DE102018206256A1 - METHOD FOR TEMPERING A BATTERY OF A VEHICLE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren einer Batterie eines Fahrzeuges mittels einer Temperiereinrichtung zum Kühlen und/oder Aufwärmen der Batterie, um die Temperatur der Batterie in den Bereich einer definierten Zieltemperatur (T) zu bringen oder bei der definierten Zieltemperatur (T) zu halten.Um die Batterie auf möglichst einfache Weise zu temperieren ist vorgesehen, dass die Temperierung der Batterie auf der Basis zumindest einer prädiktiven Information der Batterie oder des Fahrzeuges erfolgt.The invention relates to a method for controlling the temperature of a battery of a vehicle by means of a tempering device for cooling and / or warming the battery to bring the temperature of the battery in the range of a defined target temperature (T) or to keep at the defined target temperature (T). In order to temper the battery in the simplest possible way it is provided that the temperature of the battery is based on at least one predictive information of the battery or the vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren einer Batterie eines Fahrzeuges mittels einer Temperiereinrichtung zum Kühlen und/oder Aufwärmen der Batterie, um die Temperatur der Batterie in den Bereich einer definierten Zieltemperatur zu bringen oder bei der definierten Zieltemperatur zu halten.The invention relates to a method for controlling the temperature of a battery of a vehicle by means of a tempering device for cooling and / or warming up the battery in order to bring the temperature of the battery in the range of a defined target temperature or to keep at the defined target temperature.
Unter Temperiereinrichtung wird hier eine Heizeinrichtung oder eine Kühleinrichtung oder eine Einrichtung verstanden, welche sowohl Kühlen, als auch Heizen ermöglicht.Tempering device is understood here to mean a heating device or a cooling device or a device which enables both cooling and heating.
Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien zum Antrieb von Fahrzeugen, wie beispielsweise Li-Ionen-Batterien, weisen einen bestimmten zulässigen Temperaturbereich für optimalen Betrieb auf. Es ist bekannt Batterien in (teil-) elektrischen Fahrzeugen, ähnlich einer Standheizung, im Stillstand, an der Ladestation, zu vortemperieren, um bei niedrigen Außentemperaturen eine schnelle Leistungsverfügbarkeit zu ermöglichen. In der
Das Problem der Leistungsverminderung ergibt sich auch bei zu hoher Temperatur der Batterie. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen wird die Batterie sehr stark aufgeheizt und kann ohne vorzeitige Kühlung nicht gleich ihre volle Leistung zur Verfügung stellen. Ein erhöhter Kühlbedarf entsteht weiters bei hohen Leistungsanforderungen während der Fahrt und auch beim Schnelladen der Batterie. Es ist bekannt zusätzliche Kühlleistung für die Batterie extern zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es bekannt, die Batterie während des Ladens durch die Ladestation zu kühlen. Die
Die Kühlung bzw. Heizung der Batterie erfolgt üblicherweise ausschließlich auf der Basis des aktuellen Betriebszustandes der Batterie. Dies führt dazu, dass die volle Leistung der Batterie erst zeitverzögert zur Verfügung steht, wenn die Batterie auf ihren optimalen Betriebsbereich temperiert ist. Ein rasches Temperieren der Batterie kann üblicherweise nur durch geeignet große Dimensionierung des Heiz- bzw. Kühlsystems erfolgen, was sich allerdings nachteilig auf den Kostenaufwand und das notwendige Bauvolumen und somit auf die Leistungsdichte der Batterie auswirkt.The cooling or heating of the battery usually takes place exclusively on the basis of the current operating state of the battery. As a result, the full power of the battery is available only after a time delay, when the battery is temperature-controlled to its optimum operating range. A rapid temperature control of the battery can usually be done only by suitably large dimensions of the heating or cooling system, which, however, adversely affects the cost and the necessary volume of construction and thus on the power density of the battery.
Somit ergibt sich ein Bedarf die Batterie in verschiedensten Betriebszuständen zu Kühlen oder zu Heizen, um diese im zulässigen Temperaturbereich zu halten.Thus, there is a need to cool or heat the battery in a variety of operating conditions to keep it within the allowable temperature range.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Batterie auf möglichst einfache Weise zu temperieren.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to temper the battery in the simplest possible way.
Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Temperierung der Batterie auf der Basis zumindest einer prädiktiven Information der Batterie oder des Fahrzeuges erfolgt.The solution to this problem is inventively achieved in that the temperature of the battery is based on at least one predictive information of the battery or the vehicle.
