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DE102011004610A1 - Method and device for setting an electric current for an electrothermal converter for controlling the temperature of an energy store - Google Patents

Method and device for setting an electric current for an electrothermal converter for controlling the temperature of an energy store Download PDF

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DE102011004610A1
DE102011004610A1 DE201110004610 DE102011004610A DE102011004610A1 DE 102011004610 A1 DE102011004610 A1 DE 102011004610A1 DE 201110004610 DE201110004610 DE 201110004610 DE 102011004610 A DE102011004610 A DE 102011004610A DE 102011004610 A1 DE102011004610 A1 DE 102011004610A1
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DE
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temperature
current
electrothermal transducer
electrochemical energy
maximum
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Withdrawn
Application number
DE201110004610
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German (de)
Inventor
Dr. Grünwald Jürgen
Dipl.-Ing. Feldhaus Georg
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
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Priority to PCT/EP2012/053112 priority patent/WO2012113890A1/en
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler (110) zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers (120) eines Fahrzeugs. Das Verfahren weist einen Schritt des Einstellens des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke auf, wenn eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (120) außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt. Dabei bewirkt die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers (110).The present invention relates to a method for adjusting an electric current for an electrothermal converter (110) for controlling the temperature of an electrochemical energy store (120) of a vehicle. The method includes a step of adjusting the electrical current to a maximum current level when a temperature of the electrochemical energy store (120) is outside of an operating temperature range. The maximum current causes a maximum temperature control of the electrothermal transducer (110).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug.The present invention relates to a method for adjusting an electric current for an electrothermal converter for controlling the temperature of an electrochemical energy storage device of a vehicle, to a corresponding device and to an energy storage system for a vehicle.

Beim Einsatz von modernen Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, ist dafür Sorge zu tragen, dass sich die Temperatur der Batterie während des Betriebs in einem gewissen Intervall befindet. Daher ist eine Batterietemperierung, d. h. Kühlung bzw. Heizung, erforderlich. Zur Batterietemperierung wird häufig ein Kühlmedium, wie z. B. Kältemittel, Kühlmittel oder Luft eingesetzt, das über eine Anbindung in thermischem Kontakt mit der Batterie steht. Prinzipiell erfordern fluidgekühlte Systeme den Einsatz von Zusatzkomponenten. Hierzu zählen u. a. eine Einheit zur Förderung des Kühlmediums, wie beispielsweise Kompressor, Pumpe bzw. Gebläse, ein Wärmeübertrager, Ventile, Fluidleitungen, usw. Bei der Kältemittel- und Kühlmittelkühlung ist zudem das Kühlmedium bereitzustellen. Eine weitere Möglichkeit zur Batterietemperierung stellt die Verwendung von elektrothermischen bzw. thermoelektrischen Elementen bzw. Wandlern dar. Da die Verlustwärme der Batterie ebenso wie die Umgebungsbedingungen stark variieren können, ist die Temperierung wechselnden Bedingungen anzupassen. Hierbei sollte die Temperierung möglichst energieeffizient gestaltet werden.When using modern high-performance batteries, such as in electric or hybrid vehicles, care must be taken to ensure that the temperature of the battery is within a certain interval during operation. Therefore, a battery temperature control, i. H. Cooling or heating, required. For battery temperature is often a cooling medium, such. As refrigerant, coolant or air used, which is in thermal contact with the battery via a connection. In principle, fluid-cooled systems require the use of additional components. These include u. a. a unit for conveying the cooling medium, such as compressor, pump or blower, a heat exchanger, valves, fluid lines, etc. In the refrigerant and coolant cooling also the cooling medium is to be provided. Another possibility for battery temperature control is the use of electrothermal or thermoelectric elements or transducers. Since the heat loss of the battery as well as the environmental conditions can vary greatly, the temperature must be adapted to changing conditions. Here, the temperature should be designed as energy efficient as possible.

Die US 4,314,008 offenbart ein thermoelektrisches, temperaturstabilisiertes Batteriesystem. Die Akkumulatoren befinden sich hierbei in einem Gehäuse, welches durch eine äußere Lage von Peltierelementen gekühlt oder geheizt wird. Die Abwärme im Kühlfall bzw. die aufgenommene Wärme im Heizfall wird über Kühlrippen an der anderen Seite der Peltierelemente an die Umgebungsluft abgegeben bzw. aus dieser gewonnen.The US 4,314,008 discloses a thermoelectric, temperature stabilized battery system. The accumulators are in this case in a housing which is cooled or heated by an outer layer of Peltier elements. The waste heat in the cooling case or the heat absorbed in the heating case is discharged via cooling fins on the other side of the Peltier elements to the ambient air and recovered from this.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, eine verbesserte Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs und ein verbessertes Energiespeichersystem für ein Fahrzeug zu schaffen.It is the object of the present invention to provide an improved method for adjusting an electric current for an electrothermal converter for controlling an electrochemical energy storage of a vehicle, an improved device for adjusting an electric current for an electrothermal converter for controlling an electrochemical energy storage of a vehicle and an improved Create energy storage system for a vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Energiespeichersystem gemäß den Hauptansprüchen gelöst.This object is achieved by a method, a device and an energy storage system according to the main claims.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine temperaturabhängige Einstellung des elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs erhebliche Vorteile bietet. Der elektrothermische Wandler kann beispielsweise so effizient betrieben werden, dass dem elektrothermischen Wandler in der Regel keine größere Stromstärke zugeführt wird, als es zur Erreichung einer maximalen Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers erforderlich ist. Somit kann ein elektrothermischer Wandler beispielsweise derart bestromt werden, dass für die Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers in der Regel dauerhaft eine geringere als die höchste verfügbare Stromstärke verwendet wird.The present invention is based on the finding that a temperature-dependent adjustment of the electrical current for an electrothermal converter for controlling the temperature of an electrochemical energy store of a vehicle offers considerable advantages. The electrothermal converter can be operated so efficiently, for example, that the electrothermal converter is usually supplied with no greater current than is necessary to achieve a maximum temperature control of the electrothermal converter. Thus, an electrothermal converter, for example, be energized such that for the temperature of the electrochemical energy storage usually less than the highest available current is used permanently.

Der elektrothermische Wandler kann auf der Peltiertechnologie basieren. Im Vergleich zu einem konventionellen Kälteprozess entstehen aufgrund der Peltiertechnologie geringe Kosten bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden, wie sie bei konventioneller Ansteuerung bzw. Regelung nicht erreicht werden könnten. Thermoelektrische Elemente werden hiermit in der Breite einsetzbar, da sie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung effizienter als bisher betrieben werden können und somit Effizienzbestrebungen insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen unterstützen. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die kostengünstige Peltiertechnologie so intelligent eingesetzt und betrieben werden, dass die Effizienz bezüglich eines Verbrauchs an elektrischer Energie eine Mehrzahl von Anwendungen ermöglicht. Die erfindungsgemäße Stromeinstellung für einen elektrothermischen Wandler kann eine verbesserte Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Sicherheit sicherstellen.The electrothermal transducer may be based on Peltier technology. Compared to a conventional refrigeration process, Peltier technology results in low costs coupled with good efficiencies that could not be achieved with conventional control. Thermoelectric elements are hereby used in the broad range, since they can be operated more efficiently than before in accordance with embodiments of the present invention and thus support efficiency efforts, especially in electric and hybrid vehicles. According to embodiments of the present invention, the low-cost Peltier technology can be used and operated intelligently so that the efficiency of consumption of electrical energy enables a plurality of applications. The current adjustment for an electrothermal transducer according to the invention can ensure improved efficiency, functionality and safety.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, mit folgendem Schritt:
Einstellen des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke, wenn eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt, wobei die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers bewirkt.The present invention provides a method for adjusting an electric current for an electrothermal converter for controlling the temperature of an electrochemical energy storage device of a vehicle, comprising the following step:
Adjusting the electrical current to a maximum amperage when a temperature of the electrochemical energy storage is outside of an operating temperature range, wherein the maximum amperage causes a maximum temperature control of the electrothermal transducer.

