DE102004025831B4 - Motor vehicle with a coolable electrical storage device - Google Patents
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Abstract
Kraftfahrzeug mit einer kühlbaren elektrischen Energiespeichereinrichtung, wobei die Energiespeichereinrichtung einen Innenbereich aufweist und ein Luftzufuhrkanal mit einer Einlassöffnung in einem Bereich des Fahrzeug-Frontendes angeordnet ist, durch den ein von dem Fahrbetrieb des Fahrzeugs erzeugter Luftmassenstrom dem Innenbereich der Energiespeichereinrichtung zur Wärmeabfuhr zur Verfügung gestellt werden kann, wobei im Luftzufuhrkanal eine Klappe zur Steuerung des Luftmassenstroms angeordnet ist. Motor vehicle with a coolable electrical energy storage device, wherein the energy storage device has an inner region and an air supply channel is arranged with an inlet opening in a region of the vehicle front end, through which an air mass flow generated by the driving operation of the vehicle can be provided to the inner region of the energy storage device for heat dissipation , wherein a flap for controlling the air mass flow is arranged in the air supply channel.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer kühlbaren elektrischen Speichereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.The invention relates to a motor vehicle with a coolable electrical storage device according to the preamble of the independent claim.
Moderne Kraftfahrzeuge haben einen erhöhten Bedarf an elektrischer Leistung, der zumindest teilweise von einer elektrischen Energiespeichereinrichtung einem oder mehreren elektrischen Leistungsverbrauchern an Bord des Fahrzeugs zuzuführen ist. Dies gilt insbesondere bei Hybridfahrzeugen, bei denen zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert sind, die auf unterschiedliche Weise die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitstellen. Bei parallelen Hybridkonzepten bietet sich grundsätzlich die Möglichkeit, in den verschiedenen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs jeweils die Antriebsquelle zu verwenden, die im gegebenen Drehzahl-/Lastbereich den besseren Wirkungsgrad aufweist. Besonders gut ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine, so dass Hybridfahrzeuge heute vorwiegend in einer derartigen Kombination zu finden sind. Die Anbindung der Elektromaschine an die Motorkurbelwelle des Verbrennungsmotors kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. Bevorzugt ist eine Anbindung über eine Kupplung bzw. direkt an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Eine andere bevorzugte Möglichkeit ist eine Anbindung über einen Riementrieb bzw. ein Getriebe.Modern motor vehicles have an increased demand for electrical power that is at least partially supplied by an electrical energy storage device to one or more electrical power consumers on board the vehicle. This is especially true in hybrid vehicles in which two drive units are combined, providing in different ways the power for the vehicle drive. In the case of parallel hybrid concepts, it is fundamentally possible to use the drive source in the various operating states of the motor vehicle, which has the better efficiency in the given speed / load range. The properties of an internal combustion engine and an electric machine complement each other particularly well, so that today hybrid vehicles are predominantly found in such a combination. The connection of the electric machine to the engine crankshaft of the internal combustion engine can be done in various ways. A connection via a clutch or directly to the crankshaft of the internal combustion engine is preferred. Another preferred option is a connection via a belt drive or a transmission.
