DE10230152A1

DE10230152A1 - Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE10230152A1
Application number: DE2002130152
Authority: DE
Inventors: Joachim Fröschl; Josef Krammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: DE10230152C5; DE10230152B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges. Es wird vorgeschlagen, Wärme von zumindest einem Doppelschicht-Kondensator zu einer Batterie zu übertragen und/oder Wärme von der Batterie zu dem Doppelschicht-Kondensator zu übertragen. Insbesondere besteht die Möglichkeit, durch Aufladung und/oder Entladung des Doppelschicht-Kondensators entstandene Wärme auf die Batterie zu übertragen. Vor allem bei niedrigen Temperaturen, z. B. unter -10 DEG C, steigert dies die Leistungsfähigkeit der Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Straßenfahrzeuges mit Verbrennungsmotor, wobei die Energieversorgung eine Batterie und zumindest einen Doppelschicht-Kondensator aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Energieversorgung.

Aus EP 1 013 506 A2 ist ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt, das eine Batterie, einen Gleichspannungswandler und einen Doppelschicht-Kondensator aufweist. Der Doppelschicht-Kondensator ist über den Gleichspannungswandler mit der Batterie verbunden. Durch geeignete Wahl von Ausgangspannungen des Gleichspannungswandlers kann gesteuert werden, ob der Doppelschicht-Kondensator geladen oder entladen wird. Bei winterlichen Bedingungen unmittelbar nach einem Motorstart ist die Ladefähigkeit der Batterie begrenzt. In dieser Situation wird vorzugsweise der Doppelschicht-Kondensator geladen, um die gespeicherte Energie zu einem späteren Zeitpunkt auf die dann durch Motorabwärme erwärmte Batterie abzugeben.

Aus EP 1 044 852 A2 ist ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt, in dem eine Batterie und ein Kondensator parallel geschaltet sind. Zwischen der Batterie und dem Kondensator ist ein steuerbarer Schalter angeordnet, der in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie und/oder der Betriebstemperatur betätigbar ist. Gemäß der EP 1 044 852 A2 hat diese Anordnung den Vorteil, dass auf eine Temperaturregelung einer Generatorspannung zum Schutz der Batterie bei höheren Betriebstemperaturen verzichtet werden kann, wenn die Batterie durch den Schalter vom Bordnetz getrennt wird.

Unter anderem aus den obengenannten Druckschriften ist bekannt, dass die Nutzung von üblicherweise in Kraftfahrzeugen verwendeten Typen von Batterien, insbesondere Blei-Batterien, aber auch Lithium-Ionen-Batterien, temperaturabhängig ist. Darüber hinaus führt eine unsachgemäße Nutzung zu einer kürzeren Lebensdauer der Batterie.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieversorgung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die eine bessere Nutzung von Batterien bei langer Lebensdauer ermöglichen.

Es wird vorgeschlagen, die Batterie und zumindest einen Doppelschicht-Kondensator thermisch zu koppeln. Auf diese Weise kann Wärme von dem Doppelschicht-Kondensator zu der Batterie und/oder umgekehrt übertragen werden.

Insbesondere besteht die Möglichkeit, durch Aufladung und/oder Entladung des Doppelschicht-Kondensators entstandene Wärme auf die Batterie zu übertragen. Vor allem bei niedrigen Temperaturen, z. B. unter –10 Grad Celsius, steigert dies die Leistungsfähigkeit der Batterie. Die Erfindung wird besonders vorteilhaft bei einer Anordnung der Batterie fernab von einem Verbrennungsmotor eingesetzt, etwa bei Anordnung im Kofferraum, da die Batterie hierbei auch während des Betriebes des Verbrennungsmotors niedrige Temperaturen haben kann.

Vor allem bei hohen Temperaturen wird der zumindest eine Doppelschicht-Kondensator dadurch vor Beschädigung oder Zerstörung geschützt.

Umgekehrt führt eine Wärmeübertragung von der Batterie auf den Doppelschicht-Kondensator vor allem bei hohen Temperaturen ebenfalls zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Batterie. Insbesondere bei Verwendung einer Blei-Batterie kann diese folglich bei höheren Generatorspannungen geladen werden.

