用于控制机动车辆的电能储能器的温度的装置和方法与流程

1.本发明涉及用于控制机动车辆的电能储能器的温度的装置和方法。本发明还涉及具有该装置的机动车辆，优选为多用途车辆(nutzfahrzeug)。


背景技术：

2.可至少部分地电驱动的机动车辆通常具有用于电能的储能器(以下也简称为电能储能器)。在此情况下，电能储能器可以是高压(hv)机动车辆电池。从实践中已知有各种方法不仅用于冷却高压电池，还用于加热高压电池。一种可能性是在高压电池底部通过加热/冷却鳍片加热水-乙二醇。其他方法例如包括加热电池或产生无功功率，例如通过制动器。
3.然而，机动车辆通常仅在一小部分时间主动运行。因此，当车辆停车时，电能储能器，尤其是各个电池单元可能会变凉。已知的是，过高或过低的温度会对这种电池的使用寿命、性能和功能产生不利影响。尤其会出现的问题是，在低于临界最低温度时，储能器的电池单元不再能够在车辆重新启动时提供足够的功率用于启动操作。例如，如果高压电池过度地变凉，电池只能提供少量或根本没有电流，特别是用于加热，因为电池的电流限制取决于充电状态(soc：state of charge)和温度。用于加热高压电池的已知方法也具有为此目的消耗大量能量的缺点。


技术实现要素：

4.因此本发明的目的是提供一种用于控制电能储能器的温度的装置，该装置可以避免传统技术的缺点。特别地，本发明的目的是提供一种用于控制储能器的温度的方法，通过该方法，即使在停放车辆时也可以避免电能储能器的冷却，并且这使得即使在停放车辆时也能以最节能的方式加热电能储能器。
5.该目的通过具有独立权利要求的特征的装置和方法实现。本发明的有利实施例和应用是从属权利要求的主题，并且在以下描述中部分参考附图更详细地解释。
6.根据本发明的第一总体方面，提供了用于控制机动车辆电能储能器的温度的装置。机动车辆可以是电驱动和/或可电驱动的机动车辆。该装置包括用于电能的储能器，以下也称为电能储能器或简称为储能器。
7.该装置还包括与储能器热耦合和/或能够热耦合的流体回路，以用于控制储能器的温度，其中，通过流体回路能够将温度控制流体供应到储能器并能够将温度控制流体从储能器排出。在此情况下，流体回路能够包括用于通过流体回路输送温度控制流体的泵装置、阀装置、用于冷却温度控制流体的冷却装置以及用于加热温度控制流体的加热装置。流体回路还包括子回路，加热装置布置在该子回路中。下文也将该子回路称为第一子回路。因此，流体回路可以选择性地用作冷却回路和加热回路。
8.根据本发明，该装置被设计为在停放机动车辆时并且在满足预定的加热条件时激活加热装置的加热操作，其中，通过阀装置，能够控制子回路与流体回路的流体耦合以及在子回路中被加热的温度控制流体向电能储能器的供应和从电能储能器的排出。
9.因此，即使在停放机动车辆时也能够防止储能器的冷却。此外，能够特别节能地加热温度控制流体，并因此节能地加热储能器，因为能够通过布置在子回路中的加热装置仅加热温度控制流体的部分量，然后通过阀门装置能够选择性地将温度控制流体的该部分量供应给储能器以进行局部散热。因此，能够减少热损失。同时，由于没有设置独立于冷却回路的加热回路，而加热回路集成在冷却回路中，因此能够实现该装置的成本效益。
10.优选地，停放的车辆应被理解为机动车的停止和/或停靠状态，尤其是机动车的闲置操作状态，例如汽车停靠时。
11.优选地，在此情况下，在加热操作期间通过加热装置仅加热温度控制流体的部分量。根据一特别优选实施例，该装置在此被设计为在激活加热操作时在第一步骤中通过加热装置在子回路中加热温度控制流体的部分量(优选，预定的部分量)，其中，子回路通过阀装置与流体回路的其余部分和/或储能器流体分离。根据该实施例，该装置还被设计为在第二步骤中通过阀装置将子回路和储能器流体连接，并且通过泵装置将被加热的预定的部分量泵送到储能器。
