DE102005048241A1 - Zweikreisbatteriekühlsystem - Google Patents

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Abstract

Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem thermodynamischen Primärkreislauf, der einen über eine Schalteinrichtung gesteuerten Verdichter umfasst, und mit einem mit dem Primärkreislauf thermodynamisch koppelbaren Sekundärkühlkreislauf zur Kühlung von Elektroaggregaten, z. B. einer Batterie, der zumindest ein auf ein Signal der Schalteinrichtung des Primärkreises ansprechendes Bauteil enthält. Dabei kann die Schalteinrichtung, die den Verdichter, z. B. einen Kompressor, steuert, ebenfalls auf ein Bauteil des Sekundärkühlkreislaufs ansprechen bzw. auf dessen Funktion und somit beispielsweise den Kühlmittelfluss im Sekundärkühlkreislauf beeinflussen und damit die Kühlleistung beeinflussen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem thermodynamisch an einen Primärkreislauf koppelbaren Sekundärkühlkreislauf zur Kühlung von Elektroaggregaten insbesondere von Batterien in Brennstoffzellen- oder in Hybridfahrzeugen, wobei die Kühlung des Sekundärkühlkreislaufes abhängig von der Funktion des Primärkreislaufes gesteuert wird, wie durch den Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 beschrieben.
  • Die fortschreitende Entwicklung von Brennstoffzellen und Hybridfahrzeugen in den letzten Jahren erfordert den Einsatz von Hochleistungsbatterien z.B. Lithiumionenbatterien mit hohen Ausgangsleistungen sowie den Einsatz von weiteren Hochleistungselektroaggregaten. Um die bestmögliche Ausgangsleistung der Batterie bzw. der anderen Elektroaggregate zu gewährleisten ist es notwendig, diese in ihrem optimalen Temperaturbereich zu betreiben. Dieser liegt beispielsweise bei Lithiumionenbatterien zwischen 25 und 40°C. Gleichzeitig geben solche Batterien, z.B. für einer Anwendung in Kraftfahrzeugen, eine Wärmeleistung von bis zu 1.200 Watt ab, was eine Kühlung der Batterie selbst bei Außentemperaturen unter 0°C erforderlich macht. Zudem ist es für eine optimale Batterieleistung erforderlich, dass die Temperaturschwankung der Batterie so gering wie möglich gehalten wird.
  • Die nach dem Stand der Technik bekannten Batteriekühlsysteme umfassen vor allem zwei Arten: luftgekühlte Systeme und wassergekühlte Systeme.
  • Luftgekühlte Systeme benützen zur Kühlung der Batterie entweder die durch die Klimaanlage gekühlte Abluft der Fahrzeugkabine oder separat von einer Klimaanlage gekühlte Luft. Solche Systeme haben den Nachteil, dass entweder zuerst die Fahrgastzelle gekühlt werden muss bevor Kühlluft an die Batterie kommt oder dass die Kühlsysteme so groß dimensioniert werden müssten, dass zusätzliche Kühlluft zur Batterie kommt.
  • Bei wassergekühlten Batteriekühlungen befindet sich die Batterie bzw. das zu kühlende Elektroaggregat in einem Kühlkreis der entweder in die Fahrzeugklimaanlage integriert ist oder zumindest von dieser gekühlt wird. Ein solches System hat den Nachteil, dass um die Kühlung der Batterie zu gewährleisten die Klimaanlage immer angeschaltet bleiben muss was bei niedrigen Außentemperaturen, wenn die Klimaanlage nicht zur Kühlung der Fahrgastzelle benötigt wird, einen erhöhten Energieverbrauch verursacht. Zudem können während des Betriebes bei niedrigen Temperaturen unter 0°C Kompressordefekte oder Diffusionsprobleme auftreten.
    •
  • Es besteht daher der Bedarf nach einem wassergekühlten Batteriekühlsystem bei dem unter Sommerbedingungen, wenn die Außentemperaturen hoch sind und die Klimaanlage gewöhnlicherweise eingeschaltet ist, die Kühlleistung für die Batterie von der Fahrzeugklimaanlage erbracht wird, und bei dem im Winterbetrieb bei geringen Außentemperaturen, wenn die Klimaanlage normalerweise nicht zur Kühlung der Fahrgastzelle gebraucht wird, die Kühlung der Batterie trotzdem gewährleistet ist. Das Batteriekühlsystem muss daher zwischen zwei Betriebsarten, einem Winter- und einem Sommerbetrieb umschaltbar sein. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage gemäß des unabhängigen Anspruchs 1, wobei besondere Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen dargelegt sind.
  • Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe schlägt die Erfindung eine Fahrzeugklimaanlage mit einem thermodynamischen Primärkreislauf, der einen über eine Schalteinrichtung gesteuerten Verdichter umfasst, vor, und mit einem mit dem Primärkreislauf thermodynamisch koppelbaren Sekundärkühlkreislauf zur Kühlung von Elektroagregaten, z.B. einer Batterie, der zumindest ein auf ein Signal der Schalteinrichtung des Primärkreises ansprechendes Bauteil enthält. Dabei kann die Schalteinrichtung, die den Verdichter, z.B. einen Kompressor steuert, ebenfalls auf ein Bauteil des Sekundärkühlkreislauf ansprechen bzw. auf dessen Funktion einwirken und somit beispielsweise den Kühlmittelfluss im Sekundärkühlkreislauf beeinflussen und damit die Kühlleistung beeinflussen. Dabei kann das Steuerelement einerseits durch ein externes Signal, wie z.B. das manuelle An- bzw. Ausschalten der Klimaanlage durch einen Benutzer oder auch durch ein Signal eines weiteren Bauteils wie z.B. eines Sensors oder Temperaturfühlers gesteuert werden, andererseits aber auch durch ein internes Signal das z.B. die Funktion des Kompressors oder eines anderen in die Klimaanlage integrierten Bauteils überwacht. Eine solche Klimaanlage hat den Vorteil dass der Sekundärkühlkreislauf abhängig von einer Veränderung des Betriebszustandes des Primärkreislaufs gesteuert werden kann und somit beispielsweise ein An- oder Abschalten des Verdichters eine Umschaltung des ansprechenden Bauteils im Sekundärkühlkreis bewirkt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Verdichter bzw. Kompressor und ein im Sekundärkühlkreislauf enthaltenes Bauteil von einem übereinstimmenden Signal der Schalteinrichtung angesprochen werden. So wird bei einer Veränderung des Betriebszustandes des Verdichters bzw. Kompressors auch gleichzeitig oder auch zeitlich verzögert ein Bauteil in Sekundärkühlkreislauf angesprochen und somit z.B. dessen Kühlmittelfluss beeinflusst.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Sekundärkühlkreislauf mit einem weiteren Fahrzeugkühlkreislauf thermisch koppelbar. Dieser Fahrzeugkühlkreislauf kann beispielsweise der Wasserkühlkreislauf zur Motorkühlung oder ein andere Kühlkreislauf sein. Dabei erfolgt die thermische Kopplung beispielsweise über einen Wärmetauscher oder die direkte Einkopplung des Sekundärkühlkreislaufes in den Fahrzeugkühlkreislauf, wobei die Kopplung von der Steuereinheit gesteuert wird. Parallel dazu kann auch durch ein weiters im Sekundärkühlkreislauf enthaltenes Bauteil die thermische Kopplung mit dem Primärkühlkreis der Klimaanlage beeinflusst werden.
  • In einer speziellen Ausführungsform ist dabei das zu kühlende Elektroagregat im Sekundärkühlkreislauf direkt hinter dem Kühler des Fahrzeugkühlkreislaufes vorgesehen, wenn, wie oben beschrieben, beide zusammen gekoppelt sind. Dadurch wird gewährleistet, dass wenn die thermische Kopplung des Sekundärkreises zum Primärkreis nicht aktiv ist, die durch den Fahrzeugkühler erbrachte Kühlleistung optimal genutzt wird und eine möglichst konstante Temperatur an dem Elektroagregat erreicht wird. Zur Kühlung mehrerer Elektroagregate können diese entsprechend ihrem Kühlleistungsbedarf hinter dem Kühler angeordnet werden.
  • Außerdem kann der Sekundärkühlkreislauf einen Luft/Flüssigkeitswärmetauscher umfassen der die Kühlleistung mit Umgebungsluft gewährleistet, wenn die thermische Kopplung zum Primärkreis nicht aktiv ist. Dabei kann der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher alternativ oder zusätzlich zu einer Kopplung zum Fahrzeugkühlkreislaufes verwendet werden.
