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Die Erfindung betrifft ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterie in einem elektrisch betreibbaren Fahrzeug.
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Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen fällt insbesondere beim schnellen Aufladen der Hochvoltbatterie als Traktionsbatterie in relativ kurzer Zeit eine große Wärmemenge an. Üblicherweise wird diese Wärmemenge entweder vom Fahrzeugkühler an die Umgebung, oder während des Ladevorgangs an eine externe Kühleinrichtung abgegeben.
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Vor einem Schnelladevorgang wird die Hochvoltbatterie vorkonditioniert, d.h. mit elektrischer Energie aus der Hochvoltbatterie geheizt.
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Die
DE 10 2017 202 379 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeugvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Energiespeichereinheit zur Speicherung der für einen Vortrieb des Kraftfahrzeugs nötigen Energie, einer Energieumwandlungseinheit und einer Energieaustauscheinheit zur Kopplung mit einem, von dem Kraftfahrzeug verschiedenen, Objekt. Die Energieaustauscheinheit ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand eine thermische Energie mittels eines gerichteten thermischen Energieflusses von dem Kraftfahrzeug zu dem Objekt zu leiten und/oder von dem Objekt zu dem Kraftfahrzeug zu leiten.
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Die
DE 10 2017 221 829 B3 offenbart ein System zur Regelung einer Ladetemperatur einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges, wobei die Fahrzeugbatterie mittels eines Fluids gekühlt wird, das in einem Kühlkreislauf des Fahrzeuges zirkuliert, welcher durch eine Steuerung derart gesteuert wird, dass die Fahrzeugbatterie bei Erreichen einer Ladestation auf eine Soll-Ladestarttemperatur vortemperiert ist, die für einen elektrischen Ladevorgang zum zügigen Aufladen der Fahrzeugbatterie durch die Ladestation geeignet ist. Der Kühlkreislauf weist einen Tank und eine Pumpe auf. Ferner ist der Kühlkreislauf eingerichtet, um in dem Tank des Kühlkreislaufes befindliches Fluid vor Beginn des elektrischen Ladevorganges auf eine niedrige Temperatur vorzukühlen. Die Pumpe ist eingerichtet, um mit Beginn des elektrischen Ladevorganges das vorgekühlte Fluid durch einen Bauraum der Fahrzeugbatterie zu pumpen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizient elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein effizientes Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterie in einem elektrisch betreibbaren Fahrzeug anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie vorgeschlagen, welche ein Batteriekühlsystem mit einem Kühlmittel aufweist, wobei das Batteriekühlsystem wenigstens umfasst eine Speichereinrichtung für das Kühlmittel, und ein Leitungssystem mit einer Pumpe, wobei die Speichereinrichtung über das Leitungssystem mit der Hochvoltbatterie fluidisch verbunden ist. Dabei ist die Speichereinrichtung in einer Karosseriestruktur des Fahrzeugs angeordnet.
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Die Hochvoltbatterie kann so beim Laden mit dem Kühlmittel gekühlt werden, welches einen Wärmetauscher der Hochvoltbatterie durchströmt. Dabei wird das Kühlmittel erwärmt. Das Kühlmittel wird dann während des Ladevorgangs in die Speichereinrichtung gepumpt. Während der normalen Fahrt des Fahrzeugs wird das Batteriekühlsystem nicht betrieben. Die stehende Pumpe dient jetzt als Absperreinrichtung. Da die Speichereinrichtung ein Bestandteil der tragenden, metallischen Karosseriestruktur des Fahrzeugs ist, ist sie auch thermisch an die Karosseriestruktur angebunden. Die in der Speichereinrichtung vorhandene thermische Energie wird daher über die Karosserieflächen an die Umgebung dissipiert.
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Soll die Hochvoltbatterie zur Vorbereitung für einen Schnelladevorgang temperiert werden, so wird die Pumpe wieder in Betrieb genommen. Dies führt dazu, dass das noch etwas warme Kühlmittel aus der Speichereinrichtung seine restliche Wärme an die Hochvoltbatterie abgibt, und diese so für einen Schnellladevorgang vorgewärmt wird.
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Das fahrzeugseitige Kühlsystem muss nicht mehr die hohe Ladeabwärme aufnehmen, und kann daher deutlich kleiner als üblich dimensioniert werden.
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Da das Batteriekühlsystem ohne einen fahrzeugseitigen Rückkühler auskommt, können dessen Kosten eingespart werden.