12.在此情况下，在第一步骤和/或第二步骤中，布置有冷却装置的另一第二子回路能够与流体回路的其余部分(这些部分包括第一子回路和含有储能器的区段)流体分离。能够通过第一子回路的尺寸和/或流体容纳容量且/或通过用于将第一子回路与流体回路流体耦合的阀装置的各个阀的位置来确定温度控制流体的预定部分量。
13.这实现了储能器的特别节能的加热，因为一方面能够避免流体回路中的温度控制流体的总量在加热操作期间被加热并且为此避免能量消耗。因此，能够减少由于流体回路的热容量引起的热损失。当停放的车辆没有连接到外部电源或充电站，并且储能器的能量例如由储能器本身或其他车辆电池提供时，这是特别有利的。相应地，由于较低的能量消耗，能够避免储能器因加热操作而过快放电。此外，温度控制流体的部分量的加热能够比温度控制流体的总量的加热更快，因此，加热过程总体上更快。
14.在该实施例的一有利变型中，该装置可以被设计为在激活加热操作时执行多个用于加热储能器的序列，其中，每个序列包括第一步骤和第二步骤，优选地使得温度控制流体的被加热的部分量的顺序脉冲而不是温度控制流体的连续流被泵送到储能器。也就是说，具有被加热的温度控制流体的多个序列被相继地和/或以脉冲的方式泵送到储能器。因此，能够准确地确定所需的温度控制流体量，且/或能够减少为保护储能器免受过度冷却所需的温度控制流体量。
15.例如，该装置可以为此被设计为在第二步骤中控制阀装置和泵装置，使得被加热的预定部分量被泵送到储能器的流经区域，并通过停止流体的流动而在那里保持最小时间段。因此实现了与储能器特别有效的热耦合，因为被加热的温度控制流体的大部分热量可以针对性地释放到储能器，而仅一小部分释放到其他管路区段。此外，顺序泵送操作比温度控制流体的连续操作消耗更少的能量。
16.此外，储能器能够通过形成在储能器的壁区域(优选，底板)中的流经区域与流体回路热耦合。在此情况下，可选地，温度控制流体的在第一步骤中被加热的预定部分量也能够对应于储能器的流经区域的容纳容量。也就是说，在加热操作期间，仅加热与储能器的壁区域和/或底板所能够容纳的用于热耦合的温度控制流体一样多的流体。通过该变型，能够特别有效地降低加热操作所需的能量，并且可以实现储能器的特别节能的加热。一方面，流
体回路因此能够选择性地用作冷却回路(在冷却操作期间)和加热回路(在加热操作期间)，然而，特别是在加热操作期间，由于流体回路的热容量而降低了热量损失，因为在加热操作期间仅使用子回路的热容量和/或温度控制流体的在该子回路中被加热的部分量。优选地，该装置还被设计为使得冷却操作期间的流体质量流的方向与在加热操作期间的流体质量流的方向相同。
17.替代地，温度控制流体的在第一步骤中被加热的预定部分量能够在流经区域的容纳容量的80％-200％的范围内，更优选地在90％-130％的范围内。经实际测试表明，这些范围内能够取得同样良好的效果。因此，有利的是，温度控制流体不是在流体回路的整个管道长度上被加热，而只是其一部分上被加热。
18.在本文中，术语“子回路”被如下地理解：流体回路具有子区段，在该子区段中，仅流体回路的温度控制流体的部分量能够循环和/或被加热装置加热。根据一实施例，子回路能够具有小于整个流体回路的容纳容量的50％，更优选地小于30％或小于20％的温度控制流体容纳容量。这种情况的优点在于，当停放车辆时，能够针对加热操作加热相对较少的温度控制流体，以使用于加热的能量消耗尽可能地低，而在冷却操作期间，优选地使用全部的温度控制流体，以便能够尤其在车辆行驶期间可靠地避免储能器过热。