  • In einer speziellen Ausführungsform kann dabei der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher im Sekundärkühlkreislauf parallel im Bezug auf die thermische Kopplung zum Primärkreislauf angeordnet sein. Bei einer Steuerung des Verdichters/Kompressors der die vom Primärkreislauf auf den Sekundärkühlkreislauf erbrachte Kühlleistung verändert, wird durch die Steuereinheit ebenfalls ein oder mehrere auf Bauteile im Sekundärkühlkreislauf angesprochen, die den Kühlmittelfluss durch den Luft/Flüssigkeitswärmetauscher dementsprechend verändern.
  • In einer anderen Ausführungsform kann der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher in Bezug auf die thermische Kopplung zum Primärkreis in Reihe geschaltet sein und es wird beispielsweise bei einer Abschaltung des Verdichters/Kompressors durch die Schalteinrichtung der Flüssigkeitsdurchsatz im Sekundärkühlkreis erhöht um einer ausreichende Kühlung des Elektroagregates zu gewährleisten.
  • In einer einfachen Form kann der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher dabei lediglich aus einem unisolierten Teil des Sekundärkühlkreislaufes bestehen, wenn dies ausreicht um bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine ausreichende Kühlleistung bereitzustellen. Das unisolierte Teil kann z.B. ein unisoliertes Rohr sein, dass gerade, zur Erhöhung der Kühlleistung aber auch z.B. spiralenförmig gewunden sein. Prinzipiell sind dabei auch andere Formen, die die Kühlleistung erhöhen möglich.
  • Der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher kann dabei auch ein unisoliertes Bauteil umfassen, das Kühlrippen aufweist, um die Wärmeabgabe zu erhöhen. Je nach Anordnung der des Bauteils in Bezug auf den Kühlluftstrom kann dabei die Kühlrippen beispielsweise parallel, schraubenförmig und/oder senkrecht um das Bauteil, das z.B. ein Rohr sein kann, angeordnet sein um eine bestmögliche Kühlleistung zu ermöglichen.
  • In einer speziellen Ausführungsform sind das im Sekundärkühlkreislauf auf ein Signal der Schalteinheit ansprechenden Bauteile zumindest ein Ventil oder/und eine andere Fluiddurchsatzmengeneinstellung. Dabei wird beispielsweise über Ventile der Kühlmittelfluss entweder thermisch an den Primärkreislauf oder an den Fahrzeugkühlkreislauf oder/und an einen Luft/Flüssigkeitswärmetauscher gekoppelt. Möglich sind dabei auch andere Fuidduchsatzmengeneinstellungen, wie z.B. mittels einem oder mehrerer Bypass-Ventile oder durch die Veränderung der Pumpleistung im Sekundärkühlkreislauf.
  • In einer weiteren speziellen Ausführungsform ist zumindest eines der zu kühlenden Elektroagregate im Sekundärkühlkreislauf eine Batterie, insbesondere eine Hochleistungsbatterie die eine konstante Betriebstemperatur erfordern, wie sie beispielsweise in Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Es können aber auch andere Elekroagregate wie z.B. Gleichstrom/Gleichstromwandler im Sekundärkühlkreislauf gekühlt bzw auf einer konstanten Betriebstemperatur gehalten werden.
    •
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden, lediglich beispielhaften und nicht einschränkend angeführten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, welcher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt. Darin zeigt:
  • 1, eine Klimaanlage mit einem Sekundärkühlkreislauf zum Kühlen einer Batterie nach dem Stand der Technik,
  • 2, eine erfindungsgemäße Klimaanlage mit einem Sekundärkühlkreislauf zum Kühlen einer Batterie und eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers, wobei der Sekundärkühlkreislauf an einen Fahrzeugkühlkreislauf koppelbar ist,
  • 3, eine erfindungsgemäße Klimaanlage, wobei der Sekundärkühlkreislauf zusätzlich mit einem Luft/Flüssigkeitswärmetauscher kühlbar ist, der zur thermischen Kopplung zur Klimaanlage entweder in Reihe 300 oder parallel 400 angeordnet ist,
  • 4, einen Graphen, der die Wärmebelastung eines Luft/Flüssigkeitswärmetauschers in Abhängigkeit von der Außentemperatur aufzeigt,
  • 5, bevorzugte Ausführungsformen eines Luft/Flüssigkeitswärmetauschers, in (a) als Ausführungsform mit Kühlrippen, die schraubenförmig um ein Rohr angeordnet sind, in (b) als spiralenförmig ausgebildetes, unisoliertes Rohr.