Unter Temperieren der Batterie - insbesondere einer Hochvoltbatterie zum Antrieb zumindest eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeuges - wird hier eine Maßnahme verstanden, welche aktiv Wärme der Batterie zuführt. Unter Temperieren der Batterie wird hier auch eine Maßnahme verstanden, welche aktiv Wärme der Batterie entzieht.By tempering the battery - in particular a high-voltage battery for driving at least one electric drive motor of the vehicle - is understood here a measure that actively supplies heat to the battery. Tempering the battery is also understood here as a measure which actively extracts heat from the battery.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass für die prädiktive Information für zumindest einen in der Zukunft liegenden definierten Zielzeitpunkt prädiktiv eine Betriebsweise des Fahrzeuges und/oder der Batterie und die bei dieser Betriebsweise zu erwartende Wärmefreisetzung und/oder Temperatur der Batterie ermittelt wird. Die zu erwartende Wärmefreisetzung und/oder Temperatur der Batterie kann beispielsweise mittels eines thermischen Modells der Batterie auf der Basis von physikalischen Gesetzmäßigkeiten und/oder empirischen Informationen simuliert bzw. ermittelt werden. Zweckmäßigerweise können dabei Algorithmen eingesetzt werden.Preferably, it is provided that for the predictive information for at least one defined in the future defined target time predictively an operation of the vehicle and / or the battery and the expected in this mode of heat release and / or temperature of the battery is determined. The expected heat release and / or temperature of the battery can be simulated or determined for example by means of a thermal model of the battery on the basis of physical laws and / or empirical information. Conveniently, algorithms can be used.
Betriebsweisen des Fahrzeuges sind beispielsweise Höchstgeschwindigkeitsfahrten, Vollastfahrten, Teillastfahrten, Bergfahrten, Talfahrten, Stop and Go-Betrieb, Stadtfahrten oder dergleichen. Betriebsweisen der Batterie sind beispielsweise Entladevorgänge oder Ladevorgänge.Operating modes of the vehicle are, for example, high speed rides, full load rides, partial load rides, mountain rides, downs, stop and go operation, city rides or the like. Operating modes of the battery are, for example, discharging processes or charging processes.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf der Basis der ermittelten zu erwartenden Wärmefreisetzung und/oder der Temperatur der Batterie einerseits und einer bekannten Kühl- bzw. Heizkapazität der Temperiereinrichtung andererseits, ein vor dem Zielzeitpunkt liegender Temperierungsbeginn zum Einleiten der Temperierung bestimmt wird.It is particularly advantageous if, on the basis of the determined expected heat release and / or the temperature of the battery on the one hand and a known cooling or heating capacity of the tempering device on the other hand, a beginning of the Temperierungsbeginn is determined to initiate the tempering.
Die prädiktive Information fließt somit in die Heiz-/Kühlstrategie der Batterie ein. Insbesondere wird der Temperierungsbeginn auf der Basis der prädiktiven Information festgelegt. Der Temperierungsbeginn ist der Zeitpunkt an dem die Temperierungsmaßnahme aktiviert bzw. gesteigert wird. Der Temperierungsbeginn wird so gewählt, dass zwischen dem Temperierungsbeginn und dem Zielzeitpunkt ausreichend Wärme der Batterie zugeführt bzw. von der Batterie abgeleitet werden kann, um zum Zielzeitpunkt die angepeilte Zieltemperatur zu erreichen.The predictive information thus flows into the heating / cooling strategy of the battery. In particular, the beginning of tempering is determined on the basis of the predictive information. Of the Temperierungsbeginn is the time at which the Temperierungsmaßnahme is activated or increased. The commencement of tempering is selected such that sufficient heat can be supplied to the battery between the beginning of the tempering process and the target time or can be dissipated from the battery in order to reach the targeted temperature at the time of destination.
Vorzugsweise wird die Batterie vor dem definierten Zielzeitpunkt so vortemperiert, dass zu dem definierten Zielzeitpunkt die Ist-Temperatur der Batterie maximal der definierten Zieltemperatur entspricht. Die definierte Zieltemperatur liegt dabei vorteilhafterweise innerhalb des zulässigen Temperaturbereiches, vorzugsweise auch innerhalb des optimalen Temperaturbereiches der Batterie. Auf Grund der thermischen Trägheit der Batteriezellen kann die definierte Zieltemperatur aber auch über dem optimalen Temperaturbereich der Batterie liegen, und dadurch ein kurzfristiges Überschreiten des optimalen Temperaturbereiches zum Zielzeitpunkt zugelassen werden, um beispielsweise den Ladevorgang innerhalb einer vorgegebenen elektrischen Ladepause des Fahrzeuges abzuschließen.Preferably, the battery is preheated before the defined target time so that at the defined target time, the actual temperature of the battery corresponds to the maximum of the defined target temperature. The defined target temperature is advantageously within the permissible temperature range, preferably also within the optimum temperature range of the battery. Due to the thermal inertia of the battery cells, the defined target temperature but can also be above the optimum temperature range of the battery, and thereby a short-term exceeding the optimum temperature range are allowed at the target time to complete, for example, the charging process within a predetermined electrical charge break of the vehicle.