Insgesamt ergänzen sich durch thermische Kopplung eine üblicherweise in Kraftfahrzeugen eingesetzte Batterie und Doppelschicht-Kondensatoren hinsichtlich der verschiedenen Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Eigenschaften. Weiterhin nimmt die effektive Wärmekapazität zu. Auf Grund der damit verbundenen geringeren Temperaturschwankungen verlängert sich die Lebensdauer der Batterie.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch den Betrieb der Batterie in Temperaturbereichen, in denen ihre Leistungsfähigkeit größer ist, eine Batterie mit geringerer Ladungskapazität verwendet werden kann. Dadurch können Kosten und Gewicht gespart werden.

Unter Doppelschicht-Kondensatoren werden Kondensatoren verstanden, bei denen im geladenen Zustand an zumindest einer Elektrode eine elektrische Doppelschicht aus der Elektrode und elektrisch entgegengesetzt geladenen angelagerten Teilchen ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Art von Doppelschicht-Kondensatoren mit besonders hoher erreichbarer Kapazität pro Volumeneinheit, auch Superkondensatoren genannt, befindet sich zwischen den Elektroden eine elektrisch isolierende, jedoch für Ionen durchlässige Membran.

Der Doppelschicht-Kondensator und die Batterie können in aus dem vorbekannten Stand der Technik bekannter Weise oder auf andere Weise elektrisch in die Energieversorgung eingebunden sein.

Die thermische Kopplung der Batterie und des zumindest einen Doppelschicht-Kondensators kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, z. B. durch Vorsehen von wärmeleitendem Material, durch geeignetes Gestalten der Oberfläche der Batterie und/oder des Doppelschicht-Kondensators sowie durch Anordnen in unmittelbarer Nähe zueinander, sodass ein wirksamer Wärmeübertrag durch Strahlung möglich ist, durch Integration des Doppelschicht-Kondensators in die Batterie, insbesondere in ein Batteriegehäuse, und/oder durch Vorsehen eines derartig ausgestalteten Wärmeübertragungsmediums zwischen der Batterie und dem Doppelschicht-Kondensators, dass Wärme zumindest auch durch Materietransport übertragen wird. Das Wärmeübertragungsmedium ist insbesondere flüssig. Dies gewährleistet einen guten Wärmeübergang auf das und von dem Medium. Bevorzugt wird, den effektiven Wärmeübergangskoeffizienten für den Wärmeübergang von dem Doppeischicht-Kondensator auf die Batterie und/oder umgekehrt so einzustellen, dass er mindestens 2 * 104 W/(m2 * K), vorzugsweise mindestens 5 * 104 W/(m2 * K) beträgt.

Weiterhin wird bevorzugt, dass ein die Oberfläche der Batterie und/oder des Doppelschicht-Kondensators bildendes Material gut wärmeleitend ist, insbesondere einen Wärmeleitkoeffizienten von mindestens 20 W/(m * K), vorzugsweise von mindestens 50 W/(m * K) hat. Auch wird bevorzugt, die Oberflächen der Batterie und des Doppelschicht-Kondensators so auszuformen, dass sie vollflächig aneinander liegend angeordnet werden können, wobei z. B. noch eine dünne Schicht gut wär meleitendes Material zwischen der Batterie und dem Doppelschicht-Kondensator liegen kann.

Es ist auch möglich, die Wärme durch zwangsweise angetriebene Bewegung eines sich zwischen Batterie und Doppelschicht-Kondensator bewegenden Mediums zu übertragen. Insbesondere in diesem Fall, aber auch sonst bei Verwendung eines Wärmeübertragungsmediums kann das Medium auch dazu verwendet werden, Wärme zu und/oder von dem thermischen System Batterie/Doppelschicht-Kondensator zu transportieren, etwa zu einer Wärmesenke zu transportieren, um das System zu kühlen.

