DE102021128500A1

DE102021128500A1 - Wärmeverwaltungssysteme mit batterie-bypass-schleifen für elektrifizierte fahrzeuge

Info

Publication number: DE102021128500A1
Application number: DE102021128500.3A
Authority: DE
Inventors: David Cox; Anthemios Petridis; David Hesketh; Nicholas Dashwood Crisp; Jeffrey Dumont
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220134905A1; CN114435189A; US11766953B2

Abstract

Diese Offenbarung stellt „Wärmeverwaltungssysteme mit Batterie-Bypass-Schleifen für elektrifizierte Fahrzeuge“ bereit. Diese Offenbarung beschreibt im Detail Wärmeverwaltungssysteme zum thermischen Verwalten von Komponenten eines elektrifizierten Fahrzeugs. Ein beispielhaftes Wärmeverwaltungssystem kann dazu konfiguriert sein, ein Kühlmittel durch eine Batterie-Bypass-Schleife zu leiten, die einen Traktionsbatteriepack basierend auf einer Wärmeabgabemenge in das Kühlmittel von einem Wasserladeluftkühler umgeht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Wärmeverwaltungssysteme für elektrifizierte Fahrzeuge, die in der Lage sind, verschiedene elektrifizierte Fahrzeugkomponenten innerhalb wünschenswerter Betriebstemperaturbereiche zu halten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Im Allgemeinen unterscheiden sich elektrifizierte Fahrzeuge dadurch von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, dass sie selektiv durch eine oder mehrere batteriebetriebene elektrische Maschinen angetrieben werden. Herkömmliche Kraftfahrzeuge sind im Gegensatz dazu für den Antrieb des Fahrzeugs vollständig auf die Brennkraftmaschine angewiesen.
Ein Hochspannungs-Traktionsbatteriepack versorgt in der Regel die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs mit Strom. Der Traktionsbatteriepack kann eine oder mehrere Gruppen von miteinander verbundenen Batteriezellen beinhalten. Die Batteriezellen erzeugen bei bestimmten Bedingungen, einschließlich während der Lade- und Entladevorgänge, Wärme. Batteriewärmeverwaltungssysteme können eingesetzt werden, um die Wärme zu verwalten, die durch die Batteriezellen erzeugt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Wärmeverwaltungssystem gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem einen Traktionsbatteriepack und ein Kühlmittelteilsystem, das dazu konfiguriert ist, ein Kühlmittel durch den Traktionsbatteriepack zu zirkulieren. Das Kühlmittelteilsystem beinhaltet eine Luftkühlerschleife und eine Batterie-Bypass-Schleife, einen Wasserladeluftkühler, der innerhalb der Luftkühlerschleife positioniert ist, ein Ventil, das angeordnet ist, um einen Strom des Kühlmittels entweder zu dem Traktionsbatteriepack oder der Batterie-Bypass-Schleife zu steuern, und eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Position des Ventils basierend auf einer Wärmeabgabemenge von dem Wasserladeluftkühler in das Kühlmittel zu steuern.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Systems beinhaltet der Traktionsbatteriepack einen internen Kühlkreislauf, der dazu konfiguriert ist, das Kühlmittel von dem Ventil aufzunehmen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist das Kühlmittelteilsystem dazu konfiguriert, das Kühlmittel durch ein Leistungselektronikmodul entweder von dem Batteriepack oder der Batterie-Bypass-Schleife zu zirkulieren.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme beinhaltet das Kühlmittelteilsystem einen Kühler und eine Pumpe.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme beinhaltet das Kühlmittelteilsystem ein T-Stück, das dazu konfiguriert ist, das Kühlmittel zwischen einem ersten Abschnitt, der auf den Wasserladeluftkühler gerichtet ist, und einem zweiten Abschnitt, der auf das Ventil gerichtet ist, zu teilen.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme überwacht ein erster Sensor eine Temperatur des Kühlmittels, und ein zweiter Sensor überwacht eine Temperatur einer Batteriezelle des Traktionsbatteriepacks.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, die Position des Ventils basierend auf einer Rückkopplung von dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor oder beiden zu steuern.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist der Wasserladeluftkühler Teil eines Motorsystems, das einen Turbolader und eine Brennkraftmaschine beinhaltet.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, das Ventil zum Leiten des Kühlmittels durch die Batterie-Bypass-Schleife zu positionieren, wenn eine Temperatur des Kühlmittels über einem oberen Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, das Ventil zum Leiten des Kühlmittels durch die Batterie-Bypass-Schleife zu positionieren, wenn eine Temperatur des Kühlmittels unter einem unteren Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, das Ventil zum Leiten des Kühlmittels durch den Traktionsbatteriepack zu positionieren, wenn eine Batteriezellentemperatur des Traktionsbatteriepacks unter einem unteren Temperaturschwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle liegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der Systeme ist der Wasserladeluftkühler fluidisch mit einem Kühler innerhalb des Kühlmittelteilsystems verbunden.
