steuereinheit verbunden sein und durch diese gesteuert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung eine Steuereinheit aufweisen, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, Steuersignale an die Luftquellen, den Lüfter und/oder an die Mittel zur Beeinflussung der Luftströmung in Abhängigkeit einer Temperatur der Batterie auszugeben.
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Mit anderen Worten kann je nach Kühlbedarf und ggf. weiteren Bedingungen festgelegt werden, welche Luftquelle(n) die für die Batteriekühlung benötigte Luft bereitstellen, ob der Lüfter in Betrieb genommen und wenn ja, mit welcher Leistung er betrieben wird und/oder es kann die Luftströmung im Luftströmungskanal variiert werden, z. B. indem eine Drosseleinrichtung geöffnet oder geschlossen wird.
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Die Steuereinheit kann mit einer Temperaturermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Batterietemperatur signalübertragend verbunden sein. Nach Empfang eines Eingangssignals der Temperaturermittlungseinrichtung kann die Steuereinheit dieses Eingangssignal basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen verarbeiten und die Steuersignale an entsprechende Aktoren, also z. B. im Luftströmungskanal und/oder in den Lufteinlässen angeordnete Drosseleinrichtung und/oder den Lüfter, ausgibt.
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Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein, physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und beispielsweise in eine Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs integriert sein.
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Die Steuereinheit ermöglicht vorteilhaft eine automatische und bedarfsgerechte Kühlung der Batterie.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung einen im Luftströmungskanal stromaufwärts der Querschnittsverengung angeordneten Wasserabscheider aufweisen.
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Der Wasserabscheider dient der Entfernung von Wasser aus der im Luftströmungskanal strömenden Luft. Hierdurch kann einer Veränderung der Strömungsverhältnisse an der Querschnittsverengung durch in der Luft enthaltenes Wasser entgegengewirkt werden. Außerdem kann ein unbeabsichtigtes Eindringen von Wasser in das Gehäuse und damit ein Kontakt der Batterie mit Wasser verhindert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann eine Wandung des Luftströmungskanals durch einen Unterboden eines Kraftfahrzeugs gebildet sein.
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Beispielsweise kann der Luftströmungskanal durch ein am Unterboden des Kraftfahrzeugs befestigtes Luftleitblech gebildet sein. Hierdurch kann vorteilhaft die während einer Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeugs am Unterboden entstehende Luftströmung zum Erzielen der Druckdifferenz ausgenutzt werden. Die Anordnung am Unterboden bringt zudem eine allenfalls geringfügige Beeinflussung weiterer Anordnungen am und im Kraftfahrzeug mit sich, da der Luftströmungskanal auf einfach Art und Weise außerhalb der üblichen Begrenzung des Kraftfahrzeugs angeordnet werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine der vorstehend beschriebenen Anordnungen auf.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Das Kraftfahrzeug kann als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei der Batterie um eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridelektrofahrzeugs handeln. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Ausführungsvarianten.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kühlen einer Batterie einer der vorstehend beschriebenen Anordnungen weist ein Erzeugen einer Luftströmung im Luftströmungskanal, ein Erzeugen eines Unterdrucks im Gehäuse mittels der Querschnittsverengung und ein Kühlen der Batterie mittels einer durch den Unterdruck bewirkten Luftströmung vom Lufteinlass zum Luftauslass auf.
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Die Luftströmung im Luftströmungskanal kann bevorzugt mittels Bewegen des Kraftfahrzeugs erzeugt werden.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den vorstehend bezüglich der Anordnung beschriebenen Vorteilen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine beispielhafte Anordnung zur Kühlung einer Batterie;
- 2 eine weitere beispielhafte Anordnung zur Kühlung einer Batterie; und
- 3 ein beispielhaftes Kraftfahrzeug.
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In der 1 ist eine Anordnung 1 zur Kühlung einer Batterie 2 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Die Anordnung 1 weist eine Batterie 2, bei der es sich z. B. um die Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln kann, auf, die von einem Gehäuse 4 umgeben ist. Das Gehäuse 4 verfügt über einen Lufteinlass 5 und einen Luftauslass 6, so dass im Gehäuse 4 eine Luftströmung 8 ausgebildet werden kann, mittels derer die Batterie 2 gekühlt wird.
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Als Triebkraft für die Luftströmung 8 im Gehäuse 4 wird ein Unterdruck im Luftauslass 8 erzeugt. Hierzu verfügt die Anordnung über einen Luftströmungskanal 7, in dem eine Luftströmung erzeugt wird, beispielsweise durch Bewegung eines mit der Anordnung 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs 3.
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Der Luftströmungskanal 7 weist eine Querschnittsverengung 9 auf. Der Luftauslass 6 mündet in den Luftströmungskanal 7 im Bereich der Querschnittsverengung 9. Hieraus resultiert ein Venturi-Effekt, der zur Ausbildung des Unterdrucks im Luftauslass 6 und folglich zur Luftströmung 8 im Gehäuse 4 und der Kühlung der Batterie 2 führt.
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2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsvariante der Anordnung 1. Neben den bereits bezugnehmend auf 1 beschriebenen Bestandteilen, Einrichtungen etc., die bei der Ausführungsvariante der 2 ebenfalls vorhanden sind, weist die Anordnung 1 einen weiteren Lufteinlass 5 auf, so dass insgesamt zwei Lufteinlässe 5a, 5b vorhanden sind.