Unter einem Fahrzeug kann hierbei ein Fahrzeug mit Hybrid- oder Elektroantrieb, wie beispielsweise ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibus, ein anderes Nutzfahrzeug, ein Sonderfahrzeug (Räumfahrzeug, Baumaschine, Gabelstapler..) und dergleichen, verstanden werden. Ein elektrochemischer Energiespeicher kann aus einer Anzahl einzelner galvanischer Zellen aufgebaut sein und z. B. Akkumulatoren bzw. Sekundärbatterien umfassen. Dabei kann es sich bei dem elektrochemischen Energiespeicher insbesondere um eine Fahrbatterie eines Fahrzeugs handeln, es kann sich aber auch um eine Batterie handeln, die elektrische Energie für den Antrieb mechanischer Funktionen bereitstellt, wie sie üblicherweise z. B. hydraulisch ausgeführt werden (z. B. greifen, heben). Eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers kann hierzu an zumindest einer Stelle des elektrochemischen Energiespeichers sensormäßig erfasst werden, wie beispielsweise einer warmen oder erfahrungsgemäß wärmsten Stelle und gegebenenfalls auch einer kalten oder erfahrungsgemäß kältesten Stelle. Für eine Nutzung des elektrochemischen Energiespeichers ist dieser möglichst innerhalb des Betriebstemperaturbereichs zu versetzen und zu halten. Dazu wird der elektrochemische Energiespeicher temperiert. Unter Temperieren kann hierbei eine Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers, wenn dessen Temperatur über dem Betriebstemperaturbereich liegt, bzw. eine Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers verstanden werden, wenn dessen Temperatur unter dem Betriebstemperaturbereich liegt. Eine Temperierung ist bedeutsam, da einerseits der Wirkungsgrad des elektrochemischen Energiespeichers bei Unterschreitung eines geeigneten Betriebstemperaturbereichs sehr stark sinkt und der elektrochemische Energiespeicher somit eine hohe Verlustleistung produziert. Andererseits laufen oberhalb des geeigneten Betriebstemperaturbereichs Prozesse innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers ab, die zu irreversiblen Schädigungen führen können. Der Betriebstemperaturbereich kann mit einer Hysterese beispielsweise für dessen Obergrenze und Untergrenze versehen sein. Zur Temperierung ist ein elektrothermischer Wandler vorgesehen. Unter einem elektrothermischen bzw. thermoelektrischen Wandler kann insbesondere ein Peltier-Element bzw. eine Mehrzahl von Peltier-Elementen verstanden werden. Bei der maximalen Stromstärke, auf die der elektrische Strom für den elektrothermischen Wandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingestellt wird, kann es sich um eine bezüglich einer höchsten verfügbaren Stromstärke verringerte Stromstärke handeln. Unter der maximalen Stromstärke kann somit die maximal eingestellte Stromstärke des elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler verstanden werden. Bei der maximalen Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers kann es sich um die maximale Kühlleistung bzw. Wärmeleistung desselben handeln.A vehicle may in this case be understood as meaning a vehicle with hybrid or electric drive, such as a passenger car, lorry, bus, another commercial vehicle, a special vehicle (clearance vehicle, construction machine, forklift, etc.) and the like. An electrochemical energy store can be constructed from a number of individual galvanic cells and z. B. accumulators or secondary batteries include. In this case, the electrochemical energy store may in particular be a traction battery of a vehicle, but it may also be a battery that provides electrical energy for the propulsion of mechanical functions, as is customary for z. B. hydraulically (eg, grab, lift). For this purpose, a temperature of the electrochemical energy store can be sensory detected at at least one point of the electrochemical energy store, such as, for example, a warm or, according to experience, warmest place and possibly also a coldest or, according to experience, coldest spot. For use of the electrochemical energy storage this is possible within the operating temperature range to move and hold. For this purpose, the electrochemical energy store is tempered. In this context, tempering may be understood to mean cooling of the electrochemical energy store when its temperature is above the operating temperature range or heating of the electrochemical energy store when its temperature is below the operating temperature range. A temperature control is significant because on the one hand, the efficiency of the electrochemical energy storage falls very low when falling below a suitable operating temperature range and the electrochemical energy storage thus produces a high power loss. On the other hand, above the suitable operating temperature range, processes within the electrochemical energy store take place, which can lead to irreversible damage. The operating temperature range may be provided with a hysteresis, for example for its upper limit and lower limit. For temperature control, an electrothermal transducer is provided. An electrothermal or thermoelectric converter may, in particular, be understood to be a Peltier element or a plurality of Peltier elements. The maximum current set to the electric current for the electrothermal converter according to embodiments of the present invention may be a reduced current with respect to a maximum available current. The maximum current intensity can thus be understood as the maximum current intensity of the electrical current for the electrothermal converter. The maximum temperature control of the electrothermal transducer may be the maximum cooling capacity or heat output thereof.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einstellens der elektrische Strom auf die maximale Stromstärke eingestellt werden, wenn eine Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler unter einer Schwellentemperaturdifferenz liegt. Ferner kann der elektrische Strom auf eine reduzierte Stromstärke kleiner als die maximale Stromstärke eingestellt werden, wenn die Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler über der Schwellentemperaturdifferenz liegt. Die reduzierte Stromstärke kann die Stromstärke sein, die bevorzugt eingestellt wird, wenn nicht die maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers benötigt wird und die Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler über der Schwellentemperaturdifferenz liegt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass nicht immer die maximale Stromstärke eingestellt wird, sondern die reduzierte Stromstärke, wenn es die Temperaturbedingungen erlauben. Somit wird elektrische Energie eingespart. Wenn es die Temperaturbedingungen erfordern, kann jedoch die Stromstärke so eingestellt werden, dass die maximale Temperierleistung erreicht werden kann.According to one embodiment, in the step of adjusting, the electric current may be set to the maximum amperage when a temperature difference across the electrothermal converter is below a threshold temperature difference. Further, when the temperature difference across the electrothermal transducer is above the threshold temperature difference, the electric current may be set to a reduced current less than the maximum current. The reduced current level may be the current level which is preferably set if the maximum thermal capacity of the electrothermal transducer is not needed and the temperature difference across the electrothermal transducer is above the threshold temperature differential. Such an embodiment offers the advantage that not always the maximum current is set, but the reduced current, if the temperature conditions permit. Thus, electrical energy is saved. However, if the temperature conditions require it, the current level can be adjusted so that the maximum temperature control performance can be achieved.

Dabei kann im Schritt des Einstellens die reduzierte Stromstärke eine maximale Leistungszahl des elektrothermischen Wandlers bewirken. Unter einer maximalen Leistungszahl kann hierbei ein maximaler Wirkungsgrad bzw. ein maximaler Wert eines Verhältnisses von erzielter Temperierleistung zu jeweils zugeführter elektrischer Leistung verstanden werden. Die Leistungszahl ist auch unter dem englischen Begriff „Coefficient of Performance” (COP) bekannt. Die maximale Leistungszahl eines elektrothermischen Wandlers kann üblicherweise bei einer geringeren Stromstärke des zugeführten elektrischen Stroms, also geringerer zugeführter Leistung, erreicht werden als die maximale Temperierleistung. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der elektrische Strom auf eine Stromstärke eingestellt werden kann, die einen höchst effizienten Betrieb des elektrothermischen Wandlers ermöglicht.In this case, in the setting step, the reduced current value can bring about a maximum coefficient of performance of the electrothermal converter. In this case, a maximum coefficient of performance can be understood as meaning a maximum efficiency or a maximum value of a ratio of the temperature control power achieved to the electrical power supplied in each case. The figure of merit is also known under the English term "Coefficient of Performance" (COP). The maximum coefficient of performance of an electrothermal converter can usually be achieved at a lower current intensity of the supplied electrical current, ie, lower supplied power, than the maximum temperature control output. Such an embodiment offers the advantage that the electric current can be set to a current that allows highly efficient operation of the electrothermal transducer.

