DE102008046744A1 - Thermisches Management für HLK und Batterie eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Thermisches Management für HLK und Batterie eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Ein System eines thermischen Managements für HLK und Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einem HLK-Teil und einem Batterieteil sowie ein Betriebsverfahren werden offenbart. Der HLK-Teil kann eine Hauptkammer, einen in der Hauptkammer angeordneten Verdampfer, eine sich über einen Teil der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers erstreckende Heizvorrichtung sowie einen Batteriekanal aufweisen, der sich von der Hauptkammer benachbart zu der Heizvorrichtung erstreckt und in Fluidverbindung mit der Hauptkammer sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Heizvorrichtung steht. Der Batterieteil kann einen mit dem Batteriekanal in Fluidverbindung stehenden Batteriesatz, ein Batteriekühlventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, und ein Batterieheizventil aufweisen, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Kraftfahrzeug mit einem Heizungs-, Lüftungs- und Klima-(HLK)System und einem luftgekühlten/-erwärmten Batteriesatz.
  • Einige moderne Kraftfahrzeuge werden von Elektromotoren angetrieben, sei es ein Hybridelektrokraftfahrzeug, ein reines Elektrokraftfahrzeug oder irgendein anderer ähnlicher Kraftfahrzeugtyp. Diese Kraftfahrzeuge weisen Batteriesätze zum Speichern einer elektrischen Ladung auf, die zum Antrieb des Motors verwendet wird. Es kann sich eine beträchtliche Menge an Energieströmen in den Batteriesatz hinein und heraus ereignen, die die Temperatur des Batteriesatzes über Pegel hinaus ansteigen lassen können, die wünschenswert sind. Auch arbeiten die Batterien besser, wenn sie oberhalb eines bestimmten Niedertemperaturbereiches sind. Folglich verwenden einige dieser Kraftfahrzeuge verschiedene Techniken zum Kühlen und Erwärmen des Batteriesatzes. Angesichts der Zusatzkosten und Komplexität der Kühlung eines Batteriesatzes ist es daher wünschenswert, diesen auf die möglichst effizienteste und kostengünstigste Art und Weise zu kühlen und zu erwärmen.
  • Des Weiteren ist es bei diesen Kraftfahrzeugen manchmal wünschenswert, die Fahrgastzelle zu erwärmen, während die Batterie gekühlt wird und umgekehrt. Daher können Systeme vom Stand der Technik ein vollständiges zusätzliches HLK-System speziell zum Erwärmen und Kühlen des Bat teriesatzes verwenden. Es ist wünschenswert, derartige zusätzliche HLK-Systeme zu reduzieren oder zu beseitigen, die zum Erwärmen und Kühlen des Batteriesatzes verwendet werden, da diese separaten HLK-Systeme die Kosten und das Gewicht erhöhen und Unterbringungsprobleme bei diesen Kraftfahrzeugen erzeugen können.
  • Auch kann der Nur-Batteriestrom-Bereich für diese Kraftfahrzeuge aufgrund von Energie, die zum Erwärmen oder Kühlen der Fahrgastzelle benötigt wird, reduziert werden. Daher ist es wünschenswert, effizientere Möglichkeiten zu finden, auch die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zu erwärmen und zu kühlen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform zieht ein System eines thermischen Managements für HLK und Batterie für ein Kraftfahrzeug in Erwägung, das einen HLK-Teil und einen Batterieteil aufweist. Der HLK-Teil kann eine Hauptkammer mit einem Außenlufteinlass und einem Umlufteinlass, einen HLK-Lüfter, einen in der Hauptkammer angeordneten Verdampfer, eine sich über einen Teil der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers erstreckende Heizvorrichtung, einen Batteriekanal, der sich von der Hauptkammer benachbart zu der Heizvorrichtung erstreckt und in Fluidverbindung mit der Hauptkammer sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Heizvorrichtung steht, ein Bypass-/Absperrventil benachbart zu der Heizvorrichtung und ein Temperatursteuer- und Absperrventil aufweisen, das in der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung und stromabwärts des Batteriekanals angeordnet ist. Der Batterieteil kann einen mit dem Batteriekanal in Fluidverbindung stehenden Batteriesatz, ein Batteriekühlventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, ein Batterieheizventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, und einen Druckentlastungskanal aufweisen, der in Fluidverbindung mit dem Batteriesatz und selektiv in Fluidverbindung mit der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs steht.