Ein Verfahren gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem das Zulassen oder Verhindern eines Kühlmittelstroms zu einem Traktionsbatteriepack innerhalb eines Wärmeverwaltungssystems für elektrifizierte Fahrzeuge basierend auf einer Wärmeabgabemenge von einem Wasserladeluftkühler in das Kühlmittel.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens wird das Kühlmittel an den Traktionsbatteriepack geleitet, wenn eine Batteriezellentemperatur des Traktionsbatteriepacks unter einem unteren Temperaturschwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle liegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren wird das Kühlmittel anstelle an den Traktionsbatteriepack an eine Batterie-Bypass-Schleife geleitet, wenn eine Temperatur des Kühlmittels über einem oberen Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren wird das Kühlmittel anstelle an den Traktionsbatteriepack an eine Batterie-Bypass-Schleife geleitet, wenn eine Temperatur des Kühlmittels unter einem unteren Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren das Leiten des Kühlmittels durch eine Batterie-Bypass-Schleife und dann an ein Leistungselektronikmodul, wenn der Kühlmittelstrom zu dem Traktionsbatteriepack verhindert wird.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren ist der Wasserladeluftkühler fluidisch mit einem Kühler innerhalb des Kühlmittelteilsystems des Wärmeverwaltungssystems verbunden.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren das Überwachen einer Temperatur des Kühlmittels mit einem ersten Sensor und das Überwachen einer Temperatur einer Batteriezelle des Traktionsbatteriepacks mit einem zweiten Sensor.
In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren beinhaltet das Verfahren das Eingeben einer eingeschränkten Betriebsstrategie des elektrifizierten Fahrzeugs, wenn verhindert wird, dass das Kühlmittel zu dem Traktionsbatteriepack strömt.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Patentansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, einschließlich beliebiger ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale, können unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination betrachtet werden. In Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, sofern derartige Merkmale nicht unvereinbar sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Zeichnungen lassen sich kurzgefasst wie folgt beschreiben.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs.
2 veranschaulicht schematisch ein Wärmeverwaltungssystem zur thermischen Verwaltung von Komponenten eines elektrifizierten Fahrzeugs.
3 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Steuern eines Batteriewärmeverwaltungssystems gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
4 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Steuern eines Batteriewärmeverwaltungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung.
5 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Steuern eines Batteriewärmeverwaltungssystems gemäß einer noch weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt im Detail Wärmeverwaltungssysteme zum thermischen Verwalten von Komponenten eines elektrifizierten Fahrzeugs. Ein beispielhaftes Wärmeverwaltungssystem kann dazu konfiguriert sein, ein Kühlmittel durch eine Batterie-Bypass-Schleife zu leiten, die einen Traktionsbatteriepack basierend auf einer Wärmeabgabemenge von einem Wasserladeluftkühler in das Kühlmittel umgeht. Diese und andere Merkmale werden in den folgenden Absätzen dieser detaillierten Beschreibung genauer erörtert.
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12. Auch wenn es als Hybrid-Elektrofahrzeug (hybrid electric vehicle - HEV) dargestellt ist, versteht es sich, dass die hierin beschriebenen Konzepte nicht auf HEV beschränkt sind und sich auf andere elektrifizierte Fahrzeuge ausdehnen könnten, die unter anderem Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicles - PHEV), Batterie-Elektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEV), Brennstoffzellenfahrzeuge usw. beinhalten.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Antriebsstrang 10 um ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsverzweigung, das ein erstes und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem beinhaltet eine Kombination aus einem Motor 14 und einem Generator 18 (d. h. einer ersten elektrischen Maschine). Das zweite Antriebssystem beinhaltet zumindest einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 18 und einen Batteriepack 24. In diesem Beispiel wird das zweite Antriebssystem als ein elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 betrachtet. Das erste und das zweite Antriebssystem sind jeweils in der Lage, Drehmoment zum Antreiben von einem oder mehreren Sätzen von Fahrzeugantriebsrädern 28 des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu erzeugen. Wenngleich in 1 eine Konfiguration mit Leistungsverzweigung dargestellt ist, erstreckt sich die vorliegende Offenbarung auf ein beliebiges Hybrid- oder Elektrofahrzeug, einschließlich Vollhybrid-, Parallelhybrid-, Reihenhybrid-, Mildhybrid- oder Mikrohybridfahrzeugen.
Der Motor 14, bei dem es sich um eine Brennkraftmaschine handeln kann, und der Generator 18 können durch eine Leistungsübertragungseinheit 30, wie etwa einen Planetenradsatz, verbunden sein. Natürlich können andere Arten von Leistungsübertragungseinheiten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Motor 14 mit dem Generator 18 zu verbinden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform handelt es sich bei der Leistungsübertragungseinheit 30 um einen Planetenradsatz, der ein Hohlrad 32, ein Sonnenrad 34 und eine Trägerbaugruppe 36 beinhaltet.
Der Generator 18 kann durch den Motor 14 über die Leistungsübertragungseinheit 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als Elektromotor fungieren, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, wodurch Drehmoment an eine Welle 38 ausgegeben wird, die mit der Leistungsübertragungseinheit 30 verbunden ist. Da der Generator 18 mit dem Motor 14 wirkverbunden ist, kann die Drehzahl des Motors 14 durch den Generator 18 gesteuert werden.
