Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung.

In der jüngeren Vergangenheit werden aufgrund des ständig knapper werdenden Angebotes an Kraftstoffen für den verbrennungsmotorischen Antrieb von Kraftfahrzeugen große

Anstrengungen unternommen, alternative Antriebsarten zur Verfügung zu stellen. Zunehmend an Bedeutung gewinnt dabei der elektromotorische Antrieb, der aus einer oder mehreren elektrochemischen Speicherelementen, wie Akkumulatoren bzw. Batterien, mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Kraftfahrzeug kann dabei ausschließlich mittels eines oder mehrerer elektromotorischer Antriebe betrieben werden oder als sogenanntes Hybrid- oder Plug-in- Hybrid-Fahrzeug zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen oder mehrere Elektromotoren aufweisen. Durch die Fachwelt werden in immer stärkerem Maße Li-Ionen- Akkumulatoren als sogenannte Traktionsbatterien respektive Antriebsbatterien favorisiert, die ihrerseits vorteilhaft keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung aufweisen.

Ungeachtet dessen ist der Wirkungsgrad derartiger Akkumulatoren bzw. Batterien

temperaturabhängig und nimmt bei niedriger Temperatur stark ab. Darüber hinaus ist festzustellen, dass im Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs sowie in der Ladephase derartiger Batterien oder Batteriesysteme durch elektrische Verlustleistung in stromführenden Bauteilen Wärme in das Batteriesystem eingetragen wird, die zu einer hohen thermischen Belastung der Batterien führen kann. Durch den Betrieb der Batterie bei hohen Zellentemperaturen ist bekanntermaßen eine beschleunigte Alterung der Batteriezellen zu verzeichnen, welches mit einer verkürzten Lebensdauer des Batteriesystems einhergeht. In extremen Fällen kann eine zu hohe Zelltemperatur zum sogenannten Durchbrennen der Batteriezellen und somit zu einem Defekt des Batteriesystems führen. Diese Umstände erfordern Temperierungsmaßnahmen des Batteriesystems, um eine hohe Lebensdauer desselben zu erzielen sowie ein mittels

Elektromotor angetriebenes Kraftfahrzeuge sicher betreiben und als Serienfahrzeuge umsetzen zu können.

So beschreibt die DE 10 201 1 084 000 A1 eine an einer Bodenstruktur einer elektrischen Komponente anbringbare Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids. Die besagte Vorrichtung weist eine flache rechteckige Wanne auf, die mittels eines Deckels verschließbar ist. Die Wanne bildet unter Zuhilfenahme des Deckels eine Fluidführungskammer aus, welche mittels

Kühlfluidleitungen an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen bzw. anschließbar ist. Die Fluidführungskammer ist durch eine Mehrzahl von Wänden gebildet. Unter Vermittlung des Deckels kontaktiert die Wanne die Bodenstruktur der elektrischen Komponente.

Die DE 10 2013 01 1 894 A1 beschreibt eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens einer Energiespeicherkomponente. Besagte Aufnahmevorrichtung weist wenigstens ein rahmenförmiges Aufnahmeteil auf, welches mehrere Aufnahmeabteile ausbildet. Dem

Aufnahmeteil ist ein weiteres Aufnahmeteil mit einer Kühleinrichtung zugeordnet. Auf dem weiteren Aufnahmeteil ist die wenigstens eine Energiespeicherkomponente abgestellt. Das weitere Aufnahmeteil weist eine wannenförmige Gestalt mit einer Grundfläche und lotrecht abragenden Rändern auf. In der Grundfläche des weiteren Aufnahmeteils ist eine durch längliche, mäandernd verlaufende Vertiefungen eine Kühlmittelkanalstruktur ausgebildet, welche einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist. Dem weiteren

Aufnahmeteil ist ein plattenförmiges Abdeckelement zugeordnet, um die Kühlmittelkanalstruktur nach oben hin zu verschließen. Das plattenförmige Abdeckelement besteht aus einem thermisch gut leitfähigem Metall, wie z.B. Aluminium. Dem Aufnahmeteil ist ferner ein

Verschlussteil zugeordnet, welches die wenigstens eine Energiespeicherkomponente nach oben hin abdeckt.

