DE112015004541T5

DE112015004541T5 - System und Verfahren für das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugbatterien

Info

Publication number: DE112015004541T5
Application number: DE112015004541.4T
Authority: DE
Inventors: Eric Materniak; Christopher K. Dyer; Michael L. Epstein
Original assignee: Lightening Energy
Current assignee: Lightening Energy
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-06-14
Also published as: WO2016054068A1; US10857887B2; US20170297431A1

Abstract

Es wird ein Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie zur Verfügung gestellt. Das Verfahren schließt zur Kühlung der elektrischen Batterie während des Aufladens der elektrischen Batterie die Zuführung von Kühlmittel von einer außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegenen Kühlmittelquelle mit einer ersten Rate ein sowie zur Kühlung der elektrischen Batterie nach dem Aufladen der elektrischen Batterie des Elektrofahrzeugs die Zirkulation von Kühlmittel durch einen internen Kühlmittelkreislauf mit einer zweiten Rate, die geringer als die erste Rate ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Temperaturmanagement von Elektrofahrzeugbatterien und insbesondere das fahrzeugexterne Temperaturmanagement von Elektrofahrzeugbatterien während des Ladens.
HINTERGRUND
Im U.S. Patent No. 8,448,696 ist ein fahrzeugeigenes Wärmemanagementsystem offenbart.
Das U.S. Patent No. 8,174,235 offenbart ein System und ein Verfahren zum Aufladen von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, bei dem ein fahrzeugexternes Kühlmittel zugeführt wird; im U.S. Patent No. 8,350,526 ist eine Station für das Schnellladen einer Elektrofahrzeugbatterie offenbart, bei der ein fahrzeugexternes Kühlmittel zugeführt wird; und U.S. Pub. No. 2013/0029193 offenbart ein Elektrofahrzeug und eine Elektrofahrzeugbatterie, die während des Ladens mit fahrzeugexternem Kühlmittel gekühlt werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend eines ersten Merkmals der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie zur Verfügung gestellt, das zur Kühlung der elektrischen Batterie während des Aufladens der elektrischen Batterie die Zuführung von Kühlmittel von einer außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegenen Kühlmittelquelle mit einer ersten Rate einschließt sowie zur Kühlung der elektrischen Batterie nach dem Aufladen der elektrischen Batterie die Zirkulation von Kühlmittel durch einen internen Kühlmittelkreislauf des Elektrofahrzeugs mit einer zweiten Rate einschließt, die geringer als die erste Rate ist.
Entsprechend eines zweiten Merkmals der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie zur Verfügung gestellt, das zur Kühlung der elektrischen Batterie die Zuführung von Kühlmittel von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle zu einem fahrzeuginternen Kühlmittelkreislauf als eine Funktion von Parameter des fahrzeuginternen Kühlmittelkreislaufs einschließt.
Entsprechend eines dritten Merkmals der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie zur Verfügung gestellt, das die Bestimmung einer Kühlmittelart in einem internen, mit der elektrischen Batterie in einer Fluidverbindung stehenden Kühlmittelkreislauf des Elektrofahrzeugs einschließt, die Auswahl der bestimmten Kühlmittelart aus mehreren fahrzeugexternen Kühlmittelquellen, und die Zuführung der bestimmten Kühlmittelart aus einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle zum internen Kühlmittelkreislauf des Elektrofahrzeugs.
Entsprechend eines vierten Merkmals der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie zur Verfügung gestellt, das die Bestimmung einer durch das Aufladen der elektrischen Batterie mit einer vorgegebenen Aufladungsrate verursachte Wärmeabgaberate der elektrischen Batterie einschließt, die Bestimmung eines konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zur Ableitung der durch die elektrische Batterie während des Aufladens abgegebenen Wärme, die Bestimmung einer maximal zulässigen Durchflussrate des fahrzeuginternen Kühlmittelkreislaufs, die Feststellung, ob eine optimale Durchflussrate des Kühlmittels von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle den Bedingungen des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten und der maximal zulässigen Durchflussrate entspricht und das Aufladen der elektrischen Batterie mit der vorgegebenen Aufladungsrate, falls die optimale Durchflussrate des Kühlmittels von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle den Bedingungen des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten und der maximal zulässigen Durchflussrate entspricht, wobei das Aufladen der elektrischen Batterie die Zuführung von Kühlmittel von der fahrzeugexternen Kühlmittelquelle mit der optimalen Durchflussrate einschließt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren wie folgt näher erläutert.
1 zeigt ein fahrzeuginternes Temperaturmanagementsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und