Das Hohlrad 32 der Leistungsübertragungseinheit 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die durch eine zweite Leistungsübertragungseinheit 44 mit den Fahrzeugantriebsrädern 28 verbunden ist. Die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 kann einen Zahnradsatz beinhalten, der eine Vielzahl von Zahnrädern 46 aufweist. Andere Leistungsübertragungseinheiten können ebenfalls geeignet sein. Die Zahnräder 46 übertragen ein Drehmoment von dem Motor 14 auf ein Differential 48, um letztlich den Fahrzeugantriebsrädern 28 eine Traktion bereitzustellen. Das Differential 48 kann eine Vielzahl von Zahnrädern beinhalten, welche die Übertragung von Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 ermöglicht. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die zweite Leistungsübertragungseinheit 44 über das Differential 48 mechanisch an eine Achse 50 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
Der Elektromotor 22 kann zudem eingesetzt werden, um die Fahrzeugantriebsräder 28 durch Ausgeben von Drehmoment an eine Welle 52 anzutreiben, die ebenfalls mit der zweiten Leistungsübertragungseinheit 44 verbunden ist. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform wirken der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teil eines regenerativen Bremssystems zusammen, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Elektromotoren zum Ausgeben von Drehmoment eingesetzt werden können. Beispielsweise können der Elektromotor 22 und der Generator 18 jeweils elektrische Leistung an den Batteriepack 24 ausgeben.
Bei dem Batteriepack 24 handelt es sich um eine beispielhafte Batterie eines elektrifizierten Fahrzeugs. Bei dem Batteriepack 24 kann es sich um einen Hochspannungs-Traktionsbatteriepack handeln, der eine Vielzahl von Batteriebaugruppen 25 (d. h. Batterieanordnungen oder Gruppen von Batteriezellen 56) beinhaltet, die in der Lage ist, eine elektrische Leistung auszugeben, um den Elektromotor 22, den Generator 18 und/oder andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs 12 zu betreiben, um Strom bereitzustellen, um die Räder 28 anzutreiben. Es könnten auch andere Arten von Energiespeichervorrichtungen und/oder Ausgabevorrichtungen verwendet werden, um das elektrifizierte Fahrzeug 12 mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Die Batteriezellen 56 des Batteriepacks 24 sind temperaturempfindlich. Die Batteriezellen 56 müssen typischerweise innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs (z. B. zwischen 20 °C und 60 °C) gehalten werden, damit der Batteriepack 24 den erwarteten Leistungsbedarf und/oder die erwartete Ladungsaufnahmeleistung erfüllt. Diese Offenbarung beschreibt daher Systeme und Verfahren zum aktiven Verwalten der Temperatur des Batteriepacks 24 und anderer elektrischer Antriebskomponenten, um die Leistung des Batteriepacks zu verbessern.
2 veranschaulicht schematisch ein Wärmeverwaltungssystem 54, das in ein elektrifiziertes Fahrzeug eingebaut werden kann, wie etwa das elektrifizierte Fahrzeug 12 der 1. Das Batteriewärmeverwaltungssystem 54 kann gesteuert werden, um die durch verschiedene Fahrzeugkomponenten, wie etwa zum Beispiel den Batteriepack 24 und ein Leistungselektronikmodul 58 des elektrifizierten Fahrzeugs 12, erzeugten Wärmebelastungen zu verwalten. Obwohl schematisch gezeigt, könnte das Leistungselektronikmodul 58 eines oder mehrere von einem Gleichstromwandler, einer Motorsteuerung (die als Wechselrichtersystemsteuerung oder ISC bezeichnet werden kann), einem riemengetriebenen Startergenerator (belt integrated starter generator - BISG) usw. beinhalten.
In einer Ausführungsform kommuniziert das Wärmeverwaltungssystem 54 selektiv ein Kühlmittel C durch den Batteriepack 24, um den Batteriepack 24 zu kühlen, indem Wärme von den Batteriezellen 56 abgeführt wird, und kommuniziert das Kühlmittel C durch das Leistungselektronikmodul 58, um Wärme von den Komponenten des Leistungselektronikmoduls 58 abzuführen. Das Kühlmittel C kann durch einen internen Kühlkreislauf 60 des Batteriepacks 24 und durch einen internen Kühlkreislauf 62 zirkuliert werden, um von diesen Komponenten Wärme abzuführen (oder in manchen Fällen Wärme zuzuführen), zum Beispiel durch einen konvektiven Wärmeübertragungsprozess. Die internen Kühlkreisläufe 60, 62 können durch integrierte Wärmetauscher des Batteriepacks 24 und des Leistungselektronikmoduls 58 der elektrischen Maschine hergestellt werden.