Unabhängig von der Ausgestaltung des Wärmetransports wird als mögliche zusätzliche Maßnahme vorgeschlagen, das System aktiv kühlen und/oder erwärmen zu können, etwa durch steuerbare Ankopplung an den Wärmehaushalt des Kraftfahrzeuges, z. B. an den Verbrennungsmotor (Wärmequelle), einen Kraftstofftank, einen Flüssigkeitsbehälter einer Scheibenwaschanlage (Wärmesenke) und/oder in einen Fahrgastraum bzw. dessen Heizungssystem. Darüber hinaus kann die abgeführte Wärme auch thermodynamisch genutzt werden, z. B. in einem Stirlingmotor.

Ein weiterer Gedanke der vorliegenden Erfindung betrifft die Steuerung einer Stärke einer Wärmeerzeugung des Doppelschicht-Kondensators. Es wird vorgeschlagen, die Häufigkeit und/oder den Grad und/oder die Geschwindigkeit elektrischer Auf- und Entladungen des Doppelschicht-Kondensators zu beeinflussen, sodass dementsprechend eine erzeugte Wärmemenge und/oder eine Wärmeleistung des Doppelschicht-Kondensators eingestellt wird. Eine entsprechende Steuerungseinrichtung kann mit einem EDV-Bordnetz des Kraftfahrzeuges verbunden sein.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung geht von einer Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeuges aus, die jeweils über eine unterbrechbare Gleichspannungsversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden, z. B. Fensterscheiben-Antriebsmotoren und/oder andere elektrische Motoren. Die effektive, aus der Unterbrechung resultierende Spannung an dem jeweiligen Verbraucher wird insbesondere im Wege der Pulsweitenmodulation eingestellt. Es wird vorgeschlagen, die zeitliche Lage und/oder Dauer von Unterbrechungen der Gleichspannungs versorgung zumindest eines der Verbraucher einzustellen, sodass die Stärke der Wärmeerzeugung in der gewünschten Weise gesteuert wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die relative Lage von Schaltvorgängen der Gleichspannungsversorgung von verschiedenen der Verbraucher sich auf Ladungswechselvorgänge des zumindest einen Doppelschicht-Kondensators und damit auf die Wärmeerzeugung auswirkt. Insbesondere können die Schaltvorgänge derart (insbesondere gleichzeitig) ausgeführt werden, dass zumindest Teile von Unterbrechungszeiträumen entweder zusammenfallen oder sich abwechseln. Dementsprechend finden entweder mehr oder weniger mit der Wärmeerzeugung verbundene Ladungs- bzw. Entladungsvorgänge in dem Doppelschicht-Kondensator statt. An Stelle der Unterbrechungen der Gleichspannungsversorgung können auch oder alternativ Verringerungen der an dem Verbraucher anliegenden Spannung vorgenommen werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird Bezug auf die einzige Figur der beigefügten Zeichnung genommen:
1 zeigt eine Anordnung mit einer Batterie und einer Mehrzahl von Superkondensatoren.
Eine besonders bevorzugte Anordnung von Superkondensatoren 3 an einer Oberfläche einer Batterie 1 (z. B. eines Blei-Akkumulators) zeigt 1. Die Oberfläche wird z. B. von einem Batteriegehäuse gebildet. Die Superkondensatoren 3 haben in einem Kontaktbereich zu der Batterie 1 ebenso wie die Batterie 1 eine ebene Außenfläche, sodass die Superkondensatoren 3 vollflächig an der Batterie 1 anliegen.
Für andere Ausgestaltungen und/oder kleine Zwischenräume zwischen der Batterie 1 und den Superkondensatoren 3 wird vorgeschlagen, die Zwischenräume mit gut wärmeleitendem Material oder einer dünnen Schicht eines Materials auszufüllen, etwa mit pastösem Material, um den Wärmeübergang zu verbessern. Das wärmeleitende Material ist insbesondere ein Klebstoff.
Außer durch Verkleben können die Superkondensatoren 3 beispielsweise durch Verschweißen und/oder unter Verwendung mechanischer Befestigungsmittel wie Schrauben und/oder Klemmen an der Batterie 1 befestigt werden.
Ein Gleichspannungswandler 5 ist unterhalb der Batterie 1 und an diese angrenzend angeordnet. Somit ist auch der Gleichspannungswandler 5 thermisch an die Batterie 1 angekoppelt. Hierdurch werden entsprechende Vorteile wie durch die Ankopplung der Superkondensatoren 3 erzielt. Insbesondere erhöht bei niedrigen Temperaturen eine Wärmeerzeugung des Gleichspannungswandlers 5 die Temperatur und damit die Leistungsfähigkeit der Batterie 1. Die elektrische Verschaltung der Batterie 1, des Gleichspannungswandlers 5 und der Superkondensatoren 3 ist beispielsweise so wie in der EP 1 013 506 A2 beschrieben ausgeführt.
Die Batterie 1, die Superkondensatoren 3 und der Gleichspannungswandler 5 sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 7 angeordnet, welches der thermischen Isolierung dient. Somit kommt die von einer der Komponenten 1, 3, 5 innerhalb des Gehäuses 7 erzeugte Wärme in effizienter Weise zunächst den anderen Komponenten 1, 3, 5 zugute. Um die Temperatur des Systems der Komponenten 1, 3, 5 insgesamt steuern zu können, ist optional ein Flüssigkeitskreislauf durch das Innere des Gehäuses 7 hindurch vorgesehen: in 1 sind ein Einlauf 11 in das Gehäuse 7 und ein Auslauf 13 aus dem Gehäuse 7 dargestellt. Eine Flüssigkeit 9 füllt den gesamten zur Verfügung stehenden Innenraum des Gehäuses 7. Durch Steuerung des Flüssigkeitsdurchsatzes kann dem System Wärme (z. B. Abwärme eines Verbrennungsmotors) zugeführt werden und/oder z. B. Wärme zu einer Wärmesenke abgeführt werden (z. B. über einen Wärmetauscher in einen Kraftstofftank). Auch ist es möglich, zusätzlich eine (z. B. elektrische) Heizung zur bedarfsgesteuerten Erwärmung der Batterie 1 vorzusehen, die vorzugsweise mit der in den Superkondensatoren 3 gespeicherten elektrischen Energie betrieben wird.