3 zeigt schematisch ein fahrzeugexternes System in Form einer Schnellladestation zum Laden eines Elektrofahrzeugs inklusive des in 1 gezeigten fahrzeuginternen Temperaturmanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wärmemanagement ist eine wichtige zu lösende Aufgabe, wenn es darum geht, größere Ladegeschwindigkeiten für Elektrofahrzeuge zu erzielen. Schnelleres Aufladen führt zu einer höheren Wärmeableitung innerhalb des Akkus. So wird beispielsweise im Tesla Modell S aktuell ein fahrzeuginternes Kühlsystem eingesetzt. Ein fahrzeugexternes Kühlsystem kann es ermöglichen, mit zusätzlichen Pumpen eine höhere Durchflussrate zu generieren als jene, welche die fahrzeuginternen Pumpen des Model S liefern können. Da fahrzeuginterne Hochleistungspumpen zusätzliches Gewicht für das Fahrzeug bedeuten, kann die Nutzung eines fahrzeugexternen Kühlsystems eine wirksame Möglichkeit zur Reduktion des Fahrzeuggewichts darstellen. Um schnelles Aufladen mit einer höheren Rate als beim sogenannten Supercharger zu ermöglichen, ist es notwendig, die Batterien sehr effizient zu kühlen. Mit einer höheren Durchflussrate wird auch die Konvektion zwischen dem Kühlmittel und den Zellen erhöht, was sowohl einer höheren Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und den Zellen zur Folge hat als auch einen niedrigeren Temperaturgradienten zwischen den Ein- und Auslässen der in den Modulen zirkulierenden Kühlmittelrohre. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass eine größere Menge an Flüssigkeit in dem fahrzeugexternen System gespeichert werden kann, ohne das Gewicht des Fahrzeugs zu erhöhen. Beim Aufladen unter kalten Klimabedingungen können Ausführungsformen der Erfindung außerdem genutzt werden, um die Batterie mit einer höheren Rate zu erwärmen. Zusätzlich könnte der fahrzeuginterne Wärmetauscher eine deutlich höhere Kühlleistung benötigen, um Aufladen mit höheren Raten als denen der aktuellen Supercharger zu ermöglichen. Dieser Wärmetauscher kann auch das Fahrzeuggewicht erhöhen und mehr Platz verbrauchen, der alternativ für mehr Batterien zur Verfügung stünde. Außerdem kann die Kostensenkung für das Fahrzeug einen Anreiz liefern, ein fahrzeugexternes Kühlsystem zu nutzen.
Das 85-kWh-Akkupaket des Tesla Model S erfordert beispielsweise beim Laden mit 300 kW eine Einlasstemperatur des Kühlmittels von 9 Grad Celsius, um thermisches Durchgehen jeglicher Zellen zu verhindern. Das vorgeschlagene 300-kW-Ladegerät entspricht einer Ladezeit von etwa 20 Minuten für ein volles Aufladen eines 85-kWh-Akkupakets. Tesla bietet einen Supercharger an, der unter idealen Bedingungen etwa 30 bis 40 Minuten für ein 80%-iges Aufladen benötigt. Ungefähr 100 dieser Ladestationen wurden bisher zwischen der West- und der Ostküste installiert (Angaben beziehen sich auf die U.S.A.). Mit einem 300-kW-Ladegerät fällt für ein 80%-iges Aufladen des 85-kWh-Akkupakets eine Ladedauer in der Größenordnung von 10 bis 15 Minuten an. Die Ausführungsformen der Erfindung sind nicht auf diese Aufladungsrate begrenzt und schließen vorzugsweise Laderaten von weniger als 5 Minuten ein.
Je nach vorgegebener Menge an Kühlmittel könnte es der Fall sein, dass der fahrzeuginterne Wärmetauscher des Model S nicht in der Lage ist, eine solche Temperatur zu erreichen, so dass ein fahrzeugexternes Kühlsystem notwendig ist. Während des Ladevorgangs mittels des Tesla Superchargers werden bis zu 13 kW an Wärme generiert, und bei einem Aufladen mit 300 kW sind es über 50 kW an generierter Wärme. Ohne fahrzeugexterne Kühlung müsste dieses Gewicht zusätzlich dem fahrzeuginternen System zugeschlagen werden. Die Pumpen müssten mit ihrer höchsten verfügbaren Leistung über eine längere Zeitdauer betrieben werden, was zur erhöhten Abnutzung des Systems führen würde. Eine Vergrößerung des fahrzeuginternen Kühlsystems würde sowohl die Kosten als auch das Gewicht des Fahrzeugs erhöhen, was wiederum die Gesamtkosten für das Fahrzeug steigern würde.
1 zeigt ein fahrzeuginternes Temperaturmanagementsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das verbindbar ist mit einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle eines fahrzeugexternen Temperaturmanagementsystems, wie es beispielsweise in 3 gezeigt ist. Ein äußerer Kühlkreislauf 102 zirkuliert zur Kühlung eines Bordladegeräts 104. An den fahrzeugexternen Kühlkreislauf gekoppelt ist ein innerer Kühlkreislauf 105 (vgl. 1), der wenigstens eine Batterie 106 eines Akkupakets kühlt, welches wenigstens zum Teil den Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs mit Energie versorgt. Gemäß dieser Ausführungsform stellt eine Pumpe 108 des Kühlkreislaufs 105 (1) im Fahrzeug den Betrieb ein, sobald das fahrzeugexterne Kühlsystem ordnungsgemäß an das Fahrzeugsystem angeschlossen wurde. Wie in 1 dargestellt, ist ein Einlassventil 110 für den Kühlkreislauf 105 der Pumpe 108 nachgeordnet und der Heizung vorgeordnet. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Ventil 110 um ein Dreiwegeventil, aber es könnte auch jedes Ventil sein, das in der Lage ist, den Fluss vom fahrzeuginternen System abzuschließen und das dem fahrzeugexternen Kühlmittel erlaubt, einzutreten. Das fahrzeugexterne Kühlmittel in dieser Ausführungsform ist das gleiche wie das fahrzeuginterne Kühlmittel.
Das Kühlmittel durchfließt das Akkupaket 106 mit einer durch die fahrzeugexterne Pumpe ermöglichten höheren Durchflussrate. Nachdem das Kühlmittel das Akkupaket 106 passiert hat, kehrt es zum fahrzeugexternen Reservoir (z. B. Quelle 64 in 3) über ein Auslassventil 112 zurück, das in dieser Ausführungsform ein Dreiwegeventil ist. Ausführungsformen der Erfindung können außerdem die Möglichkeit einschließen, mehrere Einlass- und Auslassventile aufzuweisen. Mit einer größeren Anzahl an Ventilen kann der Temperaturgradient innerhalb der Batterie gesenkt werden.