Das Wärmeverwaltungssystem 54 beinhaltet ein Kühlmittelteilsystem 64 zum Zirkulieren des Kühlmittels C. Das Kühlmittelteilsystem 64 kann das Kühlmittel C, wie etwa mit Ethylenglykol gemischtes Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel, zirkulieren, um verschiedene Komponenten des elektrifizierten Fahrzeugs 12 thermisch zu verwalten. Das Kühlmittelteilsystem 64 kann mindestens einen Kühler 66, eine Pumpe 68, ein T-Stück 70, eine Luftkühlerschleife 72, die einen Wasserladeluftkühler (water charge air cooler - WCAC) 74, ein Ventil 76 und eine Batterie-Bypass-Schleife 78 beinhaltet, beinhalten. Auch wenn dies nur schematisch gezeigt ist, können die verschiedenen Komponenten des Kühlmittelteilsystems 64 durch Leitungen oder Durchlässe, wie etwa Röhren, Schläuche, Rohre usw., fluidisch miteinander verbunden sein.
Während des Betriebs des Kühlmittelteilsystems 64 kann Wärmeenergie von dem Kühlmittel C auf Umgebungsluft außerhalb des Fahrzeugs innerhalb des Kühlers 66 übertragen werden. Ein Lüfter 80 kann benachbart zu dem Kühler 66 positioniert sein und ist konfiguriert, um einen Luftstrom F durch den Kühler 66 zu ziehen, damit er einer konvektiven Wärmeübertragung mit dem Kühlmittel C unterzogen wird. Beispielsweise tauscht der Luftstrom F Wärme mit dem Kühlmittel C aus, wenn die beiden Fluids über/durch den Kühler 66 fließen. Das gekühlte Kühlmittel C kann dann in einer geschlossenen Schleife zu dem Batteriepack 24 und/oder Leistungselektronikmodul 58 zurückgeführt werden.
Ein Teil des aus dem Kühler 66 austretenden Kühlmittels C kann an einen Entgasungsüberlaufbehälter 75 kommuniziert werden. Der Entgasungsüberlaufbehälter 75 trennt mitgeführte Luft und Gase aus dem Kühlmittel C. In einer Ausführungsform wird das aus dem Entgasungsüberlaufbehälter 75 austretende Kühlmittel C mit einem anderen Teil des Kühlmittels C, der aus einem Auslass 82 des Kühlers 66 austritt, wieder zusammengeführt.
Die Pumpe 68 kann das Kühlmittel C durch das Kühlmittelteilsystem 64 zirkulieren. In einer Ausführungsform befindet sich die Pumpe 68 zwischen dem Auslass 82 des Kühlers 66 und einem Einlass 84 des Batteriepacks 24. Die Pumpe 68 könnte sich jedoch an einer anderen Stelle innerhalb des Kühlmittelteilsystems 64 befinden. In einer anderen Ausführungsform ist die Pumpe 68 eine elektrisch angetriebene Fluidpumpe. Andere Arten von Fluidpumpen könnten als Teil des Wärmeverwaltungssystems 54 innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung genutzt werden.
Das T-Stück 70 ist so angeordnet, dass es einen Teil des Kühlmittels C, der aus dem Kühler 66 austritt, zu der Luftkühlerschleife 72 umleitet. Kühlmittel C, das in die Luftkühlerschleife 72 eintritt, kann durch den Wasserladeluftkühler 74 kommuniziert werden. Der Wasserladeluftkühler 74 kann Teil eines Motorsystems sein, das zum Zuführen eines konditionierten Luftstroms F von einem Turbolader 86 an den Motor 14 konfiguriert ist, der ein aufgeladener Motor sein kann, der betriebsfähig an den Turbolader 86 gekoppelt ist. Das Kühlmittel C kann Wärmeenergie aus dem Luftstrom F aufnehmen, wenn es über den Wasserladeluftkühler 74 geblasen wird, um den Luftstrom F zu kühlen. Anders ausgedrückt wird Wärme aus dem Luftstrom F in das Kühlmittel C des Kühlmittelteilsystems 64 innerhalb des Wasserladeluftkühlers 74 abgegeben.
Das aus dem Wasserladeluftkühler 74 austretende Kühlmittel C kann zum Kühler 66 zurückgeführt werden. Wärmeenergie in dem Kühlmittel C kann anschließend über den Kühler 66 an die Atmosphäre abgegeben werden.
Das Ventil 76 ist dazu konfiguriert, den Strom des Kühlmittels C entweder in den internen Kühlkreislauf 60 des Batteriepacks 24 oder die Batterie-Bypass-Schleife 78 zu steuern. Das Ventil 76 kann ein Mehrstellungs-Magnetventil sein. Jedoch werden andere Arten von Ventilen im Schutzumfang dieser Offenbarung ebenfalls in Betracht gezogen.
Das Ventil 76 kann einen ersten Auslass 88, der geöffnet werden kann, um das Kühlmittel C an den Einlass 84 des Batteriepacks 24 abzugeben, und einen zweiten Auslass 90, der geöffnet werden kann, um das Kühlmittel C in die Batterie-Bypass-Schleife 78 abzugeben, beinhalten. In einer Ausführungsform ist die Standardposition des Ventils 76, dass der erste Auslass 88 offen ist, um zuzulassen, dass das Kühlmittel C zu dem Batteriepack 24 strömt, und dass der zweite Auslass 90 geschlossen ist, um zu verhindern, dass das Kühlmittel C in die Batterie-Bypass-Schleife 78 eintritt. Kühlmittel C, das in die Batterie-Bypass-Schleife 78 eintritt, umgeht den Batteriepack 24 und verwaltet daher die Batteriezellen des Batteriepacks 24 nicht direkt thermisch. Stattdessen wird das Kühlmittel C aus der Batterie-Bypass-Schleife 78 direkt an das Leistungselektronikmodul 58 abgegeben.