  • In den Figuren und der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen werden gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Die in 2 schematisch dargestellte Klimaanlage mit Sekundärkühlkreislauf umfasst eine handelsübliche Klimaanlage bestehend aus einem Kühlkreis 100 mit einem Kompressor 102, einem Kondensator 104, einer Ausgleichsflasche 106, Absperr- und Einspritzventilen 108, 109 sowie einem Verdampfer 110, wie sie üblicherweise in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Über den handelüblichen Umfang hinaus ist zusätzlich ein Kühler 142 parallel zum Verdampfer 110 im Kühlkreis 100 angeordnet, der über Ventile 144, 145 geschaltet werden kann. Der Kühler 142 ist zudem einen Sekundärkühlkreislauf 200 integriert, der außerdem eine zu kühlende Batterie 202, einen zu kühlenden Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, eine Ausgleichsflasche 206, eine elektrische Pumpe 208, sowie ein Bypassventil 210 umfasst. Zusätzlich ist der Sekundärkühlkreislauf 200 über Ventile 222, 223 mit einem Fahrzeugkühlkreislauf 220 verbunden der angetrieben von einer Pumpe 228 weiter Agregate 226 mittels eines Niedertemperatur-Radiators 224 kühlt.
  • Bei eingeschalteter Klimaanlage wird diese zur Kühlung des Sekundärkühlkreislaufes 200 verwendet. In diesem Betriebszustand wird das in Kühler 142 gekühlte Kühlmittel zuerst zur Kühlung der Batterie 202 und dann zur Kühlung eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 204 verwendet, bevor es mittels der Pumpe 206 wieder zum Kühler befördert wird. In einer zweiten Betriebsart, wenn die Klimaanlage ausgeschaltet ist, wird der Kühler 142 mittels öffnen eines Beipassventiles 210 umgangen und der Sekundärkühlkreislauf 200 zur Kühlung mittels der Ventile 222, 223 in den Fahrzeugkühlkreislauf 220 eingekoppelt. Dadurch kann der Sekundärkreislauf je nach Betriebszustand der Fahrzeugklimaanlage auf unterschiedliche Weise gekühlt werden. Bei eingeschalteter Klimaanlage erbringt diese die zur Kühlung des Sekundärkreislaufes 200 notwendige Kühlleistung, die mittels des Kühlers 142 übertragen wird. Bei ausgeschalteter Klimaanlage, wenn diese z.B. im Winterbetrieb nicht zur Kühlung der Fahrgastzelle benötigt wird, wird die Kühlleistung des Sekundärkühlkreislaufes von dem Fahrzeugkühlkreislauf 220 übernommen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der oben beschriebenen Anlage sind die zu kühlende Batterie 202 sowie der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 204 im Sekundärkühlkreislauf direkt hinter einem Kühler des Fahrzeugkühlkreislaufes angeordnet.
  • 3 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimaanlage dar, die wir zu 2 im Detail beschrieben mittels eines in eine handelübliche Klimaanlage 100 eingebrachten Kühlers 142 thermisch mit dem Sekundärkühlkreislauf 200 verbunden ist. Dieser wird analog zu 2 zur Kühlung von Elektroagregaten, z.B. einer Batterie 202 und eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wärmetauschers verwendet. Im Unterschied zu der in 2 beschriebenen Ausführungsform ist der Sekundärkühlkreislauf 200 nicht mit einem weiteren Fahrzeugkühlkreislauf verbunden, sondern umfasst zumindest einen Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 300, 400. Dabei kann ein Luft/Flüssigkeitswärmetauscher in Reihe 300 oder/und Parallel 400 zu dem Kühler 142 angeordnet sein.
  • Ist in einer möglichen Ausführungsform der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 300 in Reihe in den Sekundärkühlkreislauf 200 integriert und damit die Kühlleistung des Sekundärkühlkreislaufes 200 bei ausgeschalteter Klimaanlage von dem Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 300 erbracht. Dabei kann der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 300 beispielsweise direkt vor dem thermisch mit der Fahrzeugklimaanlage verbundenen Kühler 142 im Sekundärkühlkreislauf 200 angebracht sein, d.h. das Kühlmittel des Sekundärkühlkreislaufes durchströmt nacheinander den Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 300 und den Kühler 142.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 400 parallel zum mit der Klimaanlage thermisch gekoppelten Kühler 142 im Sekundärkühlkreislauf 200 angeordnet. Dabei kann mittels des Bypass-Ventils 210 das Kühlmittel entweder durch den Kühler 142 oder durch den Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 400 geleitet werden. Durch die Umstellung des Kühlmittelflusses wird die Kühlleistung entweder durch die Fahrzeugklimaanlage oder durch den Luft/Flüssigkeitswärmetauscher 400 erbracht.