Die DE 10 2011 076 737 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie, mit einem elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einem Traktionsakkumulator, und mit einer Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie. Der elektrochemische Energiespeicher ist mit der Brennstoffzellenanordnung mittels einer

Wärmeübertragungsanordnung thermisch gekoppelt oder koppelbar. Im Besonderen ist dabei vorgesehen, dass eine Heizeinrichtung (PTC-Heizung) der Brennstoffzelle und der

elektrochemische Energiespeicher in einem ersten Fluidsystem und die Brennstoffzelle in einem zweiten Fluidsystem angeordnet sind. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung (PTC-Heizung) der Brennstoffzelle und die Brennstoffzelle im ersten Fluidsystem und der elektrochemische Energiespeicher im zweiten Fluidsystem angeordnet sind. Die beiden Fluidsysteme sind über einen als separates Bauteil ausgebildeten Wärmetauscher thermisch miteinander gekoppelt.

Die DE 10 201 1 121 245 A1 offenbart ein System zur Konditionierung eines

Energiespeichersystems, wie einer Hochspannungsbatterie oder Brennstoffzelle, durch

Erwärmung oder Kühlung. Hierzu sind eine Heizeinheit und eine Kühleinheit vorgesehen, welche thermisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelt sind. Die Heizeinheit kann ein oder mehrere Heizelemente in enger Nähe zu verschiedenen Abschnitten des

Energiespeichersystems aufweisen. Die Heizeinheit ist durch Heizelemente,

Wasserummantelungen, Heizpolster, Heizmatten oder dergleichen mehr gebildet. Die

Kühleinheit kann ein oder mehrere Kühlelemente in enger Nähe zu verschiedenen Abschnitten des Energiespeichersystems aufweisen. Die Kühleinheit ist durch Kühlgebläse,

Wasserummantelungen, Luftdurchgänge, Kühlkörper, thermoelektrische Kühler, Kondensatoren oder dergleichen mehr gebildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen

Energiespeicher zu schaffen, welches Fahrzeug im Hinblick auf den Stand der Technik eine alternative Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers ermöglicht.

Ausgehend von einem Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher, welcher Energiespeicher wenigstens ein Mittel zur Temperierung aufweist, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Mittel zur Temperierung durch zumindest einen in ein Gehäuse des zumindest einen elektrochemischen Energiespeichers integrierten

Wärmetauscher gebildet ist, welcher Wärmetauscher an wenigstens zwei Temperierungsfluid- Kreisläufe des Fahrzeugs angeschlossen ist.

Vorteilhaft ist durch diese Maßnahme zum einen eine direkte und damit leistungsfähige sowie sichere Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers bei minimiertem

Investitionsaufwand sowie Bauraum ermöglicht. Zum anderen ist durch das Vorsehen von zumindest zwei Temperierungsfluid-Kreisläufen eine einfache und kostengünstige Darstellung sowohl einer Heizungs- als auch einer Kühlfunktionalität ermöglicht, um ein möglichst optimales Temperatur-Betriebsfenster für den elektrochemischen Energiespeicher zur Verfügung zu stellen.

Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.

Danach ist vorgesehen, dass zumindest ein Temperierungsfluid-Kreislauf durch einen

Hochtemperatur-Kreislauf (HT) und zumindest ein weiterer Temperierungsfluid-Kreislauf durch einen Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) des Fahrzeugs gebildet ist. Durch diese Maßnahme ist es in vorteilhafter Weise ermöglicht, bei besonders kalten Temperaturen unter Zuhilfenahme des Hochtemperatur-Kreislaufes (HT) den elektrochemischen Energiespeicher zur Erreichung des optimalen Temperatur-Betriebsfensters schnell aufzuwärmen und im Anschluss daran unter Zuhilfenahme des Niedrigtemperatur-Kreislaufes (NT) dieses optimale Temperatur- Betriebsfenster zu halten.

Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass im Hochtemperatur-Kreislauf (HT) ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen 80°C und 120°C und im Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) ein

Fluidstrom mit Temperaturen zwischen 10°C und 30°C zirkulieren.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind der zumindest eine Hochtemperatur-Kreislauf (HT) und der zumindest eine Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) voneinander separiert in besagten Wärmetauscher eingebunden, wodurch die

Temperatursteuerung vereinfacht ist.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die Fluidströme des zumindest einen Hochtemperatur-Kreislaufes (HT) und des zumindest einen Niedrigtemperatur- Kreislaufes (NT) innerhalb des besagten Wärmetauschers zumindest temporär vereint, indem die Temperierungsfluide der beiden Temperierungsfluid-Kreisläufe sozusagen im

Wärmetauscher gemischt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der Temperatursteuerung weiter verbesserbar ist.

Wie die Erfindung weiter vorsieht, ist der Hochtemperatur-Kreislauf (HT) bevorzugt durch einen Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine und/oder einer Brennstoffzellenanordnung gebildet oder in einen solchen eingebunden. Hierdurch ist eine direkte Einkopplung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Brennstoffzellenanordnung in den elektrochemischen Energiespeicher ermöglicht.

Wie die Erfindung noch vorsieht, ist der Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) bevorzugt durch einen an sich bekannten und üblicherweise sowieso vorhandenen Klimatisierungskreislauf insbesondere zur Klimatisierung der Fahrgastzelle des Fahrzeugs gebildet oder in einen solchen eingebunden, wodurch der Investitionsaufwand gemindert ist. Unter Klimatisierung wird insoweit sowohl Kühlung als auch Erwärmung verstanden.

Bevorzugt sind die Temperierungsfluid-Kreisläufe durchflussgeregelt ausgebildet, indem der jeweilige Fluiddurchfluss durch den Wärmetauscher in Abhängigkeit erfasster Temperaturen, insbesondere des elektrochemischen Energiespeichers, und unter Zuhilfenahme an sich bekannter Steuer- und Regelungstechnik geöffnet, gedrosselt oder geschlossen wird. Gemäß einer besonders praxisnahen Ausführung des zumindest einen Wärmetauschers ist derselbe durch einen Gehäuseboden und/oder eine Gehäusewandung und/oder einen

Gehäusedeckel des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers gebildet oder als Ein- oder Anbauteil das besagte Gehäuse unmittelbar oder mittelbar über Wärmeübertragungsmittel kontaktierend an dasselbe angebracht.

Bei dem vorstehend beschriebenen Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeug oder ein Elektro-Fahrzeug, welches zumindest einen Range-Extender aufweist, wobei besagter Range-Extender durch eine Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Brennstoffzellenanordnung gebildet ist. Insoweit verfügt ein derartiges Fahrzeug über zumindest einen elektrischen Antrieb, welcher mittels zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers in Form einer als Traktionsbatterie fungierenden sogenannten

Hochvoltbatterie (HV-Batterie) mit elektrischer Energie versorgt wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Die einzige Figur 1 zeigt äußerst schematisch ein erfindungsgemäß mit einer Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichers ausgestattetes Fahrzeug.

In Fig. 1 sind ein äußerst schematisch dargestelltes Fahrzeug in Form eines

Personenkraftwagens mit dem Bezugszeichen 1 und ein äußerst schematisch dargestellter, wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher in Form einer als Traktionsbatterie fungierenden Hochvoltbatterie (HV-Batterie / Akkumulator) mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Der besagte elektrochemische Energiespeicher 2 dient im Wesentlichen dazu, zumindest einen nicht zeichnerisch dargestellten Elektro-Antriebsmotor mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Fahrzeug 1 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine äußerst schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine 3 auf und ist demnach als ein Hybrid- oder Plug-in- Hybrid-Fahrzeug 1 ausgebildet, welches mittels Elektro-Antriebsmotor und/oder mittels

Verbrennungskraftmaschine 3 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 3 kann durch einen Benzin- oder Dieselmotor gebildet sein.