Das Wärmeverwaltungssystem 54 kann zusätzlich einen Kühlmitteltemperatursensor 92 (d. h. einen ersten Sensor oder eine erste Gruppe von Sensoren) und einen Batteriezellentemperatursensor 94 (d. h. einen zweiten Sensor oder Gruppen von Sensoren, die dem Batteriepack 24 zugeordnet sind) beinhalten. Der Kühlmitteltemperatursensor 92 ist so ausgelegt, dass er die Temperatur des aus dem Kühler 66 austretenden Kühlmittels C erfasst. In einer Ausführungsform ist der Kühlmitteltemperatursensor 92 an oder nahe dem Auslass 82 des Kühlers 66 positioniert. Jedoch werden andere Stellen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung ebenfalls in Betracht gezogen.
Der Batteriezellentemperatursensor 94 ist dazu konfiguriert, die Temperatur einer oder mehrerer Batteriezellen des Batteriepacks 24 zu erfassen. Der Batteriezellentemperatursensor 94 kann Teil eines Batterieverwaltungssystems sein, das in dem Batteriepack 24 untergebracht ist.
Eine Steuereinheit 96 kann Vorgänge des Wärmeverwaltungssystems 54 steuern. Die Steuereinheit 96 könnte eine eigenständige Steuereinheit sein, die dem Wärmeverwaltungssystem 54 zugeordnet ist, oder könnte Teil einer übergreifenden Fahrzeugsteuereinheit sein, wie etwa einer Fahrzeugsystemsteuerung (Vehicle System Controller - VSC), die eine Antriebsstrangsteuereinheit, eine Getriebesteuereinheit, eine Motorsteuereinheit, ein Batteriesteuermodul usw. beinhaltet. Es versteht sich daher, dass die Steuereinheit 96 und eine oder mehrere andere Steuerungen zusammen als eine „Steuereinheit“ bezeichnet werden können, die konfiguriert ist, um beispielsweise durch eine Vielzahl von integrierten Algorithmen verschiedene Aktoren als Reaktion auf Signale von verschiedenen Sensoren, die dem Wärmeverwaltungssystem 54 zugeordnet sind, zu steuern. Die verschiedenen Steuerungen, welche die VSC ausmachen, können miteinander kommunizieren, zum Beispiel unter Verwendung eines gemeinsamen Busprotokolls (z. B. CAN).
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit 96 mit ausführbaren Anweisungen programmiert, um eine Schnittstelle mit den verschiedenen Komponenten des Wärmeverwaltungssystems 54 zu bilden und diese zu betreiben, um den Batteriepack 24 und/oder das Leistungselektronikmodul 58 thermisch zu verwalten. Die Steuereinheit 96 kann verschiedene Ein- und Ausgänge zur Bildung einer Schnittstelle mit den verschiedenen Komponenten des Wärmeverwaltungssystems 54 beinhalten, die unter anderem den Batteriepack 24, das Leistungselektronikmodul 58, die Pumpe 68, das Ventil 76, den Kühlmitteltemperatursensor 92 und den Batteriezellentemperatursensor 94 beinhalten. Die Steuereinheit 96 kann ferner einen Prozessor 98 und nichttransitorischen Speicher 99 zum Ausführen der verschiedenen Steuerstrategien und -modi des Wärmeverwaltungssystems 54 beinhalten.
Die Steuereinheit 96 kann eine Rückmeldung von jedem von dem Kühlmitteltemperatursensor 92 und dem Batteriezellentemperatursensor 94 erhalten, um zu bestimmen, ob das Kühlmittel C über das Ventil 76 während verschiedener Verwendungsfälle durch die Batterie-Bypass-Schleife 78 umgeleitet werden sollte oder nicht. Wie nachstehend ausführlicher erörtert, kann die Entscheidung, das Kühlmittel C durch die Batterie-Bypass-Schleife 78 zu leiten, auf einer Wärmeabgabemenge aus dem Wasserladeluftkühler 74 in das Kühlmittel C basieren. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 96 in einer Ausführungsform das Wärmeverwaltungssystem 54 steuern, indem das Kühlmittel C selektiv durch die Batterie-Bypass-Schleife 78 geleitet wird, wenn das Kühlmittel C als Ergebnis einer Aufnahme von überschüssiger Wärme aus dem Wasserladeluftkühler 74 zu warm ist. In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinheit 96 das Wärmeverwaltungssystem 54 steuern, indem das Kühlmittel C selektiv durch die Batterie-Bypass-Schleife 78 geleitet wird, um das Kühlmittel C daran zu hindern, dass es verhindert, dass sich der Batteriepack 24 erwärmt, wenn das Kühlmittel C zu kalt ist, den Batteriepack 24 aufgrund einer fehlenden Wärmeabgabe aus dem Wasserladeluftkühler 74 in das Kühlmittel C zu erwärmen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinheit 96 das Wärmeverwaltungssystem 54 steuern, indem das Kühlmittel C selektiv durch den Batteriepack 24 geleitet wird, um den Batteriepack 24 zu erwärmen, wenn der Batteriepack 24 als zu kalt betrachtet wird, wie etwa zum Beispiel bei kalten Umgebungsbedingungen.