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Der Luftwiderstand für den großen Batteriekühler nach dem Stand der Technik fällt nicht an. Dies reduziert den Energieverbrauch und erhöht die Reichweite des Fahrzeugs.
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Die Hochvoltbatterie kann vor einem Ladevorgang ohne den Einsatz von elektrischer Energie erwärmt werden. Dies erhöht die Reichweite des Fahrzeugs.
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Der Ladevorgang ist geräuschlos, da kein Gebläse zum Abführen der beim Ladevorgang entstehenden Wärme aus dem aufgeheizten Kühlmittel benötigt wird.
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Es muss an einer Ladestation keine Wärme mehr an eine externe Kühleinrichtung übertragen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann die Speichereinrichtung in einem Hohlraum der Karosseriestruktur angeordnet sein. Insbesondere kann dabei der Hohlraum die Speichereinrichtung bilden. Vorteilhaft können so Hohlräume der Karosserie zum Unterbringen von Wärmespeichern genutzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann der Hohlraum in einem Bereich tragender Teile der Karosseriestruktur angeordnet sein. Insbesondere kann der Hohlraum in einem tragenden Teil der Karosseriestruktur ausgebildet sein. Die Speichereinrichtung kann so zusätzlich zum Versteifen der Karosseriestruktur beitragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann die Speichereinrichtung zweigeteilt ausgebildet und in der Karosseriestruktur verteilt angeordnet sein. Insbesondere kann dabei die Speichereinrichtung zur Aufnahme von Kräften der Radaufhängungen des Fahrzeugs und Weiterleitung an die Karosseriestruktur ausgebildet sein. So kann die Speichereinrichtung symmetrisch auf beiden Seiten der Karosserie angeordnet sein, beispielsweise im Bereich der Radhausversteifungsprofile, und dabei auch Kräfte in der Karosserie übertragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann das Leitungssystem in der Karosseriestruktur ausgebildet sein. Insbesondere können dabei Hohlräume der Karosseriestruktur wenigstens Teile des Leitungssystems bilden. Dadurch kann das Leitungssystem zum Weiterleiten und Verteilen des Kühlmittels günstig in ohnehin bestehenden Hohlräumen der Karosserie angeordnet sein. Vorteilhaft können so Hohlräume der Karosserie als Leitungssystem genutzt werden, wodurch zusätzlich Kosten eingespart werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann die Speichereinrichtung an die Karosseriestruktur thermisch angekoppelt sein. Durch die thermische Anbindung der Speichereinrichtung kann günstigerweise auch Wärme aus dem in der Speichereinrichtung gespeicherten Kühlmittel über die Karosseriestruktur an die Umgebung abgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann eine Absperrvorrichtung in dem Leitungssystem zwischen der Speichereinrichtung und der Hochvoltbatterie angeordnet sein. Mittels der Absperrvorrichtung kann das Batteriekühlsystem günstig gesteuert werden und beispielsweise so während der Fahrt ganz abgeschaltet werden. Dadurch kann ein Teil der Wärme in der Speichereinrichtung gespeicherten Kühlmittels während der Fahrt an die Umgebung abgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs kann das Batteriekühlsystem mit einem Fahrzeugkühlsystem fluidisch gekoppelt sein, wobei eine Absperrvorrichtung in dem Leitungssystem zwischen der Speichereinrichtung und dem Fahrzeugkühlsystem angeordnet ist. So kann auch das Fahrzeugkühlsystem günstigerweise entlastet werden, sodass es kleiner dimensioniert werden kann als üblich.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterie in einem elektrisch betreibbaren Fahrzeug vorgeschlagen, wobei bei einem Ladevorgang einer Hochvoltbatterie erwärmtes Kühlmittel in eine Speichereinrichtung geleitet wird, und wobei vor einem Schnellladevorgang der Hochvoltbatterie Kühlmittel aus der Speichereinrichtung zum Vorwärmen der Hochvoltbatterie in die Hochvoltbatterie geleitet wird.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Hochvoltbatterie beim Laden mit dem Kühlmittel gekühlt, welches einen Wärmetauscher der Hochvoltbatterie durchströmt. Dabei wird das Kühlmittel erwärmt. Das Kühlmittel wird dann während des Ladevorgangs in die Speichereinrichtung gepumpt. Während der normalen Fahrt des Fahrzeugs wird das Batteriekühlsystem nicht betrieben. Die stehende Pumpe dient jetzt als Absperreinrichtung. Da die Speichereinrichtung ein Bestandteil der tragenden, metallischen Karosseriestruktur des Fahrzeugs ist, ist sie auch thermisch an die Karosseriestruktur angebunden. Die in der Speichereinrichtung vorhandene thermische Energie wird daher über die Karosserieflächen an die Umgebung dissipiert.