Es gibt eine Vielzahl wichtiger Parameter bei der Bestimmung und Steuerung der maximal tolerierbaren Laderate eines Elektrofahrzeugs. Das fahrzeugexterne System bestimmt zunächst die Kühlmittelart an Bord des Fahrzeugs. Diese lässt sich über die Datenbank der Bedienungsanleitung bestimmen. Sobald das System über diese Information verfügt, kann es auf eine Datenbank zugreifen, in der alle Eigenschaften des Kühlmittels aufgeführt sind, zum Beispiel Wärmeübertragungskoeffizienten, Dichte und Viskosität. Die meisten dieser Koeffizienten können Handbüchern wie ASHRAE entnommen werden. Einige der Wärmeübertragungskoeffizienten müssen möglicherweise experimentell bestimmt werden, und die Ergebnisse können dann in die Datenbank eingegeben werden. Eine weitere durch das fahrzeugexterne System bestimmte Angabe ist die Rate, mit der es Kühlmittel in das Fahrzeugsystem pumpen wird. Die Bestimmung davon geht einher mit einer auf mehrere Fahrzeugparameter basierenden Berechnung. Die maximale Durchflussrate kann durch die maximale Leistung der fahrzeugexternen Pumpe bestimmt werden, ebenso wie die Verluste in dem fahrzeuginternen Rohrsystem, einschließlich Parameter wie die Querschnittsfläche und Länge der Rohre. Sobald diese maximale Durchflussrate bestimmt worden ist, kann die Temperaturänderung des Kühlmittels zwischen Ein- und Auslass berechnet werden. Außerdem zu berücksichtigen sind die Eigenschaften des Rohr-/Leitungssystems für das Kühlmittel. So kann die Rate des Kühlmittels durch einen maximalen Druck begrenzt sein, mit dem ein Kühlmittel durch das fahrzeuginterne Leitungssystem gepumpt werden kann.
Das fahrzeugexterne System kann auch die Temperatur bestimmen und steuern, mit der das Kühlmittel gepumpt werden soll. Hierzu sind die Materialeigenschaften des Kühlsystems an Bord des Fahrzeugs einzubeziehen. Zur Bestimmung der notwendigen Kühlmitteltemperatur werden die Oberfläche, die mit jeder der Batterien in Kontakt steht, sowie die Wärmeleitfähigkeit aller Materialien, die in Kontakt stehen, eingesetzt. Weitere beteiligte Eigenschaften sind die Masse jeder Batterie, die spezifische Wärme, der Innenwiderstand und der Ladestrom.
Ein weiterer Parameter, der bei der Zuführung des Kühlmittels berücksichtigt wird, ist die chemische Zusammensetzung der Batterien an Bord des Elektrofahrzeugs. Bestimmte chemische Batteriezusammensetzungen tolerieren eine maximale Rate beim Aufladen der Batterien. Das fahrzeugexterne System kann diese chemische Zusammensetzung nutzen, um den den fahrzeuginternen Batterien zuzuführenden Strom und die zuzuführende Spannung zu bestimmen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können diese Angaben in einer Datenbank zusammengetragen werden, auf welche die Ladestation vor Start der Schnellladung zugreifen kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch ein Steuerungssystem einschließen, das in der Lage ist, die Kühlmitteltemperatur und die Zellentemperatur an verschiedenen Stellen in dem Akkupaket zu überwachen, um während dieses Schnellladevorgangs die Sicherheit zu gewährleisten. Das fahrzeugexterne System kann Steuerungen zur Regulierung der Durchflussrate und der Kühlmitteltemperatur umfassen. Die Sensoren an Bord des Fahrzeugs können Angaben zur Regulierung der Durchflussrate und der Temperatur an das fahrzeugexterne System weiterleiten.
Außerdem besteht die Möglichkeit, dem fahrzeugexternen Wärmemanagementsystem eine Wärmerückgewinnungsanlage zuzuordnen. Da der Wärmeverlust während des Ladens erheblich ist, könnte diese Abwärme über das das Fahrzeug nach dem Laden verlassende Kühlmittel entzogen werden.
Das fahrzeugexterne Schnellladesystem kann zunächst den Fahrzeugtyp identifizieren, der soeben die Ladestation angefahren hat. Hierfür kann ein auch RFID-Tag genannter Transponder (RFID steht für radio-frequency identification, der Identifizierung mittels elektromagnetischer Wellen) oder eine Fahrzeug-Identifizierungsnummer (FIN, englisch: vehicle identification number, VIN) gescannt werden, oder sogar eine Bedienoberfläche hinzugezogen werden, über die der Fahrzeugbenutzer den Fahrzeugtyp in das System eingibt. Falls ein Scanningsystem genutzt wird, kann ein Fahrzeug die Station anfahren und ein Portal über dem Fahrzeug kann eine Antenne ähnlich der an Mautstellen genutzten aufweisen. Jeder Besitzer eines Elektrofahrzeugs kann einen Chip ähnlich einer Vignette oder eines E-ZPass (für US-Mautsystem) zur Identifizierung des Fahrzeugs kaufen, oder es kann, wie unten in 3 gezeigt, ein RFID-Tag vorgesehen sein, der an die Batterie oder an andere Teile des Temperaturmanagementsystems 100 am Fahrgestell des Fahrzeugs gekoppelt ist. Der Besitzer kann dann für das Schnellladen mittels eines mit dem RFID-Tag verbundenen Kontos bezahlen.
Das RFID-Tag kann sich ebenso an der Windschutzscheibe in der Nähe des Rückspiegels befinden. Alternativ kann die Ladestation eine Bedienoberfläche umfassen, die Smartphone-Anwendungen oder Touchscreens vor Ort einschließt, nicht aber darauf beschränkt ist. Der Benutzer kann dann aus einer Auswahl den Typ des Elektrofahrzeugs eingeben, und von hier aus könnte auf eine Datenbank zugegriffen werden.
Das dem RFID-Tag zugeordnete Konto kann Angaben wie Fahrzeugmarke und Modell sowie Baujahr enthalten.