Als elektrische Energiespeichereinrichtung werden bei Hybridfahrzeugen in der Regel zyklenfeste Batterien eingesetzt. Diese haben den Vorteil einer vergleichsweise hohen volumen- und massenbezogenen Energiedichte, sind jedoch bezüglich der erreichbaren Leistungsaufnahme sowie Leistungsabgabe begrenzt. Des weiteren ist die Lebensdauer derartiger Batterien über die durchgesetzte, d.h. ein- und ausgespeicherte Energie begrenzt, so dass eine starke Zyklisierung zu einer verringerten Lebensdauer führt. Alternativ kann es daher bei einem Hybridfahrzeug sinnvoll sein, für das Energiespeichersystem andere Energiespeichertypen zu verwenden. Bekannt ist es, anstelle einer Batterie einen Kondensatorspeicher einzusetzen, der praktisch unbegrenzt zyklisch, d.h. gegenüber Batterien mit einer erheblich höheren Zyklenzahl belastet werden kann. Der Nachteil konventioneller Kondensatorspeicher gegenüber einer Batterie ist vor allem die bezogen auf das Bauvolumen geringere einspeicherbare Energie. Das bedeutet, dass durch einen Kondensatorspeicher einem Fahrzeug mit nur begrenzt vorhandenem Bauraum im Belastungsfall nur eine relativ geringe Energiemenge zur Verfügung gestellt werden kann. Durch parallelen Einsatz einer Batterie und eines Kondensatorspeichers können die Vorteile beider Energiespeicherkonzepte kombiniert werden, so dass ein Großteil der zyklischen Ein- und Ausspeichervorgänge über den Kondensatorspeicher abgewickelt wird und lediglich bei den nur sehr selten vorkommenden, lang andauernden elektrischen Belastungsphasen die Batterie herangezogen wird.As an electrical energy storage device are used in hybrid vehicles usually deep cycle batteries. These have the advantage of a comparatively high volume and mass-related energy density, but are limited in terms of achievable power consumption and power output. Furthermore, the life of such batteries is beyond that established, i. limited and stored energy, so that a strong Zyklisierung leads to a reduced life. Alternatively, it may therefore be useful in a hybrid vehicle to use other energy storage types for the energy storage system. It is known, instead of using a battery, to use a capacitor storage device which operates virtually indefinitely cyclically, i. compared to batteries can be charged with a significantly higher number of cycles. The disadvantage of conventional capacitor storage in relation to a battery is above all the lower energy which can be stored relative to the volume of construction. This means that only a relatively small amount of energy can be provided by a capacitor storage a vehicle with limited space available in case of load. By parallel use of a battery and a capacitor storage, the advantages of both energy storage concepts can be combined, so that a large part of the cyclic storage and withdrawal processes is handled by the capacitor storage and only in the very rarely occurring, long-lasting electrical load phases, the battery is used.
Der Betrieb des Fahrzeugs mit der Elektromaschine erfolgt beispielsweise bevorzugt in Bereichen mit nur geringen Lastanforderungen, in denen der Verbrennungsmotor nur geringe Wirkungsgrade aufweist. Bereiche mit höheren Lastanforderungen werden genutzt, um bei dem Verbrennungsmotor mit dann relativ gutem Wirkungsgrad durch zusätzlichen generatorischen Betrieb der Elektromaschine die elektrische Energiespeichereinrichtung wieder zu laden, aus der die Elektromaschine im motorischen Betrieb gespeist wird. Darüber hinaus kann die Momentenabgabe von Verbrennungsmotor und Elektromaschine auch parallel erfolgen, beispielsweise, um das maximale Drehmoment, das dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann, zu steigern.The operation of the vehicle with the electric machine, for example, is preferably carried out in areas with only low load requirements, in which the internal combustion engine has only low efficiencies. Areas with higher load requirements are used to recharge the electric energy storage device in the internal combustion engine with then relatively good efficiency by additional regenerative operation of the electric machine, from which the electric machine is powered during engine operation. In addition, the torque output of the internal combustion engine and the electric machine can also take place in parallel, for example in order to increase the maximum torque which can be made available to the vehicle.
Da auch die Kondensatorspeicher entsprechend der Leitfähigkeit des Elektrolyten sowie der Leitungswiderstände der Elektroden einen elektrischen Widerstand (ESR) aufweisen, führt die Ein- und Ausspeicherung von elektrischer Energie zu einer Verlustleistung im Kondensatorspeicher und damit zu einer Erwärmung der Bauteile. Es versteht sich, dass für einen optimalen Betrieb bestimmte Temperaturschwellen nicht überschritten werden sollen, um eine übermäßig schnelle Bauteilalterung oder mögliche Schädigung der Bauteile auszuschließen, so dass Maßnahmen zur Wärmeabfuhr zweckmäßig sind.Since the capacitor memory according to the conductivity of the electrolyte and the line resistance of the electrodes have an electrical resistance (ESR), the injection and withdrawal of electrical energy leads to a power loss in the capacitor memory and thus to a heating of the components. It is understood that for optimum operation certain temperature thresholds should not be exceeded in order to preclude an excessively fast component aging or possible damage to the components, so that measures for heat removal are expedient.