19.根据另一方面，用于控制储能器的温度的装置可以包括机动车辆的车载电气子系统，在关闭点火装置时且/或在关闭机动车辆的电池主开关时向该车载电气子系统供应和/或能够供应电压。以此方式，当停放车辆时，不必向整个车辆车载电气系统供电，而只需向车载电气子系统供电，该车载电气子系统为用于加热操作的加热装置以及可选择地向诸如用于监测预定加热条件(例如，储能器温度)的传感器装置等其他组件供电。这种车载电气子系统对于重型货车(hgv)特别有利，现在对于货车司机通常的做法是，在停车或留车过夜或过周末时关闭(24v起动电池的)电池主开关，从而停用车载电气系统的功能。因此，根据本发明的一实施例，即使在停车车辆和/或关闭电池主开关时，仍能够向布置有用于储能器的加热装置的车载电气子系统供电。
20.在此情况下，电能供应能够通过储能器本身执行，其中，加热装置是布置在车载电气子系统中的电驱动加热装置。替代地或附加地，例如，如果停放的车辆停放在充电站，也能够通过机动车辆中的其他电池且/或通过外部电源向储能器供电。
21.根据另一方面，流体回路能够具有两条并行连接的管路，加热装置和冷却装置在流体上相互并行地布置在这两条管路中，其中，能够通过阀装置来控制并行连接的管路中的哪一条管路用于和/或能够用于向储能器供应流体流。这种情况的优点在于，能够以相应合适的方式控制用于装置的加热操作和冷却操作的流体流动。
22.例如，该装置可以被设计为在上述第二步骤中通过阀装置将具有冷却装置的管路区段和具有储能器的管路区段流体解耦，以便将被加热的温度控制流体直接输送到储能器而不是冷却装置。
23.预定的加热条件被理解为预先确定的条件或标准，其指示或用于推导出如下情形：特别是当停放车辆时，储能器有过度冷却的危险，并且无法再确保正常工作且/或将导致储能器的过度老化效应。例如，如果储能器的温度低于预定阈值，则预定的加热条件能够被满足。可以通过实验设定和确定各个储能器的合适阈值。为此，该装置可以有传感器装置，例如至少一个温度传感器，该温度传感器监测储能器的温度和/或储能器的一个或多个
储能单元的温度。替代地或额外地，也能够监测其它变量作为监测加热条件的一部分，以代替储能器温度，例如环境温度和/或流体回路的温度控制流体的温度。也能够从这些变量的趋势中估算储能器的温度，例如通过事先以实验方式确定的特征曲线。
24.根据另一方面，泵装置能够包括布置在子回路中的第一泵，以用于在子回路内输送温度控制流体。替代地或附加地，泵装置能够包括布置在子回路外部的第二泵，以用于将温度控制流体输送到储能器。
25.根据另一方面，该装置可以被设计为仅在停用加热装置之后的滞后时间(nachlaufzeit)之后才停用如上所述的第一泵，以避免气蚀效应(kavitationseffekten)。通过这种滞后操作，能够在加热操作期间避免或至少减少干扰的气蚀效应。
26.该装置还能够具有控制装置，该控制装置被设计为控制流体回路的组件，特别是加热装置、冷却装置和/或阀装置。
27.就上文所述的该装置被设计为控制流体回路的一个或多个组件以实现加热操作的程度而言，这能够通过例如控制装置的相应设计来实现。控制装置能够包括一个或多个控制单元，或者能够以编程方式实现为这类控制单元的一部分。例如，控制装置的部分功能也能够在电池管理系统(bms)中实现，例如以便监测储能器的温度。
28.根据另一实施例，能够在加热装置上或附近设置隔热部。由此，能够减少热辐射损失，并且提高加热期间的能源效率。
29.温度控制流体能够是已知的乙二醇-水混合物。
30.电能储能器能够是高压电池、电力牵引储能器和/或锂离子蓄电池储能器。
31.本发明还涉及包括如在本文中公开的用于控制储能器的温度的装置的机动车辆。该机动车辆可以是电驱动和/或可电驱动的机动车辆。该机动车辆可以是多用途车辆，例如卡车或公共汽车。
32.根据本发明的第二总体方面，提供了一种用于控制机动车辆的电能储能器的温度的方法，其中，储能器与用于控制储能器的温度的流体回路热耦合和/或能够热耦合，并且其中，通过该流体回路能够将温度控制流体供应到储能器并能够将其从储能器排出。流体回路包括用于通过流体回路输送温度控制流体的泵装置、阀装置、用于冷却温度控制流体的冷却装置以及用于加热温度控制流体的加热装置。流体回路具有子回路，加热装置布置在该子回路中。