Im Schritt des Einstellens kann ein Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke mit einer definierten Hysterese bei der Temperaturdifferenz erfolgen. Das Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke kann somit beispielsweise einem Verlauf der Temperaturdifferenz nacheilen. Dies bietet den Vorteil, dass eine schnelle Zyklierung um die Schwellentemperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler vermieden werden kann.In the setting step, a changeover between the maximum current intensity and the reduced current intensity can take place with a defined hysteresis in the temperature difference. The switching between the maximum current intensity and the reduced current intensity can thus lag, for example, a course of the temperature difference. This offers the advantage that rapid cycling around the threshold temperature difference at the electrothermal transducer can be avoided.

Ferner kann ein Schritt des Bestimmens der Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler aus einem ersten und einem zweiten Temperatursignal vorgesehen sein. Das erste Temperatursignal kann eine Temperatur auf einer dem elektrochemischen Energiespeicher zugewandten Seite des elektrothermischen Wandlers angeben. Das zweite Temperatursignal kann eine Temperatur auf einer von dem elektrochemischen Energiespeicher abgewandten Seite des elektrothermischen Wandlers angeben. Die Temperatursignale können mittels Temperatursensoren bereitgestellt werden. Liegt eine Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler vor, so ergibt sich diese aus einem Temperaturwert auf der dem elektrochemischen Energiespeicher zugewandten Seite des elektrothermischen Wandlers und einem Temperaturwert auf der von dem elektrochemischen Energiespeicher abgewandten Seite des elektrothermischen Wandlers. Anders ausgedrückt ergibt sich die Temperaturdifferenz aus einem Temperaturwert auf einer Warmseite des elektrothermischen Wandlers und einem Temperaturwert auf einer Kaltseite des elektrothermischen Wandlers. Abhängig von Umgebungstemperatur und Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers kann es sich beispielsweise bei der Warmseite und der Kaltseite abwechselnd um die von dem elektrochemischen Energiespeicher abgewandte oder die dem elektrochemischen Energiespeicher zugewandte Seite des elektrothermischen Wandlers handeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch Kenntnis wenigstens der herrschenden Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler der elektrische Strom für den elektrothermischen Wandler so eingestellt werden kann, dass ein Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke optimiert ist. Die Berechnung einer Stromstärke selbst ist exakter, wenn neben der Temperaturdifferenz wenigstens eine der beiden Absoluttemperaturen am thermoelektrischen Wandler oder alternativ wenigstens die beiden Absoluttemperaturen, aus denen sich die Temperaturdifferenz berechnen lässt, bekannt sind,Further, a step of determining the temperature difference at the electrothermal transducer may be provided from a first and a second temperature signal. The first temperature signal may indicate a temperature on a side of the electrothermal transducer facing the electrochemical energy store. The second temperature signal may indicate a temperature on a side of the electrothermal transducer facing away from the electrochemical energy store. The temperature signals can be provided by means of temperature sensors. If there is a temperature difference at the electrothermal Transducer before, it results from a temperature value on the electrochemical energy storage side facing the electrothermal transducer and a temperature value on the side remote from the electrochemical energy storage side of the electrothermal transducer. In other words, the temperature difference results from a temperature value on a warm side of the electrothermal transducer and a temperature value on a cold side of the electrothermal transducer. Depending on the ambient temperature and the temperature of the electrochemical energy store, for example, the hot side and the cold side may alternately be the side of the electrothermal converter facing away from the electrochemical energy store or the side facing the electrochemical energy store. Such an embodiment offers the advantage that by knowing at least the prevailing temperature difference at the electrothermal transducer, the electric current for the electrothermal transducer can be adjusted so that a switching between the maximum current intensity and the reduced current intensity is optimized. The calculation of an amperage itself is more accurate if, in addition to the temperature difference, at least one of the two absolute temperatures at the thermoelectric converter or alternatively at least the two absolute temperatures from which the temperature difference can be calculated are known,

Auch kann im Schritt des Einstellens eine Stromrichtung des elektrischen Stroms auf eine erste Stromrichtung eingestellt werden, wenn die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers über dem Betriebstemperaturbereich liegt. Ferner kann die Stromrichtung des elektrischen Stroms auf eine der ersten Stromrichtung entgegensetzte, zweite Stromrichtung eingestellt werden, wenn die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers unter dem Betriebstemperaturbereich liegt. Dabei kann der elektrothermische Wandler ein Peltier-Element sein. Eine der Stromrichtungen kann eine Erwärmung des elektrochemischen Energiespeichers bewirken, wobei die andere, jeweils entgegengesetzte Stromrichtung eine Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers bewirken kann. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der elektrochemische Energiespeicher mit demselben elektrothermischen Wandler sowohl gekühlt als auch beheizt werden kann. Dies spart Material, Kosten und Platz ein.Also, in the step of adjusting, a current direction of the electric current may be set to a first current direction when the temperature of the electrochemical energy storage device is over the operating temperature range. Furthermore, the current direction of the electric current can be set in a direction opposite to the first current direction, second current direction, when the temperature of the electrochemical energy storage device is below the operating temperature range. In this case, the electrothermal transducer may be a Peltier element. One of the current directions can bring about a heating of the electrochemical energy store, wherein the other, respectively opposite current direction can effect a cooling of the electrochemical energy store. Such an embodiment has the advantage that the electrochemical energy store can both be cooled and heated with the same electrothermal transducer. This saves material, costs and space.

Ferner kann ein Schritt des Anlegens des eingestellten elektrischen Stroms an den elektrothermischen Wandler vorgesehen sein, um den elektrochemischen Energiespeicher zu temperieren. Dies bietet den Vorteil, dass der elektrothermische Wandler so bestromt werden kann, dass abhängig von den herrschenden Betriebsumständen dessen Effizienz oder Leistung optimal ist.Furthermore, a step of applying the adjusted electrical current to the electrothermal transducer may be provided to temper the electrochemical energy store. This offers the advantage that the electrothermal converter can be energized so that its efficiency or performance is optimal depending on the prevailing operating conditions.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einstellens der elektrische Strom auf eine Stromstärke von Null eingestellt werden, wenn eine Temperatur des elektrothermischen Wandlers über einem kritischen Temperaturwert liegt. Wird ein Überschreiten des kritischen Temperaturwerts des elektrothermischen Wandlers vermieden, indem bis zu einer Rückkehr der Temperatur des elektrothermischen Wandlers ein Stromfluss durch denselben unterbrochen wird, kann eine Beschädigung des elektrothermischen Wandlers wegen zu hoher Temperatur verhindert werden. Wird auch für ein Überschreiten und insbesondere ein Unterschreiten des kritischen Temperaturwerts eine Hysterese vorgesehen, kann auch hier eine hochfrequente Zyklierung bei dem elektrothermischen Wandler vermieden werden. So kann beispielsweise erst dann wieder ein elektrischer Strom mit einer von Null verschiedenen Stromstärke angelegt werden, wenn die Temperatur des elektrothermischen Wandlers um einen Betrag der Hysterese unter dem kritischen Temperaturwert liegt, sodass ein Betrieb des elektrothermischen Wandlers zumindest so lange möglich ist, bis der kritische Temperaturwert eventuell wieder überschritten wird.According to one embodiment, in the step of adjusting, the electric current may be set to a zero current level when a temperature of the electrothermal transducer is above a critical temperature value. If exceeding the critical temperature value of the electrothermal transducer is avoided by interrupting a current flow therethrough until the temperature of the electrothermal transducer returns, damage to the electrothermal transducer due to excessively high temperature can be prevented. If a hysteresis is also provided for exceeding and in particular falling below the critical temperature value, a high-frequency cycling in the electrothermal converter can also be avoided here. Thus, for example, an electric current with a non-zero current can be applied again only when the temperature of the electrothermal transducer is below the critical temperature value by an amount of hysteresis, so that operation of the electrothermal transducer is possible at least until the critical Temperature value may be exceeded again.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung folgendes Merkmal aufweist:
eine Einrichtung zum Einstellen des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke, wenn eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt, wobei die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers bewirkt.The present invention further provides an apparatus for adjusting an electrical current for an electrothermal transducer for controlling an electrochemical energy store of a vehicle, the apparatus comprising:
means for adjusting the electrical current to a maximum current level when a temperature of the electrochemical energy store is outside of an operating temperature range, the maximum current level causing a maximum temperature control of the electrothermal transducer.