  • Eine Ausführungsform zieht ein System eines thermischen Managements für HLK und Batterie für ein Kraftfahrzeug in Erwägung, das einen HLK-Teil und einen Batterieteil aufweist. Der HLK-Teil kann eine Hauptkammer, einen HLK-Lüfter, einen in der Hauptkammer angeordneten Verdampfer, eine sich über einen Teil der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers erstreckende Heizvorrichtung sowie einen Batteriekanal aufweisen, der sich von der Hauptkammer benachbart zu der Heizvorrichtung erstreckt und in Fluidverbindung mit der Hauptkammer stromaufwärts der Heizvorrichtung steht. Der Batterieteil kann einen mit dem Batteriekanal in Fluidverbindung stehenden Batteriesatz, ein Batteriekühlventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, und einen Druckentlastungskanal aufweisen, der in Fluidverbindung mit dem Batteriesatz und selektiv in Fluidverbindung mit der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs steht.
  • Eine Ausführungsform zieht ein Verfahren zum Erwärmen und Kühlen eines Batteriesatzes eines Kraftfahrzeugs in Erwägung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ziehen von Luft durch einen Verdampfer in einer Hauptkammer eines HLK-Moduls; selektives Strömen von Luft durch eine Heizvorrichtung in der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers; selektives Strömen von Luft von zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung durch einen Batteriekanal zu einem Batteriesatz; se lektives Strömen von Luft von stromabwärts der Heizvorrichtung durch den Batteriekanal zu dem Batteriesatz; und selektives Strömen von Luft von dem Batteriesatz durch einen Kanal zu einem Bauteil der Bauteile Karosseriedruckentlastungsöffnung und Fahrgastzelle.
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass das HLK-Modul des Kraftfahrzeugs nicht nur verwendet wird, um die Fahrgastzelle zu erwärmen und zu kühlen, sondern auch den Batteriesatz. Somit wird kein weiteres zusätzliches HLK-System zum Erwärmen und Kühlen des Batteriesatzes benötigt. Man kann, falls gewünscht, eine zusätzliche Heizung in dem Batteriesatz verwenden, oder nur die Erwärmung von dem HLK-System verwenden. Ferner ist keine zusätzliche Filtrierung oder Wasserabscheidung für ein Erwärmen und Kühlen des Batteriesatzes erforderlich, da das HLK-Modul diese Funktionen für beides erledigt.
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass gleichzeitige Fahrgastzellenerwärmung und Batteriekühlung und umgekehrt erzielt werden kann, auch wenn kein separates Batterie-HLK-System verwendet wird.
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass die Fahrgastzelle und die Batterie vorkonditioniert (d. h. eine wünschenswertere Temperatur erzielt) werden können, bevor Insassen das Kraftfahrzeug betreten. Diese Vorkonditionierung kann durch einen Schlüsselanhänger aktiviert werden, oder sie kann automatisch aktiviert werden, während das Kraftfahrzeug an eine Steckdose angeschlossen ist, um den Batteriesatz aufzuladen. Die Vorkonditionierung kann besonders nützlich sein, wenn das Kraftfahrzeug an eine Steckdose angeschlossen ist und lädt, während das Kraftfahrzeug in einer heißen Umgebung abgestellt ist (z. B. an einem heißen Tag in der Sonne geparkt), da die Vorkonditionierung die Batterieleistung und Batterielebensdauer erhöhen kann. Die Vorkonditionierung kann entweder nur mit Frischluftumwälzung oder mit Betrieb der Klimaanlage erreicht werden, um die Luft in dem Kraftfahrzeug weiter zu kühlen und von Feuchtigkeit zu befreien.
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass Luft, die durch das Strömen durch den Batteriesatz erwärmt wird, in die Fahrgastzelle geleitet werden kann, um in der Fahrgastzelle einen Unterdruck zu vermeiden und ein zusätzliches Beheizen der Fahrgastzelle bereitzustellen, wenn gewünscht. Zusätzliches Beheizen kann ermöglichen, dass weniger Energie aus dem Batteriesatz für ein HLK-Beheizen der Fahrgastzelle während des Kraftfahrzeugbetriebs erforderlich ist, wodurch der Nur-Elektrobereich des Kraftfahrzeugs erhöht wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems eines thermischen Managements für HLK und Batterie gemäß der ersten Ausführungsform.