Sobald das Fahrzeug anhand der oben beschriebenen Verfahren identifiziert wurde, kann das Aufladesystem auf eine Datenbank mit den Angaben über die notwendigen Eigenschaften des jeweiligen Elektrofahrzeugs zugreifen. Die Datenbank kann die unten in Tabelle 1 aufgeführten Angaben einschließen, ist aber nicht darauf begrenzt. Solche Angaben können für die Bestimmung der notwendigen Kühlmitteltemperatur und der Durchflussrate während des Aufladevorgangs nötig sein. Angaben, die nicht in dieser Tabelle aufgeführt sind, können in Laborexperimenten bestimmt werden, mit denen die Datenbank weiter aufgefüllt wird. Weiterhin können Daten aus anderen Datenbanken gewonnen werden, wie zum Beispiel aus Datenblättern von Elektrofahrzeugen, Bedienungsanleitungen, Teilelisten oder anderen Quellen. In einer solchen Datenbank können Hauptkategorien wie Fahrzeugtyp, Fahrzeugbauteile und die diesen Bauteilen zugeordneten Eigenschaften und Werte enthalten sein.

Datenbank Elektrofahrzeug

Kategorie	Eigenschaften	Daten/Wert

Fahrzeugmarke	Tesla
Fahrzeugmodell	Model S
Baujahr	2013

Kühlmittelart	Ethylene Glycol – G48

	Kühlmitteleigenschaften
	Dichte	1,1 g/cm^3
	Viskosität	12,95 mPa/s

Pumpenspezifikationen
	maximale Dauerleistung	800 W

Angaben zum Fahrzeugkühlsystem
	Rohrleitungslänge je Modul	7,2 m
	Material der Rohrleitungen	Kupfer
		Silikonelastomergemisch
		Silikonkleber
	Eigenschaften des Rohrleitungsmaterials
	Wärmeleitfähigkeit Kupfer	385 W/mK
	Wärmeleitfähigkeit Silikonelastomer	1/3 W/mK
	Wärmeleitfähigkeit Kleber	1,8 W/mK

	Querschnittsfläche der Rohrleitungen	1,2 e–4m^2

	Kühlleistung Wärmetauscher	nachschlagen/bestimmen
	maximal zulässiger Druck in Rohren	nachschlagen/bestimmen

Angaben zur Fahrzeugbatterie
	interne Chemie	Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid/maximale Laderate
	maximale Aufladungsrate ohne Schaden	120 kW
	spezifische Wärme einer Batterie	0,823 J/gC
	Zellenmasse	45,0 g
	Ladestrom/Ladespannung für System	297,6 A/403,2 V
	Anzahl der Zellen/Module/Konfiguration	7104 Zellen/16 Module
	Innenwiderstand	60 Milliohm
	maximal zulässige Zellentemperatur	40 Grad Celsius
	minimal zulässige Zellentemperatur	nachschlagen/bestimmen
	kontaktierende Oberfläche zwischen	0,0006655 m²
	Zellen und Kühlleitungen
	von den Zellen verursachte Entropie als eine	maximal –68,31 kJ/mol
	Funktion des Ladezustands