In Verbindung mit der Vorrichtung kann ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden.In connection with the device, a method according to the invention can be advantageously carried out.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, wobei das Energiespeichersystem folgende Merkmale aufweist:
einen elektrochemischen Energiespeicher;
einen Wärmeübertrager;
einen elektrothermischen Wandler, der zum Temperieren des elektrochemischen Energiespeichers ausgebildet ist und zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und dem Wärmeübertrager angeordnet ist; und
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler.The present invention further provides an energy storage system for a vehicle, the energy storage system comprising:
an electrochemical energy store;
a heat exchanger;
an electrothermal transducer, which is designed for controlling the temperature of the electrochemical energy store and is arranged between the electrochemical energy store and the heat exchanger; and
a device according to the invention for adjusting an electric current for the electrothermal transducer.

In Verbindung mit dem Energiespeichersystem kann ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt bzw. eingesetzt werden. Unter einem Wärmeübertrager kann eine geeignete wärmeübertragende Einheit verstanden werden, wie beispielsweise ein Luftkühler oder eine Kühlplatte mit Kühlmittelkanälen. In connection with the energy storage system, a method according to the invention and / or a device according to the invention can be advantageously carried out or used. A heat exchanger can be understood to mean a suitable heat-transmitting unit, such as an air cooler or a cooling plate with coolant channels.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Advantageous embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Energiespeichereinheit; 1 a schematic representation of an energy storage unit;

2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic representation of an energy storage system according to an embodiment of the present invention;

3A und 3B Diagramme von Verläufen einer Temperatur eines elektrochemischen Energiespeichers, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 3A and 3B Diagrams of a temperature of an electrochemical energy store, according to embodiments of the present invention;

4 eine Darstellung eines Kühlleistungsverlaufs sowie eines Leistungszahlverlaufs eines elektrothermischen Wandlers abhängig von der angelegten Stromstärke; und 4 a representation of a cooling performance curve and a performance curve of an electrothermal transducer depending on the applied current intensity; and

5A und 5B Darstellungen von Kühlwärmestromverläufen über der Zeit. 5A and 5B Representations of cooling heat flow over time.

In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.In the following description of the preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various drawings and similar, and a repeated description of these elements will be omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichereinheit. Die Energiespeichereinheit weist eine Mehrzahl von elektrothermischen Wandlern in Gestalt von Peltier-Elementen 110, einen elektrochemischen Energiespeicher in Gestalt einer Batterie 120 und einen Wärmeübertrager 130 auf. Die Energiespeichereinheit kann in einem Fahrzeug eingesetzt werden, wie beispielsweise einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug. 1 shows a schematic representation of an energy storage unit. The energy storage unit comprises a plurality of electrothermal transducers in the form of Peltier elements 110 , An electrochemical energy storage in the form of a battery 120 and a heat exchanger 130 on. The energy storage unit may be used in a vehicle, such as a hybrid or electric vehicle.

In 1 sind sechs Peltier-Elemente 110 dargestellt, von denen aus Platzgründen lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Es sollte klar sein, dass sich in der Praxis eine Anzahl von Peltier-Elementen 110 von der dargestellten unterscheiden kann. Die Batterie 120 kann eine Fahrbatterie des Fahrzeugs darstellen. Obwohl es in 1 nicht gezeigt ist, kann die Batterie 120 aus einer Mehrzahl von Zellen gebildet sein. Der Wärmeübertrager 130 kann ein geeignetes, Wärme übertragendes Elemente oder Modul sein, wie beispielsweise ein Luftkühler oder eine Kühlplatte mit Kühlmittelkanälen.In 1 are six Peltier elements 110 shown, of which space reasons only one is provided with a reference numeral. It should be clear that in practice there are a number of Peltier elements 110 may differ from the one shown. The battery 120 may represent a driving battery of the vehicle. Although it is in 1 not shown, the battery can 120 be formed of a plurality of cells. The heat exchanger 130 may be a suitable heat transfer element or module, such as an air cooler or a cooling plate with coolant channels.

Die Peltier-Elemente 110 sind zwischen der Batterie 120 und dem Wärmeübertrager 130 angeordnet. Die Batterie 120 und der Wärmeübertrager 130 sind um einen Spalt voneinander beanstandet, wobei die Peltier-Elemente 110 in dem Spalt vorgesehen sind. Dabei sind die Peltier-Elemente 110 sowohl mit der Batterie 120 als auch mit dem Wärmeübertrager 130 thermisch gekoppelt. Die Peltier-Elemente 110 sind in dem Spalt zwischen der Batterie 120 und dem Wärmeübertrager 130 verteilt angeordnet.The Peltier elements 110 are between the battery 120 and the heat exchanger 130 arranged. The battery 120 and the heat exchanger 130 are spaced apart by a gap, with the Peltier elements 110 are provided in the gap. These are the Peltier elements 110 both with the battery 120 as well as with the heat exchanger 130 thermally coupled. The Peltier elements 110 are in the gap between the battery 120 and the heat exchanger 130 arranged distributed.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems mit einer Energiespeichereinheit und einer Vorrichtung 250 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Energiespeichereinheit weist den anhand von 1 beschriebenen Aufbau aus einer Batterie 120, einem elektrothermischen Wandler 110 und einem Wärmeübertrager 130 auf. 2 shows a schematic representation of an energy storage system with an energy storage unit and a device 250 according to an embodiment of the present invention. The energy storage unit has the basis of 1 described construction of a battery 120 , an electrothermal transducer 110 and a heat exchanger 130 on.

Die Vorrichtung 250 ist über elektrische Leitungen mit dem elektrothermischen Wandler 110 verbunden und ausgebildet, um einen Stromfluss durch den elektrothermischen Wandler 110 zu steuern. Der elektrothermische Wandler 110 kann eine Mehrzahl von Peltier-Elementen umfassen, die so verschaltet sind, dass der Stromfluss durch die Peltier-Elemente 110 bewirkt, dass sich entweder eine der Batterie 120 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 erhitzt und eine dem Wärmeübertrager 130 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 abkühlt, oder dass sich eine der Batterie 120 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 abkühlt und eine dem Wärmeübertrager 130 zugewandte Seite der Peltier-Elemente 110 erhitzt. Je nach Richtung des Stromflusses kann die Batterie 120 somit entweder erwärmt oder gekühlt werden.The device 250 is via electrical lines with the electrothermal transducer 110 connected and adapted to a flow of current through the electrothermal transducer 110 to control. The electrothermal transducer 110 may comprise a plurality of Peltier elements interconnected such that current flow through the Peltier elements 110 causes either one of the battery 120 facing side of the Peltier elements 110 heated and a heat exchanger 130 facing side of the Peltier elements 110 cools, or that one of the battery 120 facing side of the Peltier elements 110 cools and a the heat exchanger 130 facing side of the Peltier elements 110 heated. Depending on the direction of the current flow, the battery can 120 thus either heated or cooled.