Neben internen Faktoren wie dem Ladezustand und/oder der Temperatur der Batterie kann die Betriebsweise der Batterie bzw. des Fahrzeuges zu einem künftigen Zielzeitpunkt auch von externen Leistungsanforderungen wie Straßenverlauf, Verkehrslage oder Wetterbedingungen, Umgebungstemperatur, etc. abhängen. Eine Weiterführung der vorliegenden Erfindung sieht daher vor, dass die Betriebsweise in Abhängigkeit zumindest eines Umgebungsparameters ermittelt wird, wobei vorzugsweise zumindest ein Umgebungsparameter topografische und/oder meteorologische Informationen und/oder Verkehrsinformationen aufweist. Heutige Konnektivitätsdienste für Fahrzeuge stellen - gekoppelt mit Navigationssystemen, topografische Daten und Ortsangaben von Ladesäulen - die notwendigen prädiktiven Informationen bereit, um die Betriebsweise des Fahrzeuges bzw. der Batterie zu einem definierten Zielzeitpunkt vorauszubestimmen.In addition to internal factors such as the state of charge and / or the temperature of the battery, the mode of operation of the battery or the vehicle at a future target time also depend on external power requirements such as road, traffic or weather conditions, ambient temperature, etc. A continuation of the present invention therefore provides that the mode of operation is determined as a function of at least one environmental parameter, wherein preferably at least one environmental parameter has topographical and / or meteorological information and / or traffic information. Today's connectivity services for vehicles provide - coupled with navigation systems, topographical data and location information of charging stations - the necessary predictive information to predict the operation of the vehicle or the battery at a defined target time.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den nicht einschränkenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen
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1 den zeitlichen Verlauf des Ladezustandes der Batterie und Temperatur der Batterie während eines Ladevorganges bei Anwendung des erfindungsgemäße Verfahren und -
2 einen Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Stand der Technik.
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1 the time course of the state of charge of the battery and temperature of the battery during a charging process when using the inventive method and -
2 a comparison of the method according to the invention with the prior art.
Das Elektrofahrzeug fährt beispielsweise auf einer Autobahn und benötigt im Durchschnitt etwa 40% der maximalen Kühlleistung CDmax der Batterie, um diese im optimalen Temperaturfenster zu halten. Auf Grund von hinterlegten Navigationsdaten und dem momentanen Ladezustand SOC kann von der Steuereinheit des Fahrzeuges eine verfügbare Restzeit bzw. restliche Fahrstrecke berechnet werden. Das Navigationssystem des Fahrzeuges gibt daraufhin eine Information an den Fahrer aus, die nächste bekannte Ladesäule aufzusuchen, wobei Empfehlungen für Ladesäulen nach bestimmten Kriterien - wie Erreichbarkeit, Verfügbarkeit, Eignung, Auslastung etc. erfolgen können. Folgt der Fahrer der Empfehlung, so wird die Zieltemperatur Tz der Batterie zum Zielzeitpunkt tz festgelegt, wobei sich der Zielzeitpunkt tz aus dem voraussichtlichen Ladebeginn tC1 und der prognostizierten Ladedauer ΔtC ergibt. In Abhängigkeit der verfügbaren Kühlleistung der Temperiereinrichtung der Batterie, der aktuellen Temperatur T der Batterie und der Zieltemperatur Tz der Batterie zum Zielzeitpunkt tz bzw. dem Ladeende tC2 wird durch die Steuereinheit des Fahrzeuges der Zeitpunkt des Temperierungsbeginnes t0 zum Einleiten der Temperierung bestimmt und die Temperierung zum Zeitpunkt t0 eingeschaltet bzw. auf ein Maximum erhöht. Zwischen dem Temperierungsbeginn t0 und dem Ladebeginn tC1 wird eine prädiktive Temperierung PT - im vorliegenden Fall eine prädiktive Kühlung - durchgeführt und somit mit der noch zur Verfügung stehenden Kühlleistung die Temperatur T der Batterie auf einen unterhalb des optimalen Temperaturbereiches ΔTopt liegenden Wert Tmin abgesenkt. Dadurch wird erreicht, dass trotz der Erwärmung der Batterie durch den Ladevorgang am Ladeende tC2 eine gewisse Zieltemperatur TZ erreicht bzw. nicht überschritten wird. Diese Zieltemperatur Tz wird so gewählt, dass trotz einer für eine vollständige Wärmeabfuhr nicht ausreichenden Kühlleistung während des (Schnell-)ladevorgangs die maximale Zelltemperatur Tmax erst nach Abschluss des Ladevorgangs C erreicht wird.For example, the electric vehicle travels on a highway and requires on average about 40% of the maximum cooling capacity CD max of the battery in order to keep it in the optimum temperature window. On the basis of stored navigation data and the