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Soll die Hochvoltbatterie zur Vorbereitung für einen Schnelladevorgang temperiert werden, so wird die Pumpe wieder in Betrieb genommen. Dies führt dazu, dass das noch etwas warme Kühlmittel aus der Speichereinrichtung seine restliche Wärme an die Hochvoltbatterie abgibt, und diese so für einen Schnellladevorgang vorgewärmt wird.
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Vorteilhaft kann so in dem Fahrzeug ein effizientes Batteriekühlsystem zum Temperieren der Hochvoltbatterie vorgesehen werden. Dadurch ist es möglich, das übliche Fahrzeugkühlsystem, welches sonst die Temperierung der Hochvoltbatterie übernimmt, kleiner auszuführen.
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Die Hochvoltbatterie kann vorteilhaft vor einem geplanten Schnellladevorgang ohne den Einsatz von elektrischer Energie vorgewärmt werden, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs sich günstigerweise erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann während einer Fahrt des Fahrzeugs die Speichereinrichtung mittels einer Absperrvorrichtung von der Hochvoltbatterie und/oder einem Fahrzeugkühlsystem fluidisch getrennt werden. Mittels der Absperrvorrichtung kann das Batteriekühlsystem günstig gesteuert werden und beispielsweise so während der Fahrt ganz abgeschaltet werden. Dadurch kann ein Teil der Wärme in der Speichereinrichtung gespeicherten Kühlmittels während der Fahrt an die Umgebung abgeführt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 einen zeitlichen Temperaturverlauf einer Kühlmitteltemperatur bei einer Fahrt mit dem Fahrzeug; und
- 3 eine Seitenansicht eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 100 mit einer Hochvoltbatterie 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Hochvoltbatterie 10 weist ein Batteriekühlsystem 20 mit einem Kühlmittel auf. Das Batteriekühlsystem 20 umfasst eine Speichereinrichtung 22 für das Kühlmittel, und ein Leitungssystem 24 mit einer Pumpe 26. Die Speichereinrichtung 22 ist über das Leitungssystem 24 mit der Hochvoltbatterie 10 fluidisch verbunden. Dabei ist die Speichereinrichtung 22 in einer Karosseriestruktur 110 des Fahrzeugs 100 angeordnet. Das Leitungssystem 24 kann beispielsweise als Schlauchleitung realisiert sein, in welcher auch die Pumpe 26 integriert ist.
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Die Speichereinrichtung 22 ist in einem Hohlraum 112 der Karosseriestruktur 110 angeordnet, wobei der Hohlraum 112 selbst die Speichereinrichtung 22 bilden kann. Der Hohlraum 112 kann in einem Bereich tragender Teile der Karosseriestruktur 110 angeordnet sein, und insbesondere direkt in einem tragenden Teil der Karosseriestruktur 110, ausgebildet sein.
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Das Leitungssystem 24 ist in der Karosseriestruktur 110 ausgebildet. Insbesondere können dabei Hohlräume 114 der Karosseriestruktur 110 wenigstens Teile des Leitungssystems 24 bilden.
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Die Speichereinrichtung 22 ist an die Karosseriestruktur 110 thermisch angekoppelt. Dadurch kann Wärme des darin gespeicherten Kühlmittels an die Umgebung abgegeben werden.
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In dem Leitungssystem 24 kann günstigerweise eine Absperrvorrichtung 28 zwischen der Speichereinrichtung 22. und der Hochvoltbatterie 10 angeordnet sein, sodass die Speichereinrichtung 22 von der Hochvoltbatterie 10 abgekoppelt werden kann. Die Absperrvorrichtung 28 kann beispielsweise durch die nicht betriebene Pumpe 26 realisiert werden.