Eine Erwärmung des Kondensatorspeichers erfolgt vor allem im Zusammenhang mit der Einspeicherung von rekuperierter Bremsenergie und Ausspeicherung für die Bordnetzversorgung sowie elektrische Antriebsunterstützung in stark zyklisiertem Betrieb. Die Kondensatoren müssen daher auch entsprechend ihrer zyklischen Belastung, insbesondere bei längeren Fahrstrecken oder erhöhter Außentemperatur, zur Sicherung einer ausreichenden Leistungsfähigkeit und zum Ausschluss von Schädigungen gekühlt werden. Andernfalls können bei zu hoher Temperatur die Kondensatoren für den elektrischen Betrieb bzw. die mechanisch-elektrische Energieumwandlung bei der Rekuperation nicht mehr oder nicht mehr im vollen Umfang genutzt werden, wodurch die Funktion des Hybridfahrzeugs eingeschränkt wird und der Kraftstoffverbrauch unnötig ansteigt.A heating of the capacitor memory is mainly in connection with the storage of recuperated braking energy and withdrawal for the electrical system supply and electrical drive support in highly cyclized operation. The capacitors must therefore also be cooled according to their cyclic load, in particular for longer distances or increased outside temperature, to ensure adequate performance and to exclude damage. Otherwise, if the temperature is too high, the capacitors for the electrical operation or the mechanical-electrical energy conversion during recuperation can no longer or no longer be used to their full extent, whereby the function of the hybrid vehicle is limited and fuel consumption unnecessarily increases.
Es ist bereits bekannt, einen Kondensatorspeicher im Fahrzeuginnenraum, beispielsweise im Bereich des Kofferraums oder der hinteren Sitzbank, zu verbauen. Aufgrund der dort nur geringen Luftbewegung kann von dem Kondensatorspeicher nur wenig Wärme abgeführt werden. In einem solchen Fall kann es deshalb erforderlich sein, mit zusätzlichen elektrischen Luftgebläsen zu arbeiten, um durch steigende Konvektion die Wärmeabfuhr zu erhöhen. Derartige Gebläse haben aber einen zusätzlichen Bordnetz-Strombedarf und ein höheres Gewicht zur Folge, was sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch des Hybridfahrzeugs auswirkt. Es versteht sich, dass damit auch höhere Kosten verbunden sind.It is already known to install a capacitor storage in the vehicle interior, for example in the area of the trunk or the rear seat. Due to the only slight air movement there, only a small amount of heat can be dissipated from the capacitor store. In such a case Therefore, it may be necessary to work with additional electric air blowers to increase the heat dissipation by increasing convection. However, such blowers have an additional on-board power requirement and a higher weight result, which has a negative effect on the fuel consumption of the hybrid vehicle. It goes without saying that this also involves higher costs.
Aus der
Bei Verwendung von Doppelschichtkondensatoren ist zu berücksichtigen, dass die für einen uneingeschränkten Betrieb maximal zulässigen Temperaturen typischerweise bei etwa 50 Grad C liegen. Daher ist eine Verwendung der Motorkühleinrichtung eines Verbrennungsmotors zur Kühlung derartiger Kondensatorspeicher ausgeschlossen.When using double-layer capacitors, it must be taken into account that the maximum permissible temperatures for unrestricted operation are typically around 50 degrees Celsius. Therefore, a use of the engine cooling device of an internal combustion engine for cooling such capacitor storage is excluded.