current state of charge SOC, an available remaining time or remaining travel distance can be calculated by the control unit of the vehicle. The navigation system of the vehicle is then an information to the driver from looking for the next known charging station, with recommendations for charging stations according to certain criteria - such as accessibility, availability, suitability, utilization, etc. can take place. If the driver follows the recommendation, then the target temperature T z of the battery is set at the target time t z , with the target time t z resulting from the anticipated charging start t C1 and the predicted charging time Δt C. Depending on the available cooling capacity of the temperature control of the battery, the current temperature T of the battery and the target temperature T z of the battery at the target time t z or the charging end t C2 is determined by the control unit of the vehicle, the time of Temperierungsbeginnes t 0 for initiating the temperature and the temperature at time t 0 is turned on or increased to a maximum. Between the start of temperature t 0 and the start of charging t C1 , a predictive temperature PT - in the present case a predictive cooling - is performed and thus with the still available cooling power, the temperature T of the battery to a below the optimum temperature range .DELTA.TT opt value T min lowered. This ensures that despite the heating of the battery by the charging process at the end of charge t C2 a certain target temperature T Z is reached or not exceeded. This target temperature T z is chosen so that despite a not sufficient for complete heat dissipation during cooling (fast) charging the maximum cell temperature T max is reached only after completion of the charging process C.
In
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ein Zeitgewinn beim Laden von beispielsweise 10 bis 20 Minuten, da die Ladeleistung nicht gedrosselt werden muss, andererseits kann das Kühlsystem mit einer niedrigeren Maximalleistung ausgelegt werden, was Kosten- und Gewichtsvorteile bringt, sowie den nötigen Platzbedarf vermindert.The advantages of the method according to the invention are a time saving when charging, for example, 10 to 20 minutes, since the charging power does not have to be throttled, on the other hand, the cooling system can be designed with a lower maximum power, which brings cost and weight advantages, and reduces the required space.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich aber nicht nur zur Verkürzung der Ladezeiten bei Schnellladevorgängen der Batterie, sondern auch für andere Betriebsweisen des Fahrzeuges bzw. der Batterie einsetzen, beispielsweise, wenn etwa durch die verfügbaren Topografiedaten höhere Leistungsanforderungen prognostiziert werden. Somit kann auch beispielsweise vor längeren Bergfahrten oder vor Höchstgeschwindigkeitsfahrten das Kühlsystem der Batterie entsprechend beeinflusst werden, um die Temperatur der Batterie noch vor dem Beginn der eigentlichen Leistungserhöhung vorzukühlen.However, the method according to the invention can be used not only for shortening the charging times during fast charging processes of the battery, but also for other operating modes of the vehicle or the battery, for example if higher power requirements are predicted, for example, by the available topography data. Thus, the cooling system of the battery can also be influenced accordingly, for example, before traveling uphill for a long time or before high-speed cruising in order to pre-cool the temperature of the battery even before the actual power increase begins.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind einerseits ein Zeitgewinn beim Laden von beispielsweise 10 bis 20 Minuten, da die Ladeleistung nicht gedrosselt werden muss. Dies ermöglicht es Reisezeiten und Stillstandzeiten bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu verkürzen. Andererseits kann das Kühlsystem mit einer niedrigeren Maximalleistung ausgelegt werden, was Kosten- und Gewichtsvorteile bringt, sowie den nötigen Platzbedarf vermindert. Weiters kann die Leistungsfähigkeit der Batterie in bestimmten Betriebszuständen erhöht werden.The advantages of the method according to the invention are, on the one hand, a time saving when loading, for example, 10 to 20 minutes, since the charging power does not have to be throttled. This makes it possible to shorten travel times and downtimes in electrically driven vehicles. On the other hand, the cooling system can be designed with a lower maximum power, which brings cost and weight advantages, and reduces the space required. Furthermore, the performance of the battery can be increased in certain operating conditions.
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