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Das Batteriekühlsystem 20 kann weiter mit einem, nicht dargestellten, Fahrzeugkühlsystem fluidisch gekoppelt sein. Dabei kann eine Absperrvorrichtung 28 in dem Leitungssystem 24 auch zwischen der Speichereinrichtung 22 und dem Fahrzeugkühlsystem angeordnet sein.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug 100 im Bereich des Unterbodens mit der von dem Kühlmittel durchströmten Hochvoltbatterie als Traktionsbatterie ausgestattet. Im Bereich der beiden C-Säulen 116 weist die tragende Karosseriestruktur 110 des Fahrzeugs 100 eine zweigeteilte Speichereinrichtung 22 (nur ein Teil der Speichereinrichtung 22 ist sichtbar) auf. Die beiden Teile der Speichereinrichtung 22 leiten die jeweiligen Kräfte der linken und rechten Radaufhängung in die Karosseriestruktur 110 weiter und können Kühlmittel aufnehmen.
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Die Hochvoltbatterie 10 und die Speichereinrichtung 22 sind mittels des Leitungssystems 24 und der Pumpe 26 fluidisch miteinander verbunden. Beim Laden wird die Hochvoltbatterie 10 mit Kühlmittel gekühlt, welches den Wärmetauscher der Hochvoltbatterie 10 durchströmt. Dabei werden beispielsweise 10 Liter Kühlmittel von 20°C auf 120°C erwärmt. Das Kühlmittel wird während des Ladevorgangs in die Speichereinrichtung 22 gepumpt.
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Während der normalen Fahrt wird das Batteriekühlsystem 20 nicht betrieben. Die stehende Pumpe 26 dient jetzt als Absperrvorrichtung 28. Da die Speichereinrichtung 22 ein Bestandteil der tragenden, metallischen Karosseriestruktur 110 des Fahrzeugs 100 ist, ist diese auch thermisch an die Karosseriestruktur 110 angebunden. Die in der Speichereinrichtung 22 vorhandene thermische Energie wird daher über die Karosserieflächen an die Umgebung dissipiert. Da die Temperatur des Kühlmittels in der Speichereinrichtung 22 sinkt, sinkt auch die treibende Temperaturdifferenz zur Umgebung. Die Abkühlung erfolgt also nichtlinear.
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Ein solcher Temperaturverlauf T einer Kühlmitteltemperatur als Funktion der Zeit t bei einer Fahrt mit dem Fahrzeug 100 ist in 2 dargestellt.
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Die Temperatur T sinkt am Anfang der Fahrt sehr schnell und dann zunehmend langsamer. Der Temperaturverlauf ist stark degressiv. Zum Zeitpunkt t0, dem Fahrtbeginn, beträgt die Temperatur T0 beispielsweise 120°C und liegt zum Zeitpunkt t1, dem Fahrtende nach einer schnellen Überlandfahrt bei einer Temperatur T1 von 35°C. Die Speichereinrichtung 22 kann also für einen erneuten Schnellladevorgang der Hochvoltbatterie 10 wieder Wärme aufnehmen.
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Soll die Hochvoltbatterie 10 zur Vorbereitung für einen Schnelladevorgang temperiert werden, so wird die Pumpe 26 wieder in Betrieb genommen. Dies führt dazu, dass das noch etwas warme Kühlmittel aus der Speichereinrichtung 22 seine restliche Wärme an die Batterie abgibt, und diese so beispielsweise auf für einen Schnellladevorgang ideale 35°C vorwärmt.
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3 zeigt eine Seitenansicht eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 100 mit einer Hochvoltbatterie 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Alternativ zu einer Schlauchleitung kann das Kühlmittel von der Batterie zu der Speichereinrichtung 22 als Hauptspeichervolumen auch durch einen Hohlraum 114 der Karosseriestruktur 110 wie hier das hintere Radhausversteifungsprofil des Fahrzeugs 100 geleitet werden. Dieses dient dann auch als Zusatzvolumen und hilft mit seiner Oberfläche bei der Wärmeabfuhr.
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Zusätzlich können so vorteilhaft das Gewicht des Leitungssystems 24 und dessen Kosten reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltbatterie
- 20
- Batteriekühlsystem
- 22
- Speichereinrichtung
- 24
- Leitungssystem
- 26
- Pumpe
- 28
- Absperreinrichtung
- 100
- Fahrzeug
- 110
- Karosseriestruktur
- 112
- Hohlraum
- 114
- Hohlraum
- 116
- C-Säule
- t
- Zeit
- t0
- Fahrtbeginn
- t1
- Fahrtende
- T
- Temperatur des Kühlmediums
- T0
- Temperatur bei Fahrtbeginn
- T1
- Temperatur bei Fahrtende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2017 202 379 A1 [0004]
- DE 10 2017 221 829 B3 [0005]