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines Systems eines thermischen Managements für HLK und Batterie gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 4 ist eine schematische Ansicht ähnlich 3, die ein Beispiel für einen Luftstrompfad bei einem Batterieheizmodus zeigt.
  • 5 ist eine schematische Ansicht ähnlich 3, die ein weiteres Beispiel für einen Luftstrompfad bei einem Batterieheizmodus zeigt.
  • 6 ist eine schematische Ansicht ähnlich 3, die ein weiteres Beispiel für einen Luftstrompfad bei einem Batterieheizmodus zeigt.
  • 7 ist eine schematische Ansicht ähnlich 3, die ein weiteres Beispiel für einen Luftstrompfad bei einem Batterieheizmodus zeigt.
  • 8 ist eine schematische Darstellung eines Systems eines thermischen Managements für HLK und Batterie gemäß einer dritten Ausführungsform.
  • 9 ist eine schematische Darstellung eines Systems eines thermischen Managements für HLK und Batterie gemäß einer vierten Ausführungsform.
  • 10 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs gemäß einer fünften Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Auf 1 bis 2 Bezug nehmend wird ein Kraftfahrzeug, das allgemein mit 20 bezeichnet ist, mit einer Fahrgastzelle 21 gezeigt. Das Kraftfahrzeug kann zum Beispiel ein Elektrokraftfahrzeug, ein Hybridelektrokraftfahrzeug, ein Plug-In-Hybridelektrokraftfahrzeug oder ein Brennstoffzel len-Kraftfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug 20 weist ein System 22 eines thermischen Managements für Heizung, Lüftung und Klima (HLK) und Batterie auf. Dieses System 22 eines thermischen Managements weist einen HLK-Teil 24 und einen Batterieteil 26 auf.
  • Der HLK-Teil 24 weist ein HLK-Modul 28 auf, das in Verbindung mit einem HLK-Controller 30 steht (die Verbindungslinien sind durch gestrichelte Linien angezeigt) und von diesem gesteuert wird. Das HLK-Modul 28 weist einen Außenlufteinlass 32, in den Luft aus der Atmosphäre in das Kraftfahrzeug gezogen werden kann (typischerweise der Kraftfahrzeugwindlauf, wie durch Pfeil 33 angezeigt) und einen Umlufteinlass 34 auf, in den Luft aus der Fahrgastzelle 21 gezogen wird. Die zwei Einlässe 32, 34 stehen selektiv mit einer Hauptkammer 36 in Fluidverbindung, wobei ein Frisch-/Umluftventil 38 einen Teil oder den ganzen Luftstrom zwischen den Einlässen 32, 34 und der Hauptkammer 36 selektiv blockiert. Die Position des Luftventils 38 kann von dem HLK-Controller 30 gesteuert werden. Ein HLK-Lüfter 40 ist in die Hauptkammer 36 eingebaut und kann von dem Controller 30 gesteuert werden, um zu veranlassen, dass Luft durch die Hauptkammer 36 strömt.
  • Ein Verdampfer 42 ist eingebaut und erstreckt sich über die Breite der Hauptkammer 36 stromabwärts des HLK-Lüfters 40 und kann mit einem verbleibenden Teil einer Klimaanlage auf herkömmliche Weise verbunden sein. Stromabwärts des Verdampfers 42 spaltet sich ein Batteriekanal 44 von der Hauptkammer 36 ab. Benachbart zu einem Eingang 46 des Batteriekanals 44 befinden sich ein Heizungswärmetauscher 48 und eine zusätzliche Heizvorrichtung 50. Die Heizvorrichtungen 48, 50 erstrecken sich nur einen Teil des Weges über die Breite der Hauptkammer 36. Der Heizungswärmetauscher 48 kann mit einer Maschinenkühlmittelanlage auf herkömmliche Weise verbunden sein, und die zusätzliche Heizvorrichtung 50 kann elektrisch betrieben sein.