33.该方法包括在停放机动车辆时监测预定的加热条件，并且当满足预定的加热条件时激活加热装置的加热操作，其中，通过阀装置控制子回路与流体回路的流体耦合以及在子回路中被加热的温度控制流体向电能储能器的供应和从电能储能器的排出。
34.为了避免重复，完全根据装置公开的特征也应被视为根据方法公开的特征，并提出要求保护。因此，根据本发明的上述方面和特征，特别是关于装置的设计、流体回路和装置的功能设计，也适用于该方法。
附图说明
35.上述本发明的优选实施例和特征可以根据需要相互组合。下面将参照附图对本发明的其它细节和优点进行说明。
36.图1示出了根据本发明一实施例述的在第一加热操作步骤中的用于控制储能器的
温度的装置的高度示意图；
37.图2示出了根据本发明一实施例的图1中的在第二加热操作步骤中的装置；和
38.图3示出了用于说明根据本发明一实施例的温度控制装置的操作方法以及用于控制储能器的温度的方法的流程图。
39.在所有附图中相同或等效的元件由相同的附图标记表示，并且其中一部分不再单独描述。
具体实施方式
40.图1示出了根据本发明一实施例的用于控制机动车辆的电能储能器5的温度的装置1。机动车辆可以是电驱动机动车辆，例如卡车。储能器5是高压储能器，并且为机动车辆的电机(未示出)供应电力牵引能量并且还接收回收能量。
41.装置1还包括与储能器5热耦合的流体回路3，所述流体回路用于控制储能器5的温度，其中，温度控制流体(例如水-乙二醇)通过流体回路供应到储能器5并从储能器5排出。为此，在储能器的底部区域设置有流经区域6，温度控制流体可以通过流经该流经区域。在流经区域中，温度控制流体可以选择性地在作为加热或冷却鳍片的鳍片周围流动，以实现与储能器5的热耦合。
42.流体回路3包括泵装置，在本情况下，该泵装置包括第一泵10和第二泵11，以用于通过流体回路3输送温度控制流体。流体回路3还包括阀装置12，在本情况下，该阀装置包括多个电磁阀12a至12d。
43.用于冷却温度控制流体的冷却装置8布置在管路区段14中。冷却装置8可以以已知的方式设计，并且因此在此不作详细描述。在冷却操作期间，冷却装置8对流经它的温度控制流体进行冷却。
44.在此，用于加热温度控制流体的加热装置9布置在与管路区段14并行的管路区段15中。加热装置9布置在流体子回路4中，第一泵10也布置在该流体子回路4中。如图1仅高度示意性地所示，加热装置至少部分地被隔热部17包封。
45.装置1还包括控制装置2，该控制装置2通过用虚线表示的信号线与流体回路3中的各个组件连接，以用于信号通知。控制装置2被设计为控制流体回路3的各个组件。控制装置2的部分功能也实现在储能器的电池管理系统(bms：battery manage system)5a中，其中，电池管理系统用于监测储能器5的温度。
46.加热装置9被设计为高压(hv)电加热器，在此通过仅用虚线高度示意性地示出的车载电气子系统7从储能器6向加热装置供应电能。这里的特定特征在于，在停放车辆并拔掉点火钥匙时，该车载电气子系统7也被供电，而车载电气系统的其他部分被停用。即使在停放车辆时，控制装置2和储能器9由该车载电气子系统7供电。此外，也能够进行磁性阀装置12的电气控制。
47.可以选择性地将流体回路3用于冷却储能器6和加热储能器6，这取决于是被冷却装置8冷却的温度控制流体被输送到储能器6还是被加热装置9加热的温度控制流体被输送到储能器6。质量流的循环方向在加热操作和冷却操作期间是相同的。
48.在机动车的正常驾驶操作期间，通常必须冷却储能器6，从而通常在驾驶操作期间通过阀装置12将子回路4与流体回路3的其余部分流体解耦。为此，可以通过控制装置12切