Im Dokument
Aus dem Dokument
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug so weiterzuentwickeln, dass bei einer elektrischen Energiespeichereinrichtung auf einfache Weise eine bessere Steuerung der Wärmeabfuhr möglich wird.The object of the present invention is to develop a generic motor vehicle so that in an electrical energy storage device in a simple way better control of heat dissipation is possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.According to the invention the object is solved by the features of the independent claim. Further developments of the invention can be found in the dependent claims.
Bei dem Kraftfahrzeug mit einer kühlbaren elektrischen Energiespeichereinrichtung weisst die Energiespeichereinrichtung einen Innenbereich auf wobei ein Luftzufuhrkanal mit einer Einlässöffnung in einem Bereich des Fahrzeug-Frontendes vorgesehen ist, durch den ein durch den Fahrbetrieb des Fahrzeugs erzeugter Luftmassenstrom dem Innenbereich der Energiespeichereinrichtung zur Wärmeabfuhr zur Verfügung gestellt werden kann. Die Erfindung berücksichtigt, dass sich die Energiespeichereinrichtung hauptsächlich durch Ein- und -Auslagerungsvorgänge erwärmt, d.h. vorzugsweise bei im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs. auftretenden Prozessen. Damit ist es vorteilhaft, eine aufwendige Gebläsekühlung zu vermeiden und die Energiespeichereinrichtung durch eine Fahrtwindkühlung vor hohen Temperaturen zu schützen. Erfindungsgemäß wird zur Steuerung des Luftmassenstroms eine Klappe im Luftzufuhrkanal eingesetzt. Die Wärmeabfuhr ist dadurch besonders effektiv, dass der Luftmassenstrom in einen Innenbereich der Energiespeichereinrichtung gelenkt. Ein besonders großer Luftmassenstrom kann dem Innenbereich der Energiespeichereinrichtung zur Wärmeabfuhr dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass ein Luftzufuhrkanal mit einer Einlassöffnung in einem Bereich des Frontendes vorgesehen ist, da im Bereich des Frontendes im Fahrbetrieb ein erhöhter Staudruck herrscht.In the motor vehicle having a coolable electric energy storage device, the energy storage device has an inner region, wherein an air supply channel is provided with an intake port in a region of the vehicle front end, by which an air mass flow generated by the driving operation of the vehicle is provided to the inner region of the energy storage device for heat dissipation can. The invention contemplates that the energy storage device is primarily heated by injection and deposition processes, i. preferably when driving the motor vehicle. occurring processes. Thus, it is advantageous to avoid a complex fan cooling and to protect the energy storage device by a Fahrtwindkühlung from high temperatures. According to the invention, a flap in the air supply channel is used to control the air mass flow. The heat dissipation is particularly effective in that the air mass flow directed into an inner region of the energy storage device. A particularly large air mass flow can be made available to the inner region of the energy storage device for heat removal by providing an air supply channel with an inlet opening in a region of the front end, since an increased dynamic pressure prevails in the region of the front end during driving operation.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Innenbereich ein Strömungsvolumen mit Hauptströmungswegen und diesen zugeordneten Hauptströmungsrichtungen auf. Ein Hauptanteil des zur Verfügung gestellten Luftmassenstroms beaufschlagt den Innenbereich in einer Hauptzustromrichtung, wobei die Winkelabweichung zwischen Hauptzustromrichtung und Hauptströmungsrichtung zwischen + 60 Grad und - 60 Grad liegt. Dadurch erhöht sich der mögliche Luftdurchsatz zum Vorteil des angestrebten Kühleffekts, da vermieden wird, dass die Luftströmung in der Energiespeichereinheit zu starke Umlenkungen erfährt, was zu steigenden Druckverlusten führen und damit den Luftmassendurchsatz herabsenken würde.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the inner region has a flow volume with main flow paths and associated main flow directions. A major portion of the air mass flow provided impinges the interior in a main inflow direction, with the angular deviation between the main inflow and main flow directions being between + 60 degrees and -60 degrees. This increases the possible air flow to the advantage of the desired cooling effect, since it is avoided that the air flow in the energy storage unit experiences too strong deflections, which would lead to increasing pressure losses and thus lower the air mass flow rate.