Die Vorrichtung 250 ist ausgebildet, um den elektrischen Strom durch den elektrothermischen Wandler 110 abhängig von wenigstens einer Temperaturdifferenz des elektrothermischen Wandlers 110 und zusätzlich oder alternativ abhängig von einer Temperatur der Batterie 120 einzustellen.The device 250 is designed to handle the electrical current through the electrothermal transducer 110 depending on at least one temperature difference of the electrothermal transducer 110 and additionally or alternatively depending on a temperature of the battery 120 adjust.

Hierzu ist die Vorrichtung 250 ausgebildet, um von der Energiespeichereinheit eine Temperaturinformation zu empfangen. Dazu kann die Energiespeichereinheit einen oder mehrere Temperatursensoren 270 aufweisen.This is the device 250 configured to receive temperature information from the energy storage unit. For this purpose, the energy storage unit one or more temperature sensors 270 exhibit.

Die 3A und 3B zeigen Diagramme von Verläufen 380 einer Temperatur eines elektrochemischen Energiespeichers über der Zeit, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Der elektrochemische Energiespeicher bzw. die Batterie kann, wie anhand der 1 und 2 beschrieben von einem elektrothermischen Wandler bzw. einem oder mehreren Peltier-Elementen temperiert werden. Der elektrothermische Wandler kann dabei mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler zum Temperieren des elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs verbunden sein. In den 3A und 3B ist jeweils an der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen und ist jeweils an der Ordinatenachse die Batterietemperatur Tbatt aufgetragen. Ferner sind in den 3A und 3B jeweils drei Zeitpunkte t1, t2, t3 sowie vier Temperaturwerte Tc,min, Tc,out, Th,out, Th,max eingezeichnet.The 3A and 3B show diagrams of progressions 380 a temperature of an electrochemical energy store over time, according to embodiments of the present invention. The electrochemical energy storage or the battery can, as based on the 1 and 2 be tempered by an electrothermal transducer or one or more Peltier elements. The electrothermal transducer can be connected to a device according to the invention for adjusting an electrical current for the electrothermal transducer for controlling the temperature of the electrochemical energy storage device of a vehicle. In the 3A and 3B the time t is plotted on the abscissa axis and the battery temperature T batt is plotted on the ordinate axis. Furthermore, in the 3A and 3B in each case three times t 1 , t 2 , t 3 as well as four temperature values T c, min , T c, out , T h, out , T h, max are plotted.

Die Temperaturwerte Tc,min, Tc,out, Th,out, Th,max ergeben sich folgendermaßen. Es erfolgt eine Definition eines Temperaturbandes einer oder mehrerer gemessenen Batterietemperaturen, vorzugsweise an der wärmsten Stelle einer Batterie, innerhalb dessen die Peltier-Elemente nicht bestromt werden. Dies entspricht einem bevorzugten Betriebstemperaturbereich der Batterie. Oberhalb dieses Temperaturbandes wird die Batterie durch Bestromung der Peltier-Elemente gekühlt, unterhalb wird die Batterie geheizt. Der Betriebstemperaturbereich weist eine obere Grenztemperatur Tc,min und eine untere Grenztemperatur Th,max auf. Die obere Grenztemperatur Tc,min entspricht einer minimalen Einschalttemperatur der Peltier-Elemente für den Kühlfall. Die untere Grenztemperatur Th,max entspricht einer maximalen Einschalttemperatur der Peltier-Elemente für den Heizfall. Damit bei Durchschreiten der Grenztemperaturen keine permanente Zyklierung, d. h. schnelles Ein- und Ausschalten, der Peltier-Elemente erfolgt, werden Heizung und Kühlung hystereseartig betrieben. Eine Ausschalttemperaturfür den Heizfall Th,out liegt um einen ersten Hysteresebetrag höher als die untere Grenztemperatur Th,max bzw. die maximale Einschalttemperatur für den Heizfall. Eine Ausschalttemperatur für den Kühlfall Tc,out liegt um einen zweiten Hysteresebetrag niedriger als die obere Grenztemperatur Tc,min bzw. die minimale Einschalttemperatur für den Kühlfall.The temperature values T c, min , T c, out , T h, out , T h, max are as follows. There is a definition of a temperature band of one or more measured battery temperatures, preferably at the warmest point of a battery, within which the Peltier elements are not energized. This corresponds to a preferred operating temperature range of the battery. Above this temperature band, the battery is cooled by energizing the Peltier elements, below the battery is heated. The operating temperature range has an upper limit temperature T c, min and a lower limit temperature T h, max . The upper limit temperature T c, min corresponds to a minimum switch-on temperature of the Peltier elements for the cooling case. The lower limit temperature T h, max corresponds to a maximum switch-on temperature of the Peltier elements for the heating case. Heating and cooling are operated in hysteresis so that no permanent cycling, ie rapid switching on and off of the Peltier elements takes place when the limit temperatures are exceeded. A switch-off temperature for the heating case T h, out is higher by a first hysteresis amount than the lower limit temperature T h, max or the maximum switch-on temperature for the heating case. A switch-off temperature for the cooling case T c, out is lower than the upper limit temperature T c, min or the minimum switch-on temperature for the cooling case by a second hysteresis amount.

In 3A ist ein Fall dargestellt, bei dem der elektrochemische Energiespeicher bzw. die Batterie mittels des elektrothermischen Wandlers bzw. Peltier-Elements zu kühlen ist. Wie anhand des Temperaturverlaufs 380 zu erkennen ist, liegt die Batterietemperatur Tbatt zu einem Zeitpunkt t = 0 über der oberen Grenztemperatur Tc,min und wird bis zum Zeitpunkt t1 auf die Ausschalttemperatur für den Kühlfall Tc,out durch Kühlen gesenkt. Danach steigt die Batterietemperatur Tbatt bis zu dem Zeitpunkt t2 wieder bis zu der oberen Grenztemperatur Tc,min bzw. minimalen Einschalttemperatur für den Kühlfall. Von dem Zeitpunkt t2 bis zu dem Zeitpunkt t3 wird die Batterie wieder bis zu der Ausschalttemperatur für den Kühlfall Tc,out gekühlt. Nach dem Zeitpunkt t3 erwärmt die Batterie wieder. Auch wenn es in 3A nicht mehr weiter gezeigt ist, kann die Batterie nach dem obigen Hystereseschema so lange immer wieder gekühlt werden, wie es erforderlich ist.In 3A a case is shown in which the electrochemical energy storage or the battery is to be cooled by means of the electrothermal transducer or Peltier element. As based on the temperature profile 380 can be seen, the battery temperature T batt at a time t = 0 is above the upper limit temperature T c, min and is lowered until the time t 1 to the switch-off temperature for the cooling case T c, out by cooling. After that, the battery temperature T batt rises again up to the time t 2 up to the upper limit temperature T c, min or minimum switch-on temperature for the cooling case. From the time t 2 to the time t 3 , the battery is again cooled to the switch-off temperature for the cooling case T c, out . After the time t 3, the battery heats up again. Even if it is in 3A is no longer shown, the battery can be cooled according to the above Hystereseschema as long as needed again.