Tabelle 1

2 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Verfahren schließt einen Algorithmus ein, der nach Zugriff auf die in Tabelle 1 aufgeführten Angaben aus der Datenbank Berechnungen durchführen kann. Im oben erwähnten Ablaufdiagramm ist zu erkennen, dass ein erster Schritt 401 den Zugriff auf die Angabe der maximalen Aufladungsrate in der Datenbank beinhaltet. Diese kann eingesetzt werden, um Angaben zum maximal zulässigen Strom und zur maximal zulässige Spannung zu erhalten, die das System zum Aufladen des Fahrzeugs nutzen kann. Diese Angaben zu Spannung und Strom können zusammen mit anderen Werten aus der Datenbank genutzt werden, um 402 oder die Wärmeabgaberate q . während dieser Schnellladephase zu erhalten (T_cell = Zellentemperatur): q . = I²R + T_cellΔSF 1 / F
Schritt 403 beinhaltet die Bestimmung des begrenzenden Faktors für die maximal zulässige Durchflussrate durch das Rohrsystem. Diese hängt ab von der Pumpenleistung, der Stärke der Rohrleitungsmaterialien und der Kühlleistung des Wärmetauschers. Die begrenzenden Faktoren des vorgeschlagenen fahrzeugexternen Systems können die Pumpenleistung des fahrzeugexternen Systems und der maximal durch die fahrzeuginternen Rohrleitungen tolerierbare Druck sein. Es folgt eine Beispielrechnung zur Bestimmung der maximalen Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Pumpenleistung auf der Grundlage mehrerer Parameter, welche aus der Datenbank gewonnen wurden.
Nun nach Geschwindigkeit V auflösen:
Anhand der obigen Werte sowie des Pumpenwirkungsgrads η wird nach V_max aufgelöst. Der Pumpenwirkungsgrad sei nun 100%. V_max = 4.308 m/s
Ein alternativer limitierender Faktor in Schritt 403 kann der maximal durch die Rohrleitungen des fahrzeuginternen Kühlsystems tolerierbare Druck sein. Im Fall des Tesla Model S zum Beispiel sind die Rohrleitungen aus irgendeiner Art von Metall hergestellt, darunter, aber nicht begrenzt auf, Kupfer oder Aluminium; und sie sind 0,5 mm dick. Anhand der oben in Schritt 403 berechneten Strömungsgeschwindigkeit kann der Druck innerhalb des Rohrsystems bestimmt werden (strength = Stärke, thickness = Dicke, safety factor = Sicherheitsfaktor):
In diesem speziellen Fall eines Kupferrohrs liegt der Berstdruck des Rohrs über dem maximalen durch die Kühlmitteldurchflussrate ausgeübten Druck. In anderen Fällen könnte dies anders sein, so dass dieser Druck die maximale Durchflussrate begrenzen könnte.
Um den notwendigen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten 404 zu bestimmen, kann die Datenbank auf die experimentelle Forschung zugreifen oder es kann eine Berechnung zur empirischen Herleitung des Koeffizienten angewandt werden. Auf weitere notwendige Wärmeübertragungskoeffizienten des Rohrleitungsmaterials kann in dieser Phase über die Datenbank zugegriffen werden.
Schritt 405 beinhaltet die Auswahl der optimalen, den in Schritten 403 und 404 gestellten Bedingungen entsprechenden Kühlmitteldurchflussrate. Die Kühlmitteldurchflussrate überschreitet nicht die maximal zulässige Durchflussrate und entspricht dennoch dem notwendigen Wärmeübertragungskoeffizienten. Wenn der benötigte Wärmeübertragungskoeffizient unter bestimmten Umständen nicht durch eine Durchflussrate unterhalb des Maximums erzielt werden kann, dann kann die in Schritt 401 bestimmte maximale Aufladungsrate neu berechnet werden und der Prozess kann wieder bei Schritt 401 beginnen. Die optimale Durchflussrate 405 kann mit einem vorgegebenen Sicherheitsfaktor oberhalb des minimal notwendigen Wärmeübertragungskoeffizienten 403 und der maximalen Durchflussrate 404 gewählt werden.
Sobald die Durchflussrate in Schritt 405 gewonnen wurde, kann unter Nutzung von Werten aus der Datenbank die notwendige Auslasstemperatur 406 des Kühlmittels berechnet werden. Diese Temperatur stellt die höchste Temperatur dar, die das Kühlmittel haben darf, um eine zu große Erhitzung für sicheres Laden bis zur letzten Zelle im Kühlmittelkreislauf zu verhindern. Im Folgenden ist eine Beispielgleichung aufgeführt zur Bestimmung der Kühlmittelauslasstemperatur mit T_coolant (Kühlmitteltemperatur) als unbekannte Variable. Alle Werte im Nenner stellen diverse Koeffizienten und Dicken des Rohrleitungsmaterials dar. Diese Werte sind abhängig von den verschiedenen Wärmeschichten zwischen den Batteriezellen und dem Kühlsystem und können sich je nach Fahrzeugtyp unterscheiden (T_cell = Zellentemperatur, T_coolant = Kühlmitteltemperatur):
Schritt 407 beinhaltet eine Berechnung der Gesamtkühlmittelmenge in den an das Akkupaket angrenzenden Rohren. Diese spezifische Menge ist wichtig, weil sie die Kühlmittelmenge darstellt, welche die durch das Akkupaket während des Ladevorgangs generierte Wärme aufnimmt.
Diese Mengenangabe kann genutzt werden, um den Temperaturgradienten 408 zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlmittelrohrs in jedem Modul des Akkupakets zu bestimmen. Der Temperaturgradient kann durch Maximierung der Durchflussrate durch die Kühlmittelrohre minimiert werden. Hier ist eine Beispielrechnung zur Bestimmung dieses Temperaturgradienten aufgeführt, wobei die Werte auf der linken Seite entweder aus einer Datenbank oder aus vorhergehenden Berechnungen gewonnen wurden. In diesem Fall gibt die Berechnung den geschätzten Kühlmitteltemperaturgradienten bei Einsatz eines 300-kW-Ladegeräts an.