3 veranschaulicht unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-2 schematisch ein beispielhaftes Verfahren 100 zum Steuern des Wärmeverwaltungssystems 54 des elektrifizierten Fahrzeugs 12. Zum Beispiel kann das Verfahren 100 eine Steuerstrategie sein, die ausgeführt wird, um zu bestimmen, ob eine Temperatur des Kühlmittels C zu hoch ist, um die Batteriezellen 56 des Batteriepacks 24 zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Fahrzeugbetriebs effektiv innerhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs zu halten. Das Kühlmittel C kann periodisch zu warm werden, indem es zum Beispiel überschüssige Wärme aus dem Wasserladeluftkühler 74 aufnimmt.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit 96 mit einem oder mehreren Algorithmen, die zum Ausführen des beispielhaften Verfahrens 100 ausgelegt sind, oder mit einer beliebigen anderen Steuerstrategie programmiert. In einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Verfahren 100 als ausführbare Anweisungen (z. B. als Software-Code) im Speicher 99 der Steuereinheit 96 gespeichert.
Das Verfahren 100 kann bei Block 102 beginnen. Bei Block 104 kann die Steuereinheit 96 bestimmen, ob die durch den Kühlmitteltemperatursensor 92 erfasste Kühlmitteltemperatur über einem oberen Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt. Der obere Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert ist ein vordefinierter Temperaturwert oder ein Bereich von Temperaturwerten, der im Speicher 99 der Steuereinheit 96 gespeichert sein kann. In einer Ausführungsform liegt der obere Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert bei einer Temperatur von etwa 60 °C. In dieser Offenbarung bedeutet der Ausdruck „etwa“, dass die ausgedrückten Mengen oder Bereiche nicht genau sein müssen, sondern angenähert und/oder größer oder kleiner sein können, was akzeptable Toleranzen, Umrechnungsfaktoren, Messfehler usw. widerspiegelt.
Wenn bei Block 104 ein JA-Flag zurückgegeben wird, fährt das Verfahren 100 mit Block 106 fort. Bei diesem Schritt kann die Steuereinheit 96 das Ventil 76 steuern, um das Kühlmittel C in die Batterie-Bypass-Schleife 78 umzuleiten und somit den Batteriepack 24 zu umgehen. Das überhitzte Kühlmittel C wird daher daran gehindert, einen Wärmegradienten über die Batteriezellen 56 des Batteriepacks 24 zu erzeugen, wodurch eine verminderte Leistung des Batteriepacks 24 vermieden wird.
Die Wärmeabgabe in das Kühlmittel C aus dem Wasserladeluftkühler 74 kann während einiger Motorbetriebsbedingungen relativ signifikant sein. Das Umleiten des Kühlmittels C durch die Batterie-Bypass-Schleife 78 während dieser Situationen mit hoher Wärmeabgabe kann dazu beitragen, die Möglichkeit zu verringern, dass die Wärmeabgabe die Temperaturen der Batteriezellen 56 auf ein Niveau anhebt, das sich negativ auf die Leistung und/oder Lebensdauer der Batteriezellen 56 auswirken könnte.
Das Verfahren 100 kann optional von Block 106 zu Block 108 übergehen. Bei diesem Schritt kann die Steuereinheit 96 befehlen, dass das elektrifizierte Fahrzeug 12 in eine eingeschränkte Betriebsstrategie eintritt. Als Teil einer derartigen Strategie können verschiedene Hilfsmerkmale (z. B. Hilfsenergie-Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter, Emissionssteuerungsmerkmale, Hybridregenerationsmerkmale usw.) des elektrifizierten Fahrzeugs 12 vorübergehend deaktiviert werden, um primäre Betriebsfunktionen des Fahrzeugs aufrechtzuerhalten. Die eingeschränkte Betriebsstrategie dient dazu, 12-V-Fahrzeuglasten zu unterstützen, während weitere Lasten auf dem Batteriepack 24 verhindert werden, die die Batterieleistung aufgrund der erhöhten Temperaturen beeinträchtigen könnten. Das Verfahren 100 kann dann bei Block 110 enden.
4 veranschaulicht unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-2 schematisch ein weiteres beispielhaftes Verfahren 200 zum Steuern des Wärmeverwaltungssystems 54 des elektrifizierten Fahrzeugs 12. Das Verfahren 200 kann eine Steuerstrategie sein, die ausgeführt werden kann, um zu bestimmen, wann es angebracht ist, die von dem Wasserladeluftkühler 74 aufgenommene Wärme zum Erwärmen des Batteriepacks 24 mit dem Kühlmittel C zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Fahrzeugbetriebs einzusetzen.