Wenn die Energiespeichereinrichtung zumindest zwei Speichermodule beinhaltet und zumindest ein Teil des Strömungsvolumens von dem Raum zwischen den Speichermodulen gebildet wird, lassen sich die Hauptströmungsrichtungen im Innenbereich der Energiespeichereinrichtung besonders einfach festlegen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Energiespeichereinrichtung eine Mehrzahl von in einem Array, vorzugsweise in Reihen oder Kreisen, angeordneten Speichermodulen beinhaltet. Wenn die Speichermodule eine säulenartig ausgebildete Formgebung aufweisen, ist ihre Zusammenfassung in besonders einfacher Weise zu kompakten Baueinheiten möglich. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Speichermodule jeweils eine Längsachse aufweisen und mit ihren Längsachsen parallel zueinander, stehen. Zweckmäßig ist es, wenn die Längsachsen parallel, senkrecht oder in einem zwischen 0 und 90 Grad liegenden Winkel zu einer Fahrbahnfläche, auf der sich das Fahrzeug im Gebrauchszustand befindet, angeordnet sind.If the energy storage device includes at least two memory modules and at least part of the flow volume is formed by the space between the memory modules, the main flow directions in the interior of the energy storage device can be set particularly easily. It is particularly preferred if the energy storage device includes a plurality of memory modules arranged in an array, preferably in rows or circles. If the memory modules have a columnar design, their combination is possible in a particularly simple manner to form compact units. It is particularly preferred if the memory modules each have a longitudinal axis and are parallel to one another with their longitudinal axes. It is expedient if the longitudinal axes are arranged parallel, perpendicular or in an angle between 0 and 90 degrees to a road surface on which the vehicle is in use.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest ein Teilbereich des Innenbereichs in einem Gehäuse zur Führung des Luftmassenstroms angeordnet, wobei dieses Gehäuse vorzugsweise eine Anschlusseinrichtung an den Luftzufuhrkanal aufweist. Durch ein derartiges Gehäuse lässt sich ein Ausweichen des Luftmassenstroms verhindern und dadurch die Kühlwirkung auf den Innenbereich bzw. den Teilbereich konzentrieren. In a preferred embodiment, at least a portion of the inner region is arranged in a housing for guiding the air mass flow, wherein this housing preferably has a connection device to the air supply channel. By means of such a housing, a deflection of the air mass flow can be prevented and thereby the cooling effect can be concentrated on the inner area or the partial area.
Wenn der Innenbereich der Energiespeichereinrichtung durch einen Luftabströmkanal mit einem Unterdruckgebiet zur Erzeugung einer Sogwirkung verbunden ist, wird der Luftdurchsatz und damit die Wärmeabfuhr auf einfache Weise gesteigert.If the inner region of the energy storage device is connected to a negative pressure region by a Luftabströmkanal to produce a suction effect, the air flow rate and thus the heat dissipation is increased in a simple manner.
Als bevorzugter Bereich mit lokalem Unterdruck bei bewegtem Fahrzeug wird zweckmäßigerweise ein Bereich des Fahrzeugunterbodens verwendet.As a preferred region with local negative pressure when the vehicle is moving, an area of the vehicle underbody is expediently used.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Energiespeichereinrichtung eine Kondensator-, vorzugsweise eine Doppelschichtkondensatoreinrichtung, ggf. mit einer Batterieeinrichtung kombiniert. Besonders hohe Einspareffekte an Kraftstoff lassen sich bei einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einer Elektromaschine, jeweils zur Abgabe eines Drehmoments zum Betrieb des Fahrzeugs, erreichen.In a further preferred embodiment of the invention, the energy storage device is a capacitor, preferably a double-layer capacitor device, possibly combined with a battery device. Particularly high savings of fuel can be achieved in a hybrid vehicle with an internal combustion engine and at least one electric machine, each for delivering a torque to the operation of the vehicle.