Claims

Elektrische Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges, mit einer Batterie (1) und zumindest einem Doppelschicht-Kondensator (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) und der zumindest eine Doppelschicht-Kondensator (3) thermisch miteinander gekoppelt sind.
Energieversorgung nach Anspruch 1, wobei der Doppelschicht-Kondensator (3) an einer Oberfläche der Batterie (1) angeordnet ist.
Energieversorgung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem Doppelschicht-Kondensator (3) und der Batterie (1) ein Wärmeübertragungsmedium vorgesehen ist, das sowohl an den Doppelschicht-Kondensator (3) als auch an die Batterie (1} angrenzt.
Energieversorgung nach Anspruch 3, wobei das Wärmeübertragungsmedium ein Kühlmedium ist, das geeignet ist, Wärme zu einer Wärmesenke abzuführen.
Energieversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Doppelschicht-Kondensator (3) und die Batterie (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges, wobei Wärme von zumindest einem Doppelschicht-Kondensator (3) zu einer Batterie (1) übertragen wird und/oder Wärme von der Batterie (1) zu dem Doppelschicht-Kondensator (3) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch Beeinflussung einer Häufigkeit und/oder eines Grades und/oder einer Geschwindigkeit elektrischer Auf- und Entladungen des Doppelschicht-Kondensators (3) eine Stärke einer Wärmeerzeugung des Doppelschicht-Kondensators (3) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern an den zumindest einen Doppelschicht-Kondensator (3) angeschlossen ist, wobei die Verbraucher durch eine unterbrechbare und/oder hinsichtlich einer Spannungshöhe verringerbare Gleichspannungsversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden und wobei durch Einstellung der zeitlichen Lage und/oder Dauer von Unterbrechungen der Gleichspannungsversorgung zumindest eines der Verbraucher und/oder von Verringerungen der Spannungshöhe an dem Verbraucher die Stärke der Wärmeerzeugung gesteuert wird.