Das Verfahren 200 kann bei Block 202 beginnen. Bei Block 204 kann die Steuereinheit 96 bestimmen, ob die durch den Batteriezellentemperatursensor 94 erfasste Batteriezellentemperatur unter einem unteren Temperaturschwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle liegt. Der untere Temperaturschwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle ist ein vordefinierter Temperaturwert oder ein Bereich von Temperaturwerten, der in dem Speicher 99 der Steuereinheit 96 gespeichert sein kann. In einer Ausführungsform ist der untere Temperaturschwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle eine Temperatur von etwa 20 °C.
Wenn bei Block 204 ein JA-Flag zurückgegeben wird, kann das Verfahren 200 zu Block 206 übergehen, zu welchem Zeitpunkt die Steuereinheit 96 bestimmen kann, ob die durch den Kühlmitteltemperatursensor 92 erfasste Kühlmitteltemperatur höher als die durch den Batteriezellentemperatursensor 94 erfasste Batteriezellentemperatur ist. Falls JA, kann die Steuereinheit 96 das Ventil 76 steuern, um das Kühlmittel C durch den internen Kühlkreislauf 60 des Batteriepacks 24 bei Block 208 zu leiten. Das Kühlmittel C darf daher die Batteriezellen 56 während dieses Wärmeverwaltungszyklus des Wärmeverwaltungssystems 54 erwärmen. Das Verfahren 200 ermöglicht es somit dem Wärmeverwaltungssystem 54, die Wärmeabgabe des Wasserladeluftkühlers 74 in das Kühlmittel C zum Erwärmen des Batteriepacks 24 auszunutzen, wenn bestimmte Bedingungen vorliegen, wodurch die Batterieleistung früher im Fahrzyklus verbessert und die Einschränkungen durch die Batteriechemie bei kalten Umgebungsbedingungen abgeschwächt werden. Das Verfahren 200 kann dann bei Block 210 enden.
5 veranschaulicht unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-2 schematisch ein noch weiteres beispielhaftes Verfahren 300 zum Steuern des Wärmeverwaltungssystems 54 des elektrifizierten Fahrzeugs 12. Das Verfahren 300 ist eine Steuerstrategie, die ausgeführt werden kann, um die Batteriezellen 56 des Batteriepacks 24 in einem optimalen Betriebstemperaturbereich zu halten, wenn eine Temperatur des Kühlmittels C zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Fahrzeugbetriebs zu niedrig ist. Das Kühlmittel C kann zum Beispiel aufgrund einer relativ geringen Wärmeabgabe aus dem Wasserladeluftkühler 74 und/oder eines relativ geringen Kühlmittelstroms für längere Zeiträume periodisch zu kalt werden.
Das Verfahren 300 kann bei Block 302 beginnen. Bei Block 304 kann die Steuereinheit 96 bestimmen, ob die durch den Kühlmitteltemperatursensor 92 erfasste Kühlmitteltemperatur unter einem unteren Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt. Der untere Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert ist ein vordefinierter Temperaturwert oder ein Bereich von Temperaturwerten, der im Speicher 99 der Steuereinheit 96 gespeichert sein kann. In einer Ausführungsform ist der untere Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert eine Temperatur von etwa -10 °C. Alternativ oder zusätzlich als Teil von Block 304 kann die Steuereinheit 96 mit der Pumpe 68 kommunizieren, um zu bestimmen, ob die Strömungsrate des Kühlmittels C für einen längeren Zeitraum niedrig war. Niedrige Temperaturen und/oder niedrige Strömungsraten des Kühlmittels C können durch eine geringe Wärmeabgabe in das Kühlmittel C aus dem Wasserladeluftkühler 74, ein hohes Volumen an kalter Umgebungsluft durch den Kühler 66 usw. verursacht sein.
Wenn der Block 304 ein JA-Flag zurückgibt, geht das Verfahren 300 weiter zu Block 306. Hier kann die Steuereinheit 96 das Ventil 76 steuern, um das Kühlmittel C in die Batterie-Bypass-Schleife 78 umzuleiten und somit den Batteriepack 24 zu umgehen. Das Kühlmittel C wird daher daran gehindert, den Batteriepack 24 weiter zu kühlen. Anders ausgedrückt wird verhindert, dass das Kühlmittel C verhindert, dass sich der Batteriepack 24 erwärmt oder seine optimale Betriebstemperatur beibehält, indem der Batteriepack 24 umgangen wird. Das Verfahren 300 kann dann bei Block 308 enden.
Die beispielhaften Wärmeverwaltungssysteme dieser Offenbarung nutzen eine Kombination aus einer Batterie-Bypass-Schleife und einer Wärmeabgabe von einem Wasserladeluftkühler, um richtige Batteriebetriebstemperaturen während aller Umgebungsbedingungen und Fahrzeugbetriebsbedingungen zu ermöglichen. Die vorgeschlagenen Systeme und Verfahren vermeiden die Kosten, die mit bekannten Kühlsystemen zum Abschwächen von Kühlmitteltemperaturschwankungen verbunden sind.