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand von Zeichnungen zu entnehmen.Other embodiments, aspects, and advantages of the invention are to be had in conjunction with the drawings, without restricting the generality of the following description of the invention, independently of their summary in the claims.
Es zeigen in schematischer Darstellung
-
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs -
2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs -
3 eine Detailansicht einer kühlbaren elektrischen Speichereinrichtung.
-
1 a side view of a motor vehicle according to the invention -
2 a plan view of a motor vehicle according to the invention -
3 a detailed view of a coolable electrical storage device.
In den
Wenn die Energiespeichereinrichtung als Kondensatoreinrichtung ausgebildet ist, besteht während einer Landstraßenfahrt und/oder einer bergigen Fahrt im Durchschnitt der höchste Kühlungs- bzw. Wärmeabfuhrbedarf, da unter derartigen Bedingungen die höchste Zyklisierung zu erwarten ist. Ein weiterer Betriebsparameter, der einen erhöhten Kühlungs- bzw. Wärmeabfuhrbedarf für die Energiespeichereinrichtung
Um eine besonders effektive Kühlung der Energiespeichereinrichtung
Die Energiespeichereinrichtung
Um in dem Innenbereich 12a ein Strömungsvolumen mit Hauptströmungswegen und diesen zugeordneten Hauptströmungsrichtungen auszubilden, ist es vorgesehen, dass die Speichermodule relativ zu dem sie beaufschlagenden Luftmassenstrom im wesentlichen hintereinander angeordnet sind.In order to form a flow volume in the
Wie in der Detaildarstellung der Draufsicht in
Bei der Ausführungsform gemäß
Die Speichermodule
Der Luftzufuhrkanal
Zur Lenkung des Luftmassenstroms
Die Hauptrichtungen 21b der bevorzugten Strömungswege zwischen den Speichermodulen
Der Innenbereich 12a der Energiespeichereinrichtung
Im Bereich, des Luftzufuhrkanals
Da Doppelschichtkondensatoren typischerweise bei etwa 50 Grad C minimale Werte eines elektrischen Widerstands (ESR) aufweisen, die jedoch bei höheren, insbesondere aber auch bei niedrigeren Temperaturen ansteigen, bietet sich bei einer steuerbaren bzw. schaltbaren Klappe die Möglichkeit, bei niedrigen Außentemperaturen ein im Hinblick auf den Innenwiderstand und unter Berücksichtigung des Alterungseffektes optimales Temperaturniveau der Energiespeichereinrichtung
Mit der beschriebenen Erfindung ist es möglich, eine durch den Luftwiderstand beim Fahrbetrieb eines Fahrzeugs ohnehin auftretende Verlustenergie zur Erzielung einer Kühlwirkung besser zu nutzen, wobei der Kraftstoffverbrauch nicht erhöht wird.With the described invention, it is possible to make better use of a loss energy occurring anyway due to the air resistance when driving a vehicle to achieve a cooling effect, wherein the fuel consumption is not increased.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Fahrzeugvehicle
- 1111
- Frontendefront end
- 1212
- EnergiespeichereinrichtungEnergy storage device
- 12 a12 a
- Innenbereichinterior
- 1313
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1414
- LuftzufuhrkanalAir supply duct
- 14 a14 a
- Endbereich des LuftzufuhrkanalsEnd region of the air supply channel
- 1515
- Elektromaschineelectric machine
- 1616
- Gehäusecasing
- 16 a16 a
- LuftabströmkanalLuftabströmkanal
- 1717
- LuftmassenstromAir mass flow
- 1818
- Abströmrichtungoutflow
- 1919
- Einlassöffnunginlet port
- 2020
- Speichermodulmemory module
- 21 a21 a
- HauptzustromrichtungMain flow direction
- 21 b21 b
- HauptströmungsrichtungMain flow direction
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