  • Ein Bypass-/Absperrventil 52 befindet sich benachbart zu den Heizvorrichtungen 48, 50 und erstreckt sich selektiv über den Rest der Breite der Hauptkammer 36. Die Position dieses Ventils 52 bestimmt, ob ein Luftstrom durch die Heizvorrichtungen 48, 50 geleitet wird oder um diese herum strömen kann, bevor er in einen Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 54 des HLK-Moduls 28 strömt. Ein Temperatursteuer- und Absperrventil 56 ist stromabwärts der Heizvorrichtungen 48, 50 und des Batteriekanals 44 angeordnet. Die Position dieses Ventils 52 bestimmt, ob es Luft, die durch die Heizvorrichtungen 48, 50 strömt, gestattet wird, in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 54 zu strömen, oder sie in den Batteriekanal 44 geleitet wird. Ein Batteriekühlventil 58 und ein Batterieheizventil 60 sind in dem Batteriekanal 44 genau stromabwärts des Eingangs 46 angeordnet. Die Position des Batteriekühlventils 58 bestimmt, ob es Luft, die aus dem Verdampfer 42 strömt, gestattet wird, in den Batteriekanal 44 zu strömen, und die Position des Batterieheizventils 60 bestimmt, ob es Luft, die aus den Heizvorrichtungen 48, 50 strömt, gestattet wird, in den Batteriekanal 44 zu strömen.
  • Der Batteriekanal 44 des Batterieteils 26 erstreckt sich zu einem Eingang 64 zu einem Batteriesatz 66. Luft, die durch den Batteriekanal 44 strömt, wird durch den Batteriesatz 66 zu einem Batteriesatzausgang 68 geleitet, der mit einem Druckentlastungskanal 70 verbunden ist, der seinerseits mit einer Karosseriedruckentlastungsöffnung 72 verbunden ist. Die Karosseriedruckentlastungsöffnung 72 ist eine Einweg-Entlüftungsöffnung, die zulässt, dass Luft von dem Druckentlastungskanal 70 zu der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs 20 strömt (wie durch Pfeil 73 angezeigt), wenn sich der Luftdruck in dem Druckentlastungskanal 70 um ei nen bestimmten Betrag oberhalb des atmosphärischen Drucks befindet, lässt aber keine Luft durch die Öffnung 72 in den Druckentlastungskanal 70 strömen. Der Batterieteil 26 kann ferner einen Batteriesatz-Controller 74 aufweisen, der in Verbindung mit dem HLK-Controller und einem Steckerladegerät 76 steht.
  • 3 bis 7 zeigen eine zweite Ausführungsform. Da diese Ausführungsform der ersten ähnelt, werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet, jedoch Zahlen der 100er Reihe verwendet. Die Fähigkeit des Batteriesatzes 166, einen Luftstrom aus dem HLK-Modul 128 durch den Batteriekanal 144 zu empfangen, wobei die Ventile 138, 152, 156, 158, 160 den Luftstrom leiten, und der Verdampfer 142 und die Heizvorrichtungen 148, 150 die Luft kühlen/erwärmen, ist im Wesentlichen dieselbe wie bei der ersten Ausführungsform. Das HLK-Modul 128 zieht immer noch Luft durch den Außenlufteinlass 132 und/oder den Umlufteinlass 134 herein und kann selektiv Luft in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 154 ablassen. Der Batteriesatz ist ferner immer noch mit der Karosseriedruckentlastungsöffnung 172 über den Druckentlastungskanal 170 verbunden.
  • Die zweite Ausführungsform fügt einige Merkmale hinzu, um die Flexibilität des Systems 122 eines thermischen Managements für HLK und Batterie zu erhöhen. Ein Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 178 ist hinzugefügt, der den Druckentlastungskanal 170 und die Fahrgastzelle 121 verbindet. Ferner verbindet ein Batterie-Luftumwälzungskanal 180 den Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 178 mit dem Batteriekanal 144. Ein Batterie-Luftumwälzungsventil 186 ist an der Kreuzungsstelle des Batterie-zur-Fahrgastzelle-Umwälzungskanals 178 und des Batterie-Luftumwälzungskanals 180 angeordnet. Dieses Ventil 186 leitet selektiv einen Luftstrom in den Batterie-Luftumwälzungskanal 180 oder in die Fahrgastzelle 121. Ein optionaler Batterielüfter 182 ist in dem Batteriekanal 144 stromaufwärts des Batteriesatzes 166 angeordnet, um den HLK-Lüfter 140 zu ergänzen oder einen Luftstrom bereitzustellen, wenn eine Batterieluftumwälzung (nachstehend erörtert) gewünscht ist. Ferner ist eine optionale Batterieheizvorrichtung 184 in dem Batteriesatz 166 angeordnet, um Wärme von den Heizvorrichtungen 148, 150 zu ergänzen oder Wärme bereitzustellen, wenn eine Batterieluftumwälzung und Batterieerwärmung gewünscht ist.