Mit der abschließenden Berechnung 409 kann die notwendige Kühlmitteleinlasstemperatur bestimmt werden. Dies kann die Temperatur des Kühlmittels sein, mit der es von außerhalb des Fahrzeugs in das fahrzeuginterne Kühlsystem hineingepumpt werden kann. Das fahrzeugexterne System kann dann das Kühlmittel mit dem notwendigen Druck und der notwendigen Temperatur durch die mit dem Fahrzeug verbundenen Rohrleitungen abgeben (410).
Das das Fahrzeug mit dem fahrzeugexternen System verbindende Steuerungssystem kann ständig die Kühlmitteltemperatur und die Zellentemperaturen an unterschiedlichen Punkten innerhalb des Fahrzeugs überwachen. Falls eine der Zellentemperaturen zu hoch wird, kann das System die Kühlmitteldurchflussrate erhöhen, sofern diese noch unter dem Maximum liegt. Falls die Durchflussrate nicht erhöht werden kann, kann der Ladevorgang vorübergehend gestoppt werden, bis eine stabilere Temperatur erreicht ist.
3 zeigt schematisch ein fahrzeugexternes System in Form einer Schnellladestation 60 zum Laden eines Elektrofahrzeugs 20 inklusive fahrzeuginternen Temperaturmanagementsystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Elektrofahrzeug 20 ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug 20, dessen Antrieb von einem Elektrofahrzeugbatteriepaket 106 (siehe 1) mit Energie versorgt wird, in dem es jedoch keinen Verbrennungsmotor gibt. In einer alternativen Ausführungsform kann das Elektrofahrzeug 20 ein Hybridelektrofahrzeug sein, das einen mit der Elektrofahrzeugbatteriepaket 106 zusammenwirkenden Verbrennungsmotor umfassen kann.
Die Schnellladestation 60 kann ein System 62 zur elektrischen Energieversorgung für das Schnellladen von Akkupaket 106 des Fahrzeugs 20 umfassen sowie ein fahrzeugexternes Temperaturmanagementsystem 64 für die Zuführung von Wärmetauscherflüssigkeit zum Akkupaket 106, wenn das Akkupaket 106 durch das System zur elektrischen Energieversorgung schnell geladen wird. Der Führer des Fahrzeugs 20 kann die Schnellladestation 60 anfahren, das Fahrzeug 20 ausschalten und einen Anschluss 42 an einem Ende einer Zuführung 68 der Schnellladestation 60 in eine entsprechende, von außerhalb des Fahrzeugs 20 zugängliche Aufnahme 50 in das Fahrzeug 20 einführen. In der in 3 gezeigten Ausführungsform fuhrt die Zuführung 68 aus einem Sockelbereich 72 heraus und umfasst eine elektrische Zuführung 68a, welche ein Kabel sein kann, das mit dem elektrischen Energieversorgungssystem 62 gekoppelt ist, und eine Zuführung 68b für Wärmetauscherflüssigkeit, welche Zuführung 68b ein Schlauch sein kann, der an eine fahrzeugexterne Kühlmittelversorgung 64 gekoppelt ist. Der Fahrer kann den Anschluss 42 so in die Aufnahme 50 des Fahrzeugs 20 einführen, dass der Anschluss 42 vorübergehend in die Aufnahme 50 einrastet. Die Aufnahme 50 kann mit einer oder mehreren Nuten 52 ausgebildet sein, die zur Aufnahme einer entsprechenden Anzahl von aus Anschluss 42 radial herausragenden Vorsprüngen 44 dienen. Die Vorsprünge 44 können am Anschluss 42 unter Federdruck angebracht sein, so dass sie beim Kontakt mit der Außenseite der Öffnung der Aufnahme 50 radial in den Anschluss 42 eingedrückt werden und dann radial nach außen in die Nuten 52 einrasten, sobald der Anschluss 42 in die Aufnahme 50 eingeführt ist. Es kann auch ein vom Fahrer des Fahrzeugs 20 zu betätigender Auslöser 46 zur Ver- und Entriegelung der Vorsprünge 44 vorgesehen sein, der in dieser Ausführungsform als ein Druckknopf am Anschluss 42 ausgebildet ist, auf dessen Betätigung hin die Vorsprünge 44 zum Einführen des Anschlusses 42 in die Aufnahme 50 eingezogen werden, wo sie sich nach dem Einführen beim Loslassen des Auslösers 46 in die Nuten 52 schieben können. Nachdem der Anschluss 42 in der Aufnahme 50 so eingerastet ist, dass die mit den Nuten 52 zusammenwirkenden Vorsprünge 44 verhindern, dass der Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 rutscht, kann der Fahrer des Fahrzeugs 20 einen Auslöser für das Laden/Kühlen betätigen, der in dieser Ausführung als Griff 48 ausgebildet ist, der erfasst und zum Anschluss hin 42 gedrückt werden kann, um den Stromfluss von dem elektrischen Energieversorgungssystem 62 sowie den Fluss der Wärmetauscherflüssigkeit von der fahrzeugexternen Kühlmittelversorgung 64 zum Akkupaket 106 in Gang zu setzen.
Wenn die Wärmetauscherflüssigkeit durch das Akkupaket 106 durchgeflossen ist und die Auslässe des Akkupakets 106 verlassen hat, passiert sie den Auslass des Auslassventils 112 (siehe 1). Die erwärmte Wärmetauscherflüssigkeit wird dann mittels einer Rückführungspumpe 75 aus einem Abflussabschnitt 96 für Wärmetauscherflüssigkeit in der Aufnahme 50 heraus- und in einen Rückführungsabschnitt 86 für Wärmetauscherflüssigkeit in einem Anschluss 42 hineingepumpt, und dann durch eine Rückführungsleitung 68c in die fahrzeugexterne Kühlmittelmittelversorgung 64 zurückgeführt. Die zur fahrzeugexternen Kühlmittelmittelversorgung 64 zurückgeführte Wärmetauscherflüssigkeit wird für die Wiederverwendung thermisch aufbereitet.