In 3B ist ein Fall dargestellt, bei dem der elektrochemische Energiespeicher bzw. die Batterie mittels des elektrothermischen Wandlers bzw. Peltier-Elements zu heizen ist. Wie anhand des Temperaturverlaufs 380 zu erkennen ist, liegt die Batterietemperatur Tbatt zu einem Zeitpunkt t = 0 unterhalb der unteren Grenztemperatur Th,max und wird bis zu dem Zeitpunkt t1 auf die Ausschalttemperatur für den Heizfall Th,out aktiv durch Heizen erhöht. Dann sinkt die Batterietemperatur Tbatt von selbst aufgrund der kalten Umgebung wieder ab, bis die untere Grenztemperatur Th,max bzw. maximale Einschalttemperatur für den Heizfall bei dem Zeitpunkt t2 erreicht wird. Nach einer erneuten aktiven Heizphase von dem Zeitpunkt t2 bis zu dem Zeitpunkt t3 wird die Ausschalttemperatur für den Heizfall Th,out wieder erreicht. Die Eigenabwärme der nun stärker belasteten Batterie bewirkt jedoch eine weitere Erwärmung, welche aber innerhalb des Betriebstemperaturbereiches der Batterie erfolgt und die Peltier-Elemente somit weder aktiv, d. h. mit elektrischem Strom, kühlen noch aktiv heizen müssen.In 3B a case is shown in which the electrochemical energy store or the battery is to be heated by means of the electrothermal transducer or Peltier element. As based on the temperature profile 380 can be seen, the battery temperature T batt at a time t = 0 below the lower limit temperature T h, max and is up to the time t 1 to the switch-off for the heating case T h, out actively increased by heating. Then the battery temperature T batt drops by itself due to the cold environment again, until the lower limit temperature T h, max or maximum switch-on temperature for the heating case at the time t 2 is reached. After a renewed active heating phase from the time t 2 to the time t 3 , the switch-off for the heating case T h, out is reached again. However, the waste heat of the now more heavily loaded battery causes a further heating, which takes place within the operating temperature range of the battery and the Peltier elements thus neither active, ie with electric power, cool still need to heat actively.

Die in den 3A und 3B dargestellten Verläufe berücksichtigen nicht, dass in der Praxis aufgrund thermischer Trägheiten nicht genau die jeweilige Grenztemperatur eingehalten werden kann. Dies ist bei der Auslegung simulatorisch oder experimentell zu berücksichtigen. Darf beispielsweise eine bestimmte Batterietemperatur auf keinen Fall überschritten werden, ist ggf. bereits bei einer niedrigeren Temperatur die Kühlung anzuschalten, da die Temperaturveränderung aufgrund von Wärmekapazitäten der Bestromung der Peltierelemente zeitlich nachläuft.The in the 3A and 3B Processes shown do not take into account that in practice due to thermal inertia not exactly the respective limit temperature can be maintained. This must be taken into account simulatively or experimentally in the design. If, for example, a certain battery temperature can not be exceeded in any case, the cooling may already be switched on at a lower temperature, since the temperature change due to heat capacities of the energization of the Peltier elements lags in time.

4 zeigt eine Darstellung eines Kühlleistungsverlaufs sowie eines Leistungszahlverlaufs eines elektrothermischen Wandlers, wie er beispielsweise anhand der 1 und 2 beschrieben ist, abhängig von der an den elektrothermischen Wandler angelegten Stromstärke. In 4 ist an der Abszissenachse die an den elektrothermischen Wandler angelegte elektrische Stromstärke I aufgetragen und sind an getrennt eingezeichneten Ordinatenachsen die Kühlleistung Qc sowie die Leistungszahl COP des elektrothermischen Wandlers bzw. eines oder mehrerer Peltier-Elemente aufgetragen. Ferner sind in 4 Leistungszahlmaximum COPmax und ein Kühlleistungsmaximum Qc,max gezeigt. Das Leistungszahlmaximum COPmax ist bei einer geringeren Stromstärke I erreicht als das Kühlleistungsmaximum Qc,max. In 4 ist somit die qualitative Lage von Kühlleistungsmaximum Qc,max und Leistungszahlmaximum COPmax dargestellt. 4 shows a representation of a cooling performance curve and a performance curve of an electrothermal transducer, as for example with reference to the 1 and 2 is described, depending on the current applied to the electrothermal transducer current. In 4 the electric current intensity I applied to the electrothermal transducer is plotted on the abscissa axis and the cooling power Q c and the coefficient of performance COP of the electrothermal transducer or of one or more Peltier elements are plotted on ordinate axes drawn separately. Furthermore, in 4 Maximum power COP max and a maximum cooling capacity Q c, max shown. The maximum power COP max is achieved at a lower current I than the maximum cooling capacity Q c, max . In 4 Thus, the qualitative position of maximum cooling capacity Q c, max and COP max power maximum is shown.

Im folgenden wird erläutert, wie das Kühlleistungsmaximum Qc,max und das Leistungszahlmaximum COPmax zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers eines Fahrzeugs genutzt werden. Insbesondere beim Kühlfall werden die Peltier-Elemente mitunter so bestromt, dass deren Kühlleistung maximal wird, also bei oder nahe dem Kühlleistungsmaximum. Oberhalb und unterhalb dieser Stromstärke fällt die Kühlleistung ab. Im Heizfall kann dieselbe Strategie mit umgekehrter Polung verwendet werden, dadurch ergäbe sich eine maximale Ausnutzung des Wärmereservoirs der kalten Seite der Peltier-Elemente, z. B. Abwärmen, Umgebungswärme.In the following it will be explained how the cooling power maximum Q c, max and the maximum power COP max are used to set an electric current for the electrothermal converter for controlling the temperature of an electrochemical energy storage device of a vehicle. In particular, in the case of cooling, the Peltier elements are sometimes energized so that their cooling capacity is maximum, ie at or near the cooling capacity maximum. Above and below this current, the cooling capacity drops. In the case of heating the same strategy can be used with reverse polarity, this would result in a maximum utilization of the heat reservoir of the cold side of the Peltier elements, z. B. waste heat, ambient heat.

Eine Alternative ist die Bestromung der Peltier-Elemente derart, dass nicht mit der dem Kühlleistungsmaximum Qc,max, sondern dem Leistungszahlmaximum COPmax entsprechenden Stromstärke gearbeitet wird. Die dem Leistungszahlmaximum COPmax entsprechende Stromstärke ist hierbei bezüglich der dem Kühlleistungsmaximum Qc,max entsprechenden Stromstärke reduziert, da das Leistungszahlmaximum COPmax regelmäßig bei geringeren Kühlleistungen erreicht wird als der Zustand maximaler Kühlleistung. Dementsprechend wird eine größere Menge an Peltier-Elementen vorzusehen sein. Bei dieser Strategievariante ist jedoch zu beachten, dass die Stromstärke am Leistungszahlmaximum COPmax für sehr kleine Temperaturdifferenzen zwischen warmer und kalter Seite eines Peltier-Elementes regelmäßig gegen null geht. Bei kleinen Temperaturdifferenzen reicht daher die dem Leistungszahlmaximum COPmax entsprechende Stromstärke eventuell nicht aus, um einen ausreichenden Kühl- bzw. Heizprozess in Gang zu setzen, wenn die an der Batterie gemessene Temperatur dies erfordern würde. Daher wird bei Unterschreitung einer bestimmten Schwellentemperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite eines Peltier-Elementes die dem Kühlleistungsmaximum Qc,max entsprechende Stromstärke verwendet. Hierdurch entsteht aufgrund der generell besseren Leistungszahl bei kleinen Temperaturhüben kein Nachteil.An alternative is the energization of the Peltier elements such that it does not work with the cooling capacity maximum Q c, max , but the maximum power COP max corresponding current. The power value maximum COP max corresponding current is in this case reduced with respect to the cooling capacity maximum Q c, max corresponding current since the maximum power COP max is regularly achieved at lower cooling outputs than the state of maximum cooling capacity. Accordingly, a larger amount of Peltier elements will be provided. In this strategy variant, however, it should be noted that the current intensity at the COP max power maximum for very small temperature differences between the warm and cold sides of a Peltier element regularly approaches zero. Therefore, at small temperature differences, the current magnitude corresponding to the COP max may not be sufficient to initiate a sufficient cooling or heating process if the temperature measured at the battery would require it. Therefore, when the temperature falls below a certain threshold temperature difference between the warm and cold side of a Peltier element, the current intensity corresponding to the maximum cooling capacity Q c, max is used. This results in no disadvantage due to the generally better coefficient of performance with small temperature strokes.