  • 4 zeigt einen Luftstrompfad, der verwendet werden kann, während das Kraftfahrzeug 120 zum Laden der Batterie an eine Steckdose angeschlossen ist, wenn es wünschenswert ist, den Batteriesatz 166 während des Ladens zu erwärmen. Die Pfeile zeigen den Luftstrom in dem gewünschten Luftstrompfad. In diesem Batterieheizmodus ist das Frisch-/Umluftventil 138 positioniert, Luft aus der Fahrgastzelle 121 umzuwälzen. Der HLK-Lüfter 140 treibt Luft durch den Verdampfer 142 (bevorzugt ohne dass ein gekühltes Kühlmittel durch ihn fließt). Wenn das Bypass-/Absperrventil 152, das Temperatursteuer- und Absperrventil 156 und das Batteriekühlventil 158 geschlossen sind und das Batterieheizventil 160 offen ist, wird Luft durch den Heizungswärmetauscher 148 und die zusätzliche Heizvorrichtung 150 getrieben. Da dies ein Batterieauflademodus ist, ist es unwahrscheinlich, dass das Maschinenkühlmittel heiß ist, daher wird die zusätzliche Heizvorrichtung 150 aktiviert, um die Luft zu erwärmen, wenn sie durch die zusätzliche Heizvorrichtung 150 strömt. Die erwärmte Luft strömt dann durch den Batteriekanal 144 und durch den Batteriesatz 166, um die Batterien zu erwärmen. Der optionale Batterielüfter 182 kann aktiviert werden, um den Luftstrom zu unterstützen, und die optionale Batterieheizvorrichtung 184 kann aktiviert werden, um die Luft, falls dies gewünscht wird, weiter zu erwärmen. Alternativ können bei diesem Modus der Batterielüfter 182 und die Batterieheizvorrichtung 184 den Luftstrom bzw. Wärme statt dem HLK-Lüfter 140 und der zusätzlichen Heizvorrichtung 150 bereitstellen. Nachdem die Luft aus dem Batteriesatz 166 strömt, wird das Batterie-Luftumwälzungsventil 186 positioniert, die Luft durch den Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 178 zurück in die Fahrgastzelle 121 zu leiten.
  • 5 zeigt einen Luftstrompfad, der verwendet werden kann, während das Kraftfahrzeug zum Laden der Batterie an eine Steckdose angeschlossen ist, wenn es wünschenswert ist, die Batterie während des Ladens zu erwärmen. Um diesen Luftstrompfad zu erzeugen, blockiert das Batterie-Luftumwälzungsventil 186 den Luftstrom von dem Batteriesatz 166 zurück zu der Fahrgastzelle 121, und das Batterieheizventil 160 und das Batteriekühlventil 158 sind geschlossen. Im Gegensatz zu dem Luftstrompfad von 4 werden der HLK-Lüfter 140 und die Heizvorrichtungen 148, 150 nicht eingesetzt. Der Batterielüfter 182 wird aktiviert, um die Luft umzuwälzen, und die Batterieheizvorrichtung 184 wird aktiviert, um die Luft zu erwärmen. Die Luft strömt dann von dem Batteriekanal 144 durch den Batteriesatz 166 durch einen Teil des Druckentlastungskanals 170 in den Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 178 und wird dann in den Batterie-Luftumwälzungskanal 180 geleitet. Obwohl dieser Luftstrompfad kürzer ist und weniger Wärmeverlust als der in 4 aufweisen kann, erfordert dieser, dass der Batterielüfter 182 und die Batterieheizvorrichtung 184 in dem jeweiligen Kraftfahrzeug vorhanden sind, anstatt dass diese Bauteile optional für das System sind.