Demgegenüber kann besagte Verbrennungskraftmaschine 3 in Verbindung mit einem

Generator auch als Range-Extender (Reichweitenverlängerer) fungieren und dem Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers 2 dienen. Alternativ kann besagter Range-Extender auch durch eine an sich bekannte und demgemäß nicht zeichnerisch dargestellte

Brennstoffzellenanordnung ersetzt sein nicht zeichnerisch dargestellt).

Wie bereits einleitend dargetan, ist der Wirkungsgrad elektrochemischer Energiespeicher 2 temperaturabhängig und nimmt bei niedriger Temperatur stark ab. Darüber hinaus ist festzustellen, dass im Fährbetrieb des Fahrzeugs 1 sowie in der Ladephase derartiger elektrochemischer Energiespeicher 2 durch elektrische Verlustleistung in stromführenden Bauteilen Wärme in das System eingetragen wird, die zu einer hohen thermischen Belastung der elektrochemischen Energiespeicher 2 führen kann.

Um diesen nachteiligen Umständen zu begegnen, ist vorliegend ein Mittel zur Temperierung, d.h. Erwärmung und gegebenenfalls Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers 2 in Form zumindest eines Wärmetauschers 4 vorgesehen. Der Wärmetauscher 4 ist in ein Gehäuse 5 des elektrochemischen Energiespeichers 2 integriert und an wenigstens zwei, vorliegend einen ersten und einen zweiten Temperierungsfluid-Kreislauf 6, 7 des Fahrzeugs 1 angeschlossen ist.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 4 integraler Bestandteil eines Gehäusebodens 5a derart, dass in denselben separate Fluidkanäle 8, 9 eingearbeitet sind, die an jeweils einen der Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 angeschlossen sind. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf besagten Gehäuseboden 5a, sondern erfasst auch

Ausgestaltungen, die zusätzlich oder in Alleinstellung eine oder mehrere Gehäusewandungen 5b oder einen Gehäusedeckel 5c vorsehen, bei denen der Wärmetauscher 4 integraler Bestandteil derselben ist (nicht zeichnerisch dargestellt). Alternativ sind auch Lösungen durch die Erfindung mit erfasst, bei denen der Wärmetauscher 4 als Ein- oder Anbauteil ausgebildet und am Gehäuse 5 angebracht ist, indem er dieses unmittelbar oder mittelbar über ein Wärmeübertragungsmittel, wie eine Wärmeleitfolie oder dergleichen, kontaktiert (nicht zeichnerisch dargestellt). Für den Fachmann versteht es sich von selbst, dass der in das Gehäuse 5, vorliegend in den Gehäuseboden 5a desselben integrierte Wärmetauscher 4 thermisch an die nicht zeichnerisch dargestellten Zellen respektive Primärzellen des elektrochemischen Speichers 2 angeschlossen ist.

Der erste Temperierungsfluid-Kreislauf 6 des Fahrzeugs 1 ist durch einen Hochtemperatur- Kreislauf (HT), wogegen der zweite Temperierungsfluid-Kreislauf 7 des Fahrzeugs 1 durch einen Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) gebildet bzw. in einen solchen eingebunden ist. Innerhalb der Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 zirkuliert jeweils ein Temperierungsfluid. Der Fluidstrom wird jeweils mittels einer Zirkulationspumpe 10 bewirkt.

Der erste Temperierungsfluid-Kreislauf 6 dient der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 3. Im Hinblick darauf sind in diesen ersten Temperierungsfluid-Kreislauf 6 neben besagter

Verbrennungskraftmaschine 3, der Fluidkanal 8 des Gehäusebodens 5a, ein

Ausgleichsbehälter 1 1 und frontseitig des Fahrzeugs 1 ein an sich bekannter Fahrzeugkühler 12 mit Gebläse 13 eingebunden. Der Fluidkanal 8 ist dabei zweckmäßigerweise im Rücklauf der Verbrennungskraftmaschine 3 angeordnet.