Obwohl die unterschiedlichen nicht einschränkenden Ausführungsformen als konkrete Komponenten oder Schritte aufweisend veranschaulicht sind, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese bestimmten Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einer beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus einer beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es versteht sich, dass in den mehreren Zeichnungen gleiche Bezugszeichen einander entsprechende oder ähnliche Elemente kennzeichnen. Es versteht sich, dass in diesen beispielhaften Ausführungsformen zwar eine bestimmte Komponentenanordnung offenbart und veranschaulicht ist, andere Anordnungen aber ebenfalls von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten.
Die vorstehende Beschreibung soll als veranschaulichend und nicht in einschränkendem Sinne ausgelegt werden. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen könnten. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Patentansprüche genau gelesen werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.

Claims

Wärmeverwaltungssystem, Folgendes umfassend: einen Traktionsbatteriepack; ein Kühlmittelteilsystem, das dazu konfiguriert ist, ein Kühlmittel durch den Traktionsbatteriepack zu zirkulieren, wobei das Kühlmittelteilsystem eine Luftkühlerschleife und eine Batterie-Bypass-Schleife beinhaltet; einen Wasserladeluftkühler, der innerhalb der Luftkühlerschleife positioniert ist; ein Ventil, das angeordnet ist, um einen Strom des Kühlmittels entweder zu dem Traktionsbatteriepack oder der Batterie-Bypass-Schleife zu steuern; und eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Position des Ventils basierend auf einer Wärmeabgabemenge von dem Wasserladeluftkühler in das Kühlmittel zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei der Traktionsbatteriepack einen internen Kühlkreislauf beinhaltet, der so konfiguriert ist, dass er das Kühlmittel von dem Ventil aufnimmt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlmittelteilsystem so konfiguriert ist, dass es das Kühlmittel durch ein Leistungselektronikmodul entweder aus dem Batteriepack oder aus der Batterie-Bypass-Schleife zirkuliert.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittelteilsystem einen Kühler und eine Pumpe beinhaltet, und wobei das Kühlmittelteilsystem optional ein T-Stück beinhaltet, das so konfiguriert ist, dass es das Kühlmittel zwischen einem ersten Teil, der zum Wasserladeluftkühler geleitet wird, und einem zweiten Teil, der zum Ventil geleitet wird, aufteilt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Sensor zum Überwachen einer Temperatur des Kühlmittels und einen zweiten Sensor zum Überwachen einer Temperatur einer Batteriezelle des Traktionsbatteriepacks, und wobei optional die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, die Position des Ventils basierend auf einer Rückkopplung von dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor oder beiden zu steuern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wasserladeluftkühler Teil eines Motorsystems ist, das einen Turbolader und eine Brennkraftmaschine beinhaltet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, das Ventil zum Leiten des Kühlmittels durch die Batterie-Bypass-Schleife zu positionieren, wenn eine Temperatur des Kühlmittels über einem oberen Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt, und optional wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, das Ventil zum Leiten des Kühlmittels durch die Batterie-Bypass-Schleife zu positionieren, wenn eine Temperatur des Kühlmittels unter einem unteren Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt, und optional wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, das Ventil zum Leiten des Kühlmittels durch den Traktionsbatteriepack zu positionieren, wenn eine Batteriezellentemperatur des Traktionsbatteriepacks unter einem unteren Temperaturschwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle liegt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wasserladeluftkühler fluidisch mit einem Kühler innerhalb des Kühlmittelteilsystems verbunden ist.
Verfahren, Folgendes umfassend: Zulassen oder Verhindern eines Kühlmittelstroms zu einem Traktionsbatteriepack innerhalb eines Wärmeverwaltungssystems für elektrifizierte Fahrzeuge basierend auf einer Wärmeabgabemenge von einem Wasserladeluftkühler in das Kühlmittel.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kühlmittel an den Traktionsbatteriepack kommuniziert wird, wenn eine Batteriezellentemperatur des Traktionsbatteriepacks unter einem unteren Schwellenwert für die volle Leistung der Batteriezelle liegt, und optional wobei das Kühlmittel an eine Batterie-Bypass-Schleife anstelle des Traktionsbatteriepacks kommuniziert wird, wenn eine Temperatur des Kühlmittels über einem oberen Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Kühlmittel anstelle des Traktionsbatteriepacks an eine Batterie-Bypass-Schleife weitergeleitet wird, wenn eine Temperatur des Kühlmittels unter einem unteren Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, umfassend das Kommunizieren des Kühlmittels durch eine Batterie-Bypass-Schleife und dann zu einem Leistungselektronikmodul, wenn der Kühlmittelstrom zum Traktionsbatteriepack verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Wasserladeluftkühler fluidisch mit einem Kühler innerhalb eines Kühlmittelteilsystems des Wärmeverwaltungssystems verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, umfassend das Überwachen einer Temperatur des Kühlmittels mit einem ersten Sensor und das Überwachen einer Temperatur einer Batteriezelle des Traktionsbatteriepacks mit einem zweiten Sensor.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, umfassend das Eintreten in eine eingeschränkte Betriebsstrategie des elektrifizierten Fahrzeugs, wenn das Kühlmittel daran gehindert wird, zu dem Traktionsbatteriepack zu strömen.