换阀12c和12d，使得流体管路14与流体管路16流体连接，并且流体管路15不与流体管路14和16流体连接。因此，被冷却装置8冷却的温度控制流体通过由管路14和16形成的流体回路流入储能器5的流经区域6，并再次返回到冷却装置。
49.然而，上面已经提到，在非驾驶操作期间，在停放车辆且外部温度较低时，可能会出现储能器6过冷的问题。这可能会对储能器的寿命、性能和功能产生不利影响，并导致储能器在车辆重新启动时不再能够为启动模式提供足够的功率。
50.因此，如有必要，温度控制装置1也用于在停放车辆时加热储能器5，这将在下文中解释。
51.为此，控制装置2被设计为在停放车辆时监测是否满足预定的加热条件。例如，为此对储能器6的温度进行监测，其中，该温度监测由储能器5的电池管理系统(bms)5a执行，该电池管理系统在任何情况下在行驶操作期间通过储能器5中的温度传感器监测储能器的温度。电池管理系统可以在此访问所谓的电池模块控制器(cmc：cell module controller)以监测电压，并访问安装在每个电池模块中的温度传感器。在停放车辆时的该温度监测对应于图3示出的相应的流程图的步骤s1。
52.电池管理系统在特定时间t处测量温度。如果温度低于特定的限值，则认为满足加热条件，并且控制装置2控制子回路4和加热装置9以启动加热操作。这在图3中作为步骤s2被示出。
53.为了启动加热操作，在第一步骤s3中，控制装置2首先控制阀12a和12b，使得流体可以在子回路4中循环，但不能离开该子回路，并激活子回路4中的泵10和加热装置9。因此，温度控制流体的小部分量20在子回路4中循环，并在那里被加热装置9加热。子回路4被设计为使得部分量20大约对应于储能器6能够在其底板上在流经区域中保持的流体量。
54.在加热装置9中测量被加热的温度控制流体的温度。当子回路4中的温度控制流体达到特定温度时，在第二步骤s4中控制装置控制泵10和11以及阀门12a至12d，使得被加热的温度控制流体20的部分量20被从子回路输送到储能器的流经区域6。在图2中通过箭头和移动框20示意性地示出温度控制流体的被加热的部分量20的这种输送。
55.在此情况下，切换阀12c和12d，使得流体管路15和16彼此流体连接。换句话说，在此，在第二步骤s4中控制阀装置12和泵10、11，使得温度控制流体的被加热的部分量20被泵送到流经区域9，并通过停止流体流动在那里保持最小时间段，以便将热量释放到储能器6。
56.在此，当激活加热操作时，执行多个这样的用于加热储能器9的序列，其中，每个序列包括第一步骤(s3)和第二步骤(s4)，使得温度控制流体的被加热的部分量20的顺序脉冲而不是温度控制流体的连续流被泵送到储能器9。
57.重复此过程，直到电池模块的温度高于特定温度。然后，结束加热操作并且停用加热装置9。为了避免气蚀效应，仅在一定的滞后时间之后才停用泵10。
58.尽管本发明已经参照具体的实施例进行了描述，但对于本领域的技术人员来说，显然可以进行各种修改，并且在不脱离本发明范围的情况下，可以使用等价物作为替代。仅仅应该提到的是，所描述的流体回路3的设计，特别是阀装置12的设计仅仅是示例性的，当然在不同的设计和连接中可以使用更多或更少的阀门。因此，本发明不应限于所公开的实施例，而应包括从属附权利要求的范围内的所有实施例。特别地，本发明还要求保护独立于所述权利要求的从属权利要求的主题和特征。
59.附图标记列表
60.1 温度控制装置
61.2 控制装置
62.3 流体回路
63.4 子回路
64.5 储能器
65.5a 电池管理系统(bms)
66.6 流经区域
67.7 车载电气子系统
68.8 冷却装置
69.9 加热装置
70.10 第一泵
71.11 第二泵
72.12 阀装置
73.12a、12b、12c、12d 阀
74.14 流体管路
75.15 流体管路
76.16 流体管路
77.17 隔热部
78.20 温度控制流体的部分量