  • Es ist offensichtlich, dass die Reihen- und Parallelschaltung des Luft/Flüssigkeitswärmetauschers auch in einer Ausführungsform zusammengefasst werden.
  • Dabei wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Klimaanlage von einer Steuereinrichtung gesteuert, die einen Verdichter, beispielsweise einen Kompressor, an- bzw. abstellt und gleichzeitig den Kühlmittelfluss des Sekundärkühlkreislaufes entweder durch den mit dem Primärkreis verbundenen Kühler oder durch den Luft/Flüssigkeitswärmetauscher leitet. In einer weiteren Ausführungsform kann auch durch ein Abschalten der Klimaanlage über die Schalteinrichtung eine Erhöhung der Pumpleistung im Sekundärkühlkreis vorgenommen werden. Dadurch wird insbesondere, wenn der mit der Klimaanlage gekoppelte Kühler und der Luft/Flüssigkeitswärmtauscher in Reihe geschaltet sind, die Kühlleistung des Sekundärkühlkreislaufes angepasst.
  • Für den Luft/Flüssigkeitswärmetauscher stehen je nach zu erbringender Kühlleistung verschiedene Ausführungsformen zur Verfügung. In einer ersten Ausführungsform besteht der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher aus einem unisolierten Rohrstück, dass mit Kühlluft beaufschlagt wird. Um die Kühlleistung zu erhöhen, kann in einer weiteren Ausführungsform das unisolierte Rohrstück mit Kühlrippen ausgestattet sein, wobei die Kühlrippen beispielsweise senkrecht oder parallel zum Rohr bzw. schraubenförmig um das Rohr angeordnet sein können, wie in 5a dargestellt. In einer weiteren Ausführungsform kann das unisolierte Rohrstück entweder gerade oder spiralförmig sein, wie es in 5b dargestellt ist.

Claims (11)

  1. Fahrzeugklimaanlage mit einem thermodynamischen Primärkreislauf, der einen über eine Schalteinrichtung gesteuerten Verdichter umfasst, und mit einem mit dem Primärkreislauf thermodynamisch koppelbaren Sekundärkühlkreislauf zur Kühlung von Elektroagregaten, der zumindest ein auf ein Signal der Schalteinrichtung des Primärkreises ansprechendes Bauteil enthält.
  2. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 1, wobei der Verdichter und zumindest eines der im Sekundärkühlkreislauf enthaltenen Bauteile gleichzeitig und/oder von einem übereinstimmenden Signal der Schalteinrichtung angesprochen werden.
  3. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Sekundärkühlkreislauf mit einem weiteren Fahrzeugkühlkreislaufes thermisch koppelbar ist.
  4. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 3, wobei die thermische Kopplungsmöglichkeit unmittelbar hinter einem Kühler des Fahrzeugkühlkreislaufes vorgesehen ist.
  5. Fahrzeugklimaanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sekundärkühlkreislauf zumindest einen Luft/Flüssigkeitswärmetauscher umfasst.
  6. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 5, wobei der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher im Sekundärkühlkreislauf parallel angeordnet ist mit Bezug auf die thermische Kopplung zum Primärkreis.
  7. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher ein unisoliertes Bauteil umfasst, das gerade oder spiralenförmig sein kann.
  8. Fahrzeugklimaanlage gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Luft/Flüssigkeitswärmetauscher ein unisoliertes Bauteil umfasst, das Kühlrippen aufweist, die insbesondere parallel, schraubenförmig und/oder senkrecht um das Bauteil angeordnet sind.
  9. Fahrzeugklimaanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das ansprechende Bauteil im Sekundärkühlkreislauf eine Fluiddurchsatzmengeneinstellung und/oder eine Ventilanordnung ist.
  10. Fahrzeugklimaanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der zu kühlenden Elektroagregate des Sekundärkühlkreislaufs eine Batterie ist.
  11. Fahrzeugklimaanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der zu kühlenden Elektroagregate des Sekundärkühlkreislaufs ein Gleichstrom/Gleichstrom Wandler ist.
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