  • 6 zeigt einen Luftstrompfad, der verwendet werden kann, während das Kraftfahrzeug betrieben wird, wenn es wünschenswert ist, die Batterie zu erwärmen. Um diesen Luftstrompfad zu erzeugen, blockiert das Batterie-Luftumwälzungsventil 186 den Luftstrom in den Batterie-Luftumwälzungskanal 180, das Frisch-/Umluftventil wird ausgerichtet, um einen Luftstrom von dem Außenlufteinlass 132 herein zu ziehen, und das Batterieheizventil 160 ist offen. Das Batteriekühlventil 158, das Bypass-/Absperrventil 152 und das Temperatursteuer- und Absperrventil 156 sind geschlossen. Der HLK-Lüfter 140 zieht dann Außenluft in das Kraftfahrzeug und erzeugt einen Luftstrom, der durch den Heizungswärmetauscher 148 und die zusätzliche Heizvorrichtung 150, wo dieser erwärmt wird, und dann durch den Batteriekanal 144 zu dem Batteriesatz 166 passiert. Beim Verlassen des Batteriesatzes 166, da zusätzliche Luft von außerhalb des Kraftfahrzeugs hereingebracht wird, strömt die Luft naturgemäß durch den Druckentlastungskanal 170 und, da sich der Druck erhöht, öffnet sich die Karosseriedruckentlastungsöffnung 172 und lässt zu, dass Luft das Kraftfahrzeug verlässt. Bei diesem Luftstrompfad sind der Batterielüfter 182 und die Batterieheizvorrichtung 184 optional, da der Luftstrom und Wärme in dem HLK-Modul 128 erzeugt werden können.
  • 7 zeigt einen Luftstrompfad, der verwendet werden kann, während das Kraftfahrzeug betrieben wird, wenn es wünschenswert ist, das Kraftfahrzeug zu erwärmen und auch die Fahrgastzelle zu erwärmen. Der Luftstrompfad ähnelt dem in 6, aber das Temperatursteuer- und Absperrventil 156 ist offen, so dass ein Teil der von dem Heizungswärmetauscher 148 und/oder der zusätzlichen Heizvorrichtung 150 erwärmten Luft in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 154 des HLK-Moduls 128 strömt. Ein anderer Teil der Luft strömt immer noch an dem Batterieheizventil 160 vorbei, wobei das Temperatursteuer- und Absperrventil 156 steuerbar ist, um den Prozentsatz an Luft, der in jede Richtung strömt, zu variieren. Ferner kann das Frisch-/Umluftventil 138 angepasst werden, um den Prozentsatz von Frischluft im Vergleich zu Umluft zu variieren, die in das HLK-Modul 128 hinein gezogen wird, der wiederum den Luftanteil bestimmt, der durch den Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 180 anstatt durch die Karosseriedruckentlastungsöffnung 172 strömt. Bei diesem Luftstrompfad sind der Batterielüfter 182 und die Batterieheizvorrichtung 184 optional, da der Luftstrom und Wärme in dem HLK-Modul 128 erzeugt werden können. Die Positionierung der Ventile für eine optimale Wärmebelastung und eine Minimierung des Batterieverbrauchs während des nur elektrischen Fahrens kann verbessert werden, indem ein Feuchtigkeitssensor (nicht gezeigt) hinzugefügt wird – dies erlaubt optimale Einstellungen während eines Abtaumodus des HLK-Modulbetriebs, da eine Umwälzung die Wärmebelastung reduziert, aber Frischluft eine Reduzierung von Feuchtigkeit erlaubt.
  • 8 zeigt eine dritte Ausführungsform. Da diese Ausführungsform der zweiten ähnelt, werden gleiche Elementnummern für gleiche Elemente verwendet, jedoch Zahlen der 200er Reihe verwendet. Diese Ausführungsform weist immer noch ein HLK-Modul 228 auf, das einen Außenlufteinlass 232, einen Umlufteinlass 23 aus einer Fahrgastzelle 221, ein Frisch-/Umluftventil 238, einen HLK-Lüfter 240, einen Verdampfer 242, einen Heizungswärmetauscher 284, eine zusätzliche Heizvorrichtung 250, ein Bypass-/Absperrventil 252, ein Temperatursteuer- und Absperrventil 256 sowie einen Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 254 aufweist. Ferner weist der Batterieteil 226 immer noch ein Batteriekühlventil 258 und ein Batterieheizventil 260 in einem Batteriekanal 244, der zu einem Batteriesatz 266 führt, einen Druckentlastungskanal 270, der zu einer Karosseriedruckentlastungsöffnung 272 und einem Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 178 führt, und ein Batterie-Luftumwälzungsventil 286 auf, das einen Luftstrom in einen Batterie-Luftumwälzungskanal 280 selektiv zulässt. Jedoch weist diese Ausführungsform im Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform einen Fahrgastzellen-Entlüftungsstrompfad 290 auf, der einen Luftstrom von dem Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 254 (über einen Fahrgastzellen-Luftstrompfad) zu dem Druckentlastungskanal 270 leitet. Somit kann etwas von dem Luftstrom oder der ganze Luftstrom den Batteriesatz 266 umgehen, wenn zu der Karosseriedruckentlastungsöffnung 272 oder zurück geleitet, um durch das HLK-Modul 228 umgewälzt zu werden.