Eine Steuereinheit 70 kann vorgesehen sein, welche die dem Akkupaket 106 vom elektrischen Energieversorgungssystem 62 zugeführte Lademenge steuert und zur Steuerung der Zuführung von Kühlmittel von der fahrzeugexternen Kühlmittelmittelversorgung 64 wie oben beschrieben dient. Die Steuereinheit 70 kann außerdem mit einem Touchscreen 71 und einem Kreditkartenleser 73 gekoppelt sein. Wie ebenfalls oben erläutert, kann die Steuereinheit 70 auch mit einem Detektor gekoppelt sein, zum Beispiel in Form eines Radiowellen-basierten RFID-Lesegeräts, das in Verbindung steht mit einer Informationsquelle in der Form eines RFID-Tags 79 eines Fahrzeugs 20, wobei die Kommunikation zwischen Lesegerät und RFID-Tag zur Eingabe von Daten für die Steuerung eines oder mehrerer Parameter des Aufladevorgangs, der Wärmetauscherflüssigkeit und der Transaktion dienen kann. Der Detektor und die Informationsquelle können vielfältige alternative oder kombinierte Formen der Erkennung und Kommunikation aufnehmen, zum Beispiel optische, magnetische, akustische oder auf Mustererkennung beruhende oder sie können Detektoren und kompatible Informationsquellen einer anderen Art sein.
Wenn die Schnellladestation 60 den Ladevorgang beginnt, führt die Schnellladestation 60 dem Akkupaket 106 Strom von einem elektrischen Energieversorgungssystem 62 und Wärmetauscherflüssigkeit von einer fahrzeugexternen Kühlmittelmittelversorgung 64 zu, bis das Akkupaket 106 hinreichend aufgeladen ist. Eine fahrzeugexterne Pumpe 74 mit einer höheren Pumpleistung als die fahrzeuginterne Pumpe 108 (siehe 1) – d. h., die Pumpe 74 kann Wärmetauscherflüssigkeit mit einer höheren Rate pumpen als die fahrzeuginterne Pumpe 108 – pumpt Wärmetauscherflüssigkeit durch die Zuführung 68b für Wärmetauscherflüssigkeit. Das fahrzeugexterne System 60 führt während des Aufladens des Akkupakets 106 Kühlmittel von einer außerhalb des Elektrofahrzeugs 20 gelegenen Kühlmittelquelle 64 mit einer ersten Rate zur Kühlung der elektrischen Batterien des Akkupakets 106 zu. Das fahrzeuginterne System 100 zirkuliert zur Kühlung der elektrischen Batterien des Akkupakets 106 nach dem Aufladen der elektrischen Batterien das Kühlmittel durch den internen Kühlmittelkreislauf 105 des Elektrofahrzeugs 20 mit einer zweiten Rate, die geringer als die erste Rate ist. Die Wärmetauscherflüssigkeit verlässt die Wärmetauscherflüssigkeitszuführung 68b an einem Zuführungsabschnitt 84 für die Wärmetauscherflüssigkeit im Anschluss 42 und tritt ein in den Einlass des Ventils 110 (siehe 1) des Systems 100 im Fahrzeug 20 an einem Zuflussabschnitt 94 für die Wärmetauscherflüssigkeit in der Aufnahme 50. Die Wärmetauscherflüssigkeitszuführungsleitung ist an einen Einlass des Akkupakets 106 gekoppelt und führt dem Akkupaket 106 Wärmetauscherflüssigkeit zu. Ein Stromspeisegerät 76 führt Strom von dem elektrischen Energieversorgungssystem 62 durch die elektrische Zuführung 68a zu. Der Strom verlässt die elektrische Zuführung 68a im Abschnitt einer elektrischen Zuführung 82 im Anschluss 42 und tritt in eine Elektroleitung 24 in das Fahrzeug 20 ein im Abschnitt eines elektrischen Stromzuflusses 92 in der Aufnahme 50. Um zu verhindern, dass der Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 entfernt wird, während dem Fahrzeug 20 Strom und Wärmetauscherflüssigkeit zugeführt werden, ist dafür gesorgt, dass die Vorsprünge 44 während des Ladens nicht entriegelt und wieder in den Anschluss 42 eingezogen werden können. Der Anschluss 42 kann zusätzlich mit federbelasteten Kupplungen am Zuführungsabschnitt 84 der Wärmetauscherflüssigkeit oder in der Nähe davon versehen sein, wobei die Kupplungen bei der Entfernung von Anschluss 42 aus der Aufnahme 50 ein rasches Versiegeln des Wärmetauscherflüssigkeitszuführungsabschnitts 84 ermöglichen und so das Austreten von Wärmetauscherflüssigkeit verhindern.
Ausführungsformen der Erfindung können andere Ladestationen umfassen, darunter, aber nicht darauf begrenzt, auch Heimladestationen. Diese Heimladestationen können spezifisch auf den durch den Benutzer aufgeladenen Fahrzeugtyp abgestimmt sein.
Die Heimladestationen können Strom in Ruhezeiten mit einer geringeren Rate bzw. Stromstärke aus dem Netz ziehen, um auf diese Weise ein zugeordnetes Akkupaket aufzuladen, welches sich bei der Stromversorgung des Fahrzeuges zum Aufladen der Fahrzeugbatterien rasch entladen würde. (Originaltext: The recharging stations at home could withdraw current from the grid at a slower rate during off-hours to recharge an associated battery pack which would rapidly discharge to provide power to the vehicle to recharge its batteries.)
Einer der primären Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung sind die potenziellen Einsparungen bei Gewicht, Kosten und Volumen, von denen profitiert werden kann, ohne das interne System des Elektrofahrzeugs aufrüsten zu müssen. Ein verbesserter Wärmetauscher, der höhere Aufladungsraten toleriert, kann vorgesehen sein. Der Wärmetauscher kann so ausgebildet sein, dass er die Kühlleistung aufbringt, die notwendig ist, um die bei einem Aufladen mit 300 kW generierte Wärme von 50 kW oder mehr aufzunehmen. Ebenso können Wärmetauscher verwendet werden, die in der Lage sind, mit einer Rate von 120 kW umzugehen.