Im ersten Temperierungsfluid-Kreislauf 6 respektive Hochtemperatur-Kreislauf (HT) zirkuliert ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen etwa 80°C und etwa 120°C. Insbesondere bei

Frosttemperaturen sind diese Temperaturen besonders gut geeignet, den elektrochemischen Energiespeicher 2 schnell auf eine sogenannte Wohlfühltemperatur in einem optimalen

Temperatur-Betriebsfenster von etwa 10°C bis etwa 30°C zu erwärmen. Der Fluidstrom im ersten Temperierungsfluid-Kreislauf 6 respektive Hochtemperatur-Kreislauf (HT) erfolgt durchflussgeregelt mittels an sich bekannter Ventile 14, insbesondere 3/2-Wegeventile, die bevorzugt mittels einer nicht zeichnerisch dargestellten elektronischen Steuereinheit in

Abhängigkeit mittels nicht zeichnerisch dargestellter Temperatursensoren erfasster aktueller Temperaturen des elektrochemischen Energiespeichers 2 und/oder des Temperierungsfluids und/oder der erfassten Außentemperatur angesteuert werden.

Der zweite Temperierungsfluid-Kreislauf 7 bzw. Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) des

Fahrzeugs 1 ist durch einen an sich bekannten und im Fahrzeug 1 üblicherweise vorhandenen Klimatisierungskreislauf gebildet bzw. in einen solchen eingebunden, indem dieser durch den Fluidkanal 9 des Gehäusebodens 5a geführt ist. Auf die Darstellung von Ventilen 14 und Sensoren einer bevorzugt elektronischen Steuereinheit, einer Zirkulationspumpe 10, eines etwaigen Ausgleichsbehälters 10 und etwaiger anderer eventuell erforderlicher Einrichtungen des zweiten Temperierungsfluid-Kreislaufes 7 wurde der Einfachheit halber verzichtet, da diese nicht erfindungswesentlich sind.

Im zweiten Temperierungsfluid-Kreislauf 7 respektive Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) zirkuliert ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen etwa 10°C und etwa 30°C. Dieser ist besonders gut geeignet, den elektrochemischen Energiespeicher 2 auf der besagten Wohlfühltemperatur im optimalen Temperatur-Betriebsfenster von etwa 10°C bis etwa 30°C zu halten. Der Fluidstrom im zweiten Temperierungsfluid-Kreislauf 7 respektive Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) erfolgt bevorzugt ebenfalls durchflussgeregelt.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt auf zwei innerhalb des

Wärmetauschers 4 voneinander separierte Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 ab.

Demgegenüber kann auch vorgesehen sein und ist demgemäß durch die Erfindung mit erfasst, dass die Temperierungsfluidströme der Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 bzw. des Hoch- und Niedrigtemperatur-Kreislaufes (HT, NT) innerhalb des besagten Wärmetauschers 4 zumindest temporär vereint sind (nicht zeichnerisch dargestellt). D. h., die Temperierungsfluide der beiden Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 werden sozusagen in einem gemeinsamen Fluidkanal des Wärmetauschers 4 gemischt, wodurch wie bereits oben ausgeführt die Leistungsfähigkeit der Temperatursteuerung weiter verbesserbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 elektrochemischer Energiespeicher

3 Verbrennungskraftmaschine

4 Wärmetauscher

5 Gehäuse

5a Gehäuseboden

5b Gehäusewandung

5c Gehäusedeckel

6 erster Temperierungsfluid-Kreislauf

7 zweiter Temperierungsfluid-Kreislauf

8 Fluidkanal (erster Temperierungsfluid-Kreislauf 6)

9 Fluidkanal (zweiter Temperierungsfluid-Kreislauf 7)

10 Zirkulationspumpe

11 Ausgleichsbehälter

12 Fahrzeugkühler

13 Gebläse

14 Ventil

(HT) Hochtemperatur-Kreislauf

(NT) Niedrigtemperatur-Kreislauf