Die 5A und 5B zeigen Darstellungen von Kühlwärmestromverläufen 590 über der Zeit. In den 5A und 5B ist jeweils an der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen und ist jeweils an der Ordinatenachse der Kühlwärmestrom KWS für einen elektrochemischen Energiespeicher bzw. eine Batterie aufgetragen. 5A zeigt einen Fall, bei dem eine Auslegung von Peltier-Elementen, die zur Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers dienen, überdimensioniert ist. Der Verlauf 590 des Kühlwärmestroms in 5A weist konstante Abschnitte zwischen sprunghaften Ausschlägen auf hohe und niedrige Kühlwärmestromwerte auf. 5B zeigt einen Fall, bei dem die Auslegung der Peltier-Elemente richtig dimensioniert ist. Der Verlauf 590 des Kühlwärmestroms in 5B ist durchgehend konstant.The 5A and 5B show illustrations of cooling heat flows 590 over time. In the 5A and 5B the time t is plotted on the abscissa axis in each case and the cooling heat flow KWS is plotted in each case on the ordinate axis for an electrochemical energy store or a battery. 5A shows a case in which a design of Peltier elements that serve to control the temperature of the electrochemical energy storage is oversized. The history 590 of the cooling heat flow in 5A has constant sections between erratic rashes on high and low cooling heat flux values. 5B shows a case where the design of the Peltier elements is properly dimensioned. The history 590 of the cooling heat flow in 5B is constant throughout.

Um eine richtige Dimensionierung der Auslegung der Peltier-Elemente zu ermitteln, ist die Menge der Peltier-Elemente, d. h. deren Anzahl multipliziert mit deren Fläche entscheidend. Es ist festzulegen, welche Stressfälle es für die Peltier-Elemente gibt, d. h. unter welchen Bedingungen, wie Umgebungstemperaturen, Abwärmen, etc., die maximale Auslastung der Peltier-Elemente erfolgt, wobei spezifizierte Vorgaben erfüllt sein müssen. Die Vorgaben können z. B. eine Aufheizung von 0 auf 10°C in 15 Minuten, eine Abkühlung von 50 auf 40°C in 30 Minuten unter voller Lade- und Entladebeanspruchung der Batterie umfassen. Werden die Vorgaben nicht erfüllt, so liegt Unterdimensionierung vor, d. h. die Menge an Peltier-Elementen muss erhöht werden. Gibt es in einem instationären Stressfall, insbesondere in einem Stressfall für die Kühlung, mindestens einmal eine Phase, in welcher eine Bestromung aufgrund Vorliegen einer günstigen Betriebstemperatur der Batterie nicht erfolgt, so liegt Überdimensionierung vor, welche die Leistungszahl bzw. den Wirkungsgrad der Batterietemperierung unnötig verschlechtert. Bei Überdimensionierung ist die Häufigkeit der stromfreien Phasen an den Peltier-Elementen höher als bei richtiger Dimensionierung. Dies führt in den aktiven Phasen dazu, dass höhere Leistungen an die Peltier-Elemente angelegt werden müssen, was die mittlere Wärmestromdichte von der Batterie an die Umgebung in den Einschaltphasen erhöht, wie es in 5A gezeigt ist. Somit sind bei den Peltier-Elementen auch die Temperaturdifferenzen zwischen Warm- und Kaltseite vergrößert und die Leistungszahlen verschlechtert. In den Ausschaltphasen fließt Wärme durch natürliche Wärmeleitung in die jeweils unerwünschte Richtung, wie z. B. bei heißer Umgebung von außen in die Batterie. Im Idealfall ist daher die Menge an Peltier-Elementen so gewählt, dass im Stressfall bis zu einem möglichen, endgültigen Erreichen des Betriebstemperaturbereichs der Batterie, was gleichzeitig das Ende des Stressfalles bedeutet, keine Phase ohne Bestromung vorkommt.In order to determine a correct dimensioning of the design of the Peltier elements, the amount of Peltier elements, ie their number multiplied by their area is crucial. It is necessary to specify which stress cases exist for the Peltier elements, ie under which conditions, such as ambient temperatures, waste heat, etc., the maximum utilization of the Peltier elements takes place, whereby specified specifications must be fulfilled. The specifications can z. Example, a heating from 0 to 10 ° C in 15 minutes, a cooling of 50 to 40 ° C in 30 minutes under full charge and discharge of the battery. If the specifications are not met, there is undersizing, ie the amount of Peltier elements must be increased. Is there in a transient stress case, especially in a stress case for cooling, at least once a phase in which an energization does not occur due to the existence of a favorable operating temperature of the battery, then oversizing is present, which unnecessarily worsens the coefficient of performance or the efficiency of the battery temperature , When oversized, the frequency of the current-free phases at the Peltier elements is higher than when properly dimensioned. This leads to the fact that higher power must be applied to the Peltier elements in the active phases, which increases the mean heat flow density from the battery to the environment in the switch-on phases, as shown in FIG 5A is shown. Thus, the temperature differences between the hot and cold side are increased in the Peltier elements and the performance numbers deteriorated. In the off phases heat flows through natural heat conduction in the respective undesirable direction, such. B. in a hot environment from the outside into the battery. Ideally, therefore, the amount of Peltier elements is chosen so that in case of stress up to a possible, final reaching the operating temperature range of the battery, which also means the end of the stress case, no phase occurs without energization.

Abgesehen von der Bestimmung der Menge an Peltier-Elementen können noch weitere Kriterien berücksichtigt werden. Dazu zählt beispielsweise eine Abschaltung der Bestromung eines Peltier-Elements nach Erreichen einer kritischen Temperatur an der Warmseite des Peltier-Elementes zum Materialschutz. Es kann eine Hysterese für die Abschaltung vorgesehen werden, um auch hier eine schnelle Zyklierung zu vermeiden. Eine Hysterese kann auch für die Umschaltung von temperierleistungsoptimierten auf eine leistungszahloptimierte Bestromung vorgesehen werden, um eine schnelle Zyklierung um die Schwellentemperaturdifferenz am Peltier-Element zu vermeiden. Verallgemeinert ausgedrückt lässt sich sagen, dass die Peltier-Elemente in der Regel nahe bei deren Leistungszahlmaximum betrieben werden sollen und bei Temperaturdifferenzen zwischen warmer und kalter Seite der Peltier-Elemente kleiner als einer bestimmten Schwellentemperaturdifferenz eine Bestromung oberhalb des Leistungszahlmaximums erfolgen soll, allerdings soll die Stromstärke nicht höher sein als beim Temperierleistungsmaximum.Apart from determining the amount of Peltier elements, other criteria may be considered. This includes, for example, a shutdown of the energization of a Peltier element after reaching a critical temperature on the hot side of the Peltier element for material protection. A hysteresis for the shutdown can be provided in order to avoid rapid cycling here as well. A hysteresis can also be used for switching from tempering power-optimized to power-optimized current supply be provided to avoid rapid cycling around the threshold temperature difference at the Peltier element. Expressed in general terms, it can be stated that the Peltier elements should generally be operated close to their power maximum and, given temperature differences between the warm and cold sides of the Peltier elements, smaller than a certain threshold temperature difference, current should flow above the power maximum, but the current should be not higher than at the temperature control maximum.

Eine Alternative stellt eine Zweipunktregelung mit nur den beiden Zuständen „Strom an” mit konstant festgelegter Stromstärke und „Strom aus” dar. Simulationen haben aber gezeigt, dass mit einer solchen Strategie inakzeptable Energieverbräuche bewirkt werden, die bereits in die Größenordnung der von der Batterie geladenen und entladenen elektrischen Leistung geraten können.An alternative is a two-point control with only the two states "current on" with constant fixed current and "current off". However, simulations have shown that such a strategy causes unacceptable energy consumption already on the order of magnitude of that charged by the battery and discharged electrical power.

Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine optimierte Auslegungs- und Betriebsstrategie zur Batterietemperierung beispielsweise mit Peltier-Elementen. Batterien erzeugen Abwärme, haben einen optimalen Betriebstemperaturbereich und können mit Peltier-Elementen temperiert werden. Um den Aufwand an elektrischer Energie zu minimieren und eine Divergenz der Temperaturen im Kühlfall, bis hin zu einem Zusammenbruch der Peltier-Kühlung, zu vermeiden, ist die vorgestellte Strategie zur Bestromung der Peltier-Elemente in Abhängigkeit von Temperaturmesswerten vorteilhaft. Die benötigte Menge an Peltier-Elementen soll eine methodisch zu ermittelte Obergrenze nicht überschreiten und der Betriebszustand der Peltier-Elemente liegt zwischen deren Leistungszahlmaximum und deren Temperierleistungsmaximum.Thus, embodiments of the present invention enable an optimized design and operation strategy for battery temperature control, for example with Peltier elements. Batteries generate waste heat, have an optimal operating temperature range and can be tempered with Peltier elements. In order to minimize the expense of electrical energy and to avoid a divergence of the temperatures in the case of cooling, up to a collapse of the Peltier cooling, the proposed strategy for energizing the Peltier elements in dependence on temperature readings is advantageous. The required amount of Peltier elements should not exceed a methodically determined upper limit and the operating state of the Peltier elements is between their maximum power value and their Temperierleistungsmaximum.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.The described embodiments are chosen by way of example and can be combined with each other.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 4314008 [0003] US 4314008 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler (110) zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers (120) eines Fahrzeugs, mit folgendem Schritt: Einstellen des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke, wenn eine Temperatur (380) des elektrochemischen Energiespeichers (120) außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt, wobei die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung (Qc,max) des elektrothermischen Wandlers (110) bewirkt.Method for adjusting an electric current for an electrothermal converter ( 110 ) for tempering an electrochemical energy store ( 120 ) of a vehicle, comprising the step of: adjusting the electrical current to a maximum current level when a temperature ( 380 ) of the electrochemical energy store ( 120 ) is outside an operating temperature range, wherein the maximum current intensity is a maximum temperature control (Q c, max ) of the electrothermal transducer ( 110 ) causes. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Einstellens der elektrische Strom auf die maximale Stromstärke eingestellt wird, wenn eine Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler (110) unter einer Schwellentemperaturdifferenz liegt, und auf eine reduzierte Stromstärke kleiner als die maximale Stromstärke eingestellt wird, wenn die Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler (110) über der Schwellentemperaturdifferenz liegt.Method according to claim 1, wherein in the setting step the electric current is set to the maximum current intensity when a temperature difference at the electrothermal transducer ( 110 ) is below a threshold temperature difference, and is set to a reduced current less than the maximum current when the temperature difference across the electrothermal transducer ( 110 ) is above the threshold temperature difference. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem im Schritt des Einstellens die reduzierte Stromstärke eine maximale Leistungszahl (COPmax) des elektrothermischen Wandlers (110) bewirkt.Method according to Claim 2, in which, in the setting step, the reduced current strength has a maximum coefficient of performance (COP max ) of the electrothermal transducer ( 110 ) causes. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem im Schritt des Einstellens ein Umschalten zwischen der maximalen Stromstärke und der reduzierten Stromstärke mit einer definierten Hysterese bei der Temperaturdifferenz erfolgt.A method according to claim 2 or 3, wherein in the setting step, switching between the maximum current intensity and the reduced current level occurs with a defined hysteresis in the temperature difference. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Schritt des Bestimmens der Temperaturdifferenz an dem elektrothermischen Wandler (110) aus einem ersten und einem zweiten Temperatursignal, wobei das erste Temperatursignal eine Temperatur auf einer dem elektrochemischen Energiespeicher (120) zugewandten Seite des elektrothermischen Wandlers (110) angibt und das zweite Temperatursignal eine Temperatur auf einer von dem elektrochemischen Energiespeicher (120) abgewandten Seite des elektrothermischen Wandlers (110) angibt.Method according to one of claims 2 to 4, comprising a step of determining the temperature difference at the electrothermal transducer ( 110 ) of a first and a second temperature signal, wherein the first temperature signal is a temperature on a the electrochemical energy storage ( 120 ) facing side of the electrothermal transducer ( 110 ) and the second temperature signal indicates a temperature on one of the electrochemical energy store ( 120 ) facing away from the electrothermal transducer ( 110 ) indicates. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einstellens eine Stromrichtung des elektrischen Stroms auf eine erste Stromrichtung eingestellt wird, wenn die Temperatur (380) des elektrochemischen Energiespeichers (120) über dem Betriebstemperaturbereich liegt, und die Stromrichtung des elektrischen Stroms auf eine der ersten Stromrichtung entgegensetzte, zweite Stromrichtung eingestellt wird, wenn die Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (120) unter dem Betriebstemperaturbereich liegt.Method according to one of the preceding claims, wherein in the setting step a current direction of the electric current is set to a first current direction when the temperature ( 380 ) of the electrochemical energy store ( 120 ) is above the operating temperature range, and the current direction of the electric current is opposite to one of the first current direction, the second current direction is set when the temperature of the electrochemical energy store ( 120 ) is below the operating temperature range. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Anlegens des eingestellten elektrischen Stroms an den elektrothermischen Wandler (110), um den elektrochemischen Energiespeicher (120) zu temperieren.Method according to one of the preceding claims, comprising a step of applying the adjusted electrical current to the electrothermal transducer ( 110 ) to the electrochemical energy store ( 120 ) to temper. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einstellens der elektrische Strom auf eine Stromstärke von Null eingestellt wird, wenn eine Temperatur des elektrothermischen Wandlers (110) über einem kritischen Temperaturwert liegt.Method according to one of the preceding claims, wherein in the step of adjusting the electric current is set to a current of zero when a temperature of the electrothermal transducer ( 110 ) is above a critical temperature value. Vorrichtung (250) zum Einstellen eines elektrischen Stroms für einen elektrothermischen Wandler (110) zum Temperieren eines elektrochemischen Energiespeichers (120) eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Einstellen des elektrischen Stroms auf eine maximale Stromstärke, wenn eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (120) außerhalb eines Betriebstemperaturbereichs liegt, wobei die maximale Stromstärke eine maximale Temperierleistung des elektrothermischen Wandlers (110) bewirkt.Contraption ( 250 ) for adjusting an electric current for an electrothermal transducer ( 110 ) for tempering an electrochemical energy store ( 120 ) of a vehicle, the device comprising: means for adjusting the electrical current to a maximum current level when a temperature of the electrochemical energy store ( 120 ) is outside an operating temperature range, wherein the maximum current strength is a maximum temperature control of the electrothermal transducer ( 110 ) causes. Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, wobei das Energiespeichersystem folgende Merkmale aufweist: einen elektrochemischen Energiespeicher (120); einen Wärmeübertrager (130); einen elektrothermischen Wandler (110), der zum Temperieren des elektrochemischen Energiespeichers (120) ausgebildet ist und zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher (120) und dem Wärmeübertrager (130) angeordnet ist; und eine Vorrichtung (250) gemäß Anspruch 9 zum Einstellen eines elektrischen Stroms für den elektrothermischen Wandler (110).Energy storage system for a vehicle, wherein the energy storage system comprises the following features: an electrochemical energy store ( 120 ); a heat exchanger ( 130 ); an electrothermal transducer ( 110 ), for the tempering of the electrochemical energy store ( 120 ) is formed and between the electrochemical energy store ( 120 ) and the heat exchanger ( 130 ) is arranged; and a device ( 250 ) according to claim 9 for adjusting an electric current for the electrothermal transducer ( 110 ).
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