Ein Wärmetauscher mit einer Kühlleistung von 50 kW hat einen erheblichen Raumbedarf. Ein solcher Wärmetauscher, der 50 kW Wärme abführen kann, kann im Vergleich zu einem Wärmetauscher, der lediglich 8 kW an Wärme abführen kann, bis zu 0,226 m³ zusätzlichen Raum in Anspruch nehmen. Dieser zusätzliche Raumbedarf reduziert dann entweder den verfügbaren Kofferraum oder die Leistungsfähigkeit der Fahrzeugbatterie. Wird dieser Raumbedarf an der Batterieleistung abgezogen, kann dies zu einem Leistungsverlust von bis zu 29,73 kWh oder 93 Meilen (entspricht etwa 150 km) Reichweite führen. In Tabelle 2 sind die Vorteile einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und insbesondere eines fahrzeugexternen Kühlsystems zusammengefasst.

Gewichteinsparung	23 kg oder 50,7 lbs
Kosteneinsparung	2.700 US $/ca. 2.530 €
Volumeneinsparung	0,2212 m^3
zusätzliche Leistung durch Volumeneinsparung	29,73 kWh oder 93 Meilen/149,669 km Reichweite

Tabelle 2

Die Erfindung wurde in den vorangehenden Ausführungen unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und Beispiele davon beschrieben. Es ist jedoch durchaus vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Die Beschreibung und die Figuren illustrieren und verdeutlichen nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in ihren Details und Funktionen.

Claims

Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie, umfassend: Zuführung von Kühlmittel von einer außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegenen Kühlmittelquelle mit einer ersten Rate zur Kühlung der elektrischen Batterie während des Aufladens der elektrischen Batterie sowie Zirkulation von Kühlmittel durch einen internen Kühlmittelkreislauf mit einer zweiten Rate, die geringer als die erste Rate ist, zur Kühlung der elektrischen Batterie nach dem Aufladen der elektrischen Batterie.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegene Pumpe mit einer ersten Pumpleistung das Kühlmittel während des Aufladens der elektrischen Batterie mit der ersten Rate zuführt, und eine zweite Pumpe in dem internen Kühlmittelkreislauf des Elektrofahrzeugs mit einer zweiten Pumpleistung das Kühlmittel nach dem Aufladen der elektrischen Batterie mit der zweiten Rate zuführt, wobei die erste Pumpleistung höher als die zweite Pumpleistung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zuführung von Kühlmittel von der außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegenen Kühlmittelquelle mit der ersten Rate die Einleitung von Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf an einem der elektrischen Batterie vorgeordneten Einlassventil einschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend die Zuführung von dem die elektrische Batterie verlassenden Kühlmittel zu der außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegenen Kühlmittelquelle während des Aufladens der elektrischen Batterie.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Zuführung von dem die elektrische Batterie verlassenden Kühlmittel zu der außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegenen Kühlmittelquelle die Steuerung eines Auslasswerts in dem der elektrischen Batterie nachgeordneten Kühlmittelkreislauf einschließt, um das Kühlmittel vom Kühlmittelkreislauf zur außerhalb des Elektrofahrzeugs gelegen Kühlmittelquelle zu leiten.
Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie, umfassend: Zuführung von Kühlmittel von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle zu einem fahrzeuginternen Kühlmittelkreislauf für die Kühlung der elektrischen Batterie als eine Funktion von Parameter des fahrzeuginternen Kühlmittelkreislaufs.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Parameter wenigstens einen der Parameter eines Kühlmittels in dem fahrzeuginternen Kühlmittelkreislauf sowie Parameter einer wenigstens einen Struktur, die den fahrzeuginternen Kühlmittelkreislauf bildet, beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend den Abruf von Parameter des fahrzeuginternen Kühlmittelkreislaufs betreffende Informationen auf einem computerlesbaren Datenträger, wobei die Zuführung automatisches Pumpen des Kühlmittels von der fahrzeugexternen Kühlmittelquelle mit wenigstens einer Rate oder einer Temperatur als eine Funktion der Parameter des fahrzeuginternen Kühlmittelkreislaufs einschließt.
Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie, umfassend: Bestimmung einer Kühlmittelart in einem internen, mit der elektrischen Batterie in Wärmeaustausch stehenden Kühlmittelkreislauf des Elektrofahrzeugs; Auswahl der bestimmten Kühlmittelart aus mehreren fahrzeugexternen Kühlmittelquellen; Zuführung der bestimmten Kühlmittelart von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle zu dem internen Kühlmittelkreislauf des Elektrofahrzeugs.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend den Abruf von Parameter des Kühlmittels betreffende Informationen von einem computerlesbaren Datenträger im Anschluss an die Auswahl der bestimmten Kühlmittelart, wobei die Zuführung automatisches Pumpen der bestimmten Kühlmittelart von der fahrzeugexternen Kühlmittelquelle mit wenigstens einer Rate oder einer Temperatur als eine Funktion der Parameter des Kühlmittels einschließt.
Verfahren für die Zuführung von Kühlmittel zu einer einen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgenden elektrischen Batterie, umfassend: Bestimmung einer durch das Aufladen der elektrischen Batterie mit einer vorgegebenen Aufladungsrate verursachten Wärmeabgaberate der elektrischen Batterie; Bestimmung eines konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zur Ableitung der durch die elektrische Batterie während des Aufladens abgegebenen Wärme; Bestimmung einer maximal zulässigen Durchflussrate des fahrzeuginternen Kühlmittelkreislaufs; Feststellung, ob eine optimale Durchflussrate des Kühlmittels von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle den Bedingungen des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten und der maximal zulässigen Durchflussrate entspricht und Aufladen der elektrischen Batterie mit der vorgegebenen Aufladungsrate, falls die optimale Durchflussrate des Kühlmittels von einer fahrzeugexternen Kühlmittelquelle den Bedingungen des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten und der maximal zulässigen Durchflussrate entspricht, wobei das Aufladen der elektrischen Batterie die Zuführung von Kühlmittel von der fahrzeugexternen Kühlmittelquelle mit der optimalen Durchflussrate einschließt.