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Der erste Lufteinlass 5a ist mit einer ersten Luftquelle 10a, nämlich einer Klimaanlage 11 verbunden, die dem Gehäuse 4 Luft zuführen kann. Der zweite Lufteinlass 5b ist mit einer zweiten Luftquelle 10b, nämlich dem Innenraum 12 eines Kraftfahrzeugs 3, verbunden, so dass dem Gehäuse 4 Luft direkt aus dem Innenraum 12 des Kraftfahrzeugs 3 zugeführt werden kann. Im zweiten Lufteinlass 5b ist ein Lüfter 16 angeordnet.
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Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsvariante weist der Luftströmungskanal 7 außerdem einen Wasserabscheider 17 und ein Mittel zur Beeinflussung der Luftströmung 8, ausgebildet als Drosselklappe, auf. Zudem sind Kühlrippen 21 vorhanden, um die Kontaktfläche zwischen der Batterie 2 und der im Gehäuse 4 strömenden Luft zu vergrößern und die Wärmeübertragung dadurch zu erhöhen. Darüber hinaus ist an der Batterie 2 eine Temperaturermittlungseinrichtung 19 angeordnet, mittels derer die Temperatur der Batterie 2 ermittelt und festgestellt werden kann, ob Kühlbedarf besteht.
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Außerdem weist die Anordnung 1 eine Steuereinheit 14 auf, die signalübertragend mit der Temperaturermittlungseinrichtung 19, den beiden Luftquellen 10a, 10b, dem Lüfter 16 sowie der Drosselklappe 13 verbunden ist.
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Die Steuereinheit 14 kann ein Eingangssignal 20 der Temperaturermittlungseinrichtung 19 empfangen, verarbeiten und somit feststellen, ob Kühlbedarf für die Batterie 2 besteht. Je nach Kühlbedarf gibt die Steuereinheit 14 Steuersignale 15a, 15b, 15c, 15d aus, um eine Kühlwirkung zu erhöhen oder zu reduzieren. Zum Aufbauen bzw. Erhöhen der Kühlwirkung wird durch (teilweises) Öffnen der Drosselklappe 13 eine Luftströmung 8 im Luftströmungskanal 7 ermöglicht, so dass sich im Luftauslass 6 ein Unterdruck ergibt.
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Bei moderatem Kühlbedarf wird der Lüfter 16 derart angesteuert, dass er in einem ausgeschalteten Zustand verbleibt bzw. ausgeschaltet wird. Zur Kühlung der Batterie 2 ist die Luft des Innenraums 12 ausreichend. Folglich wird die zweite Luftquelle 10b derart angesteuert, dass Luft aus dem Innenraum 12 in das Gehäuse 4 gelangen und die Batterie 2 kühlen kann. Demgegenüber wird die erste Luftquelle 10a derart angesteuert, dass keine Luft in das Gehäuse 4 gelangen kann, d. h. eine Kühlung der Batterie 2 mittels der Klimaanlage 11 erfolgt nicht.
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Bei höherem Kühlbedarf kann zusätzlich der Lüfter 16 in Betrieb genommen werden, indem ein entsprechendes Steuersignal 15c an den Lüfter 16 ausgegeben wird. Dies bewirkt eine stärkere Luftströmung 8 im Gehäuse 4 und folglich eine verbesserte Kühlung der Batterie 2.
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Bei noch höherem Kühlbedarf kann als Luftquelle 10a, 10b alternativ oder zusätzlich zum Innenraum 12 die Klimaanlage 11 genutzt werden, indem mittels der Klimaanlage 11 gekühlte Luft in das Gehäuse 4 geleitet wird.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß 2 kann eine Wandung des Luftströmungskanals 7 als Unterboden 18 eine Kraftfahrzeugs 3 ausgebildet sein, wie dies in 3 detaillierter dargestellt ist. Mit anderen Worten kann die Anordnung 1 der 2 Teil eines Kraftfahrzeugs 3 sein.
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3 zeigt ein Kraftfahrzeug 3 mit einer Anordnung 1 zur Kühlung der Batterie 2 in einer Ausführungsvariante. Die Anordnung 1 kann beispielsweise wie die in den 1 und 2 gezeigten Anordnungen 1 ausgebildet sein. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit sind in 3 lediglich einige Bestandteile, Einrichtungen etc. der Anordnung 1 dargestellt.
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Deutlich erkennbar ist, dass der Luftströmungskanal 7 im Bereich des Unterbodens 18 des Kraftfahrzeugs 3 angeordnet ist, indem eine Wandung des Luftströmungskanals 7 durch den Unterboden gebildet ist. Bei Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeugs 3 entsteht im Luftströmungskanal 7 eine in Pfeilrichtung verlaufende Luftströmung 8, die wie bereits erläutert zu einem Venturi-Effekt und im Ergebnis zu einer Kühlung der Batterie 2 führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Batterie
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Gehäuse
- 5, 5a, 5b
- Lufteinlass
- 6
- Luftauslass
- 7
- Luftströmungskanal
- 8
- Luftströmung
- 9
- Querschnittsverengung
- 10a, 10b
- Luftquelle
- 11
- Klimaanlage
- 12
- Innenraum
- 13
- Mittel zur Beeinflussung der Luftströmung
- 14
- Steuereinheit
- 15a, 15b, 15c, 15d
- Steuersignale
- 16
- Lüfter
- 17
- Wasserabscheider
- 18
- Unterboden
- 19
- Temperaturermittlungseinrichtung
- 20
- Eingangssignal
- 21
- Kühlrippen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4018347 A1 [0005]
- DE 10337493 A1 [0006]
- DE 102012217469 A1 [0008]