  • 8 zeigt auch zwei mögliche Luftstrompfade zum Kühlen des Batteriesatzes 266, während das Kraftfahrzeug zum Laden der Batterie an eine Steckdose angeschlossen ist. Der Luftstrompfad für den ersten Modus ist durch die durchgezogenen Pfeile angezeigt, und die Ventilpositionen sind in durchgezogenen Linien gezeigt. In diesem Modus zieht der HLK-Lüfter 240 Luft durch den Umlufteinlass 234, durch den Verdampfer 242, wo sie gekühlt wird, und an dem Batteriekühlventil 258 vorbei in den Batteriekanal 244 herein. Die Luft strömt durch den Batteriesatz 266, in den Druckentlastungskanal 270 und dann durch den Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 278, um den Kreislauf zu vollenden.
  • Der Luftstrompfad für den zweiten Betriebsmodus erlaubt eine Fahrgastzellenkühlung (und Batteriesatzkühlung, falls gewünscht), während das Kraftfahrzeug zum Laden der Batterie an eine Steckdose angeschlossen ist. Die Änderungen in dem Luftstrompfad und der Ventilpositionen bei diesem Modus sind durch gestrichelte Linien angezeigt. Luft wird aus dem Außenlufteinlass 232 durch den HLK-Lüfter 240 hereingezogen und dann sowohl in den Batteriekanal 244 als auch in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 254 geleitet. Die Luft, die in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 254 strömt, vereinigt sich mit der Luft, die durch den Batteriesatz 266 in dem Druckentlastungskanal 270 strömt, bevor sie durch die Karosseriedruckentlastungsöffnung hinausströmt.
  • 9 zeigt eine vierte Ausführungsform. Da diese Ausführungsform der zweiten ähnelt, werden gleiche Elementnummern für gleiche Elemente verwendet, jedoch Zahlen der 300er Reihe verwendet. In dieser Ausfüh rungsform wird gezeigt, dass ein gekühlter Luftstrom gleichzeitig sowohl durch die Fahrgastzelle 321 als auch den Batteriesatz 366 strömt. Diese Luftstrompfade lassen zu, dass der Batteriesatz 366 und die Fahrgastzelle 321 gekühlt werden, während das Kraftfahrzeug betrieben wird.
  • Bei dem ersten Luftstrompfad zieht der HLK-Lüfter 340 einen Teil seiner Luft durch den Umlufteinlass 334 und den Rest durch den Außenlufteinlass 332 und leitet die Luft durch den Verdampfer 342, wo diese gekühlt wird. Wenn das Temperatursteuer- und Absperrventil 356 sowie das Batterieheizventil 360 geschlossen sind und das Batteriekühlventil 358 offen ist, strömt ein Teil der Luft durch den Batteriekanal 344, durch den Batteriesatz 366 und in den Druckentlastungskanal 370. Der Luftstrom strömt dann teilweise durch die Karosseriedruckentlastungsöffnung 372 nach draußen und teilweise durch den Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal 180 in die Fahrgastzelle 321. Das Batterie-Luftumwälzungsventil 386 blockiert den Luftstrom in den Batterie-Luftumwälzungskanal 380. Bei dem zweiten Luftstrompfad ist das Bypass-/Absperrventil 352 offen, daher strömt ein Teil der Luft, die durch den Verdampfer 342 strömt, durch den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil 354 zu der Fahrgastzelle 321 und zurück zu dem Umlufteinlass 334. Optional weist der Heizungswärmetauscher 348 ein Absperrventil auf, um zu verhindern, dass ein heißes Maschinenkühlmittel durch diesen umgewälzt wird, wenn im Kühlmodus.
  • 10 zeigt eine fünfte Ausführungsform. Da diese Ausführungsform der ersten ähnelt, werden gleiche Elementnummern für gleiche Elemente verwendet, jedoch Zahlen der 400er Reihe verwendet. Dieses Kraftfahrzeug 420 weist eine Fahrgastzelle 421 auf, die ein automatisiertes Verfahren aufweist, um zuzulassen, dass Luft aus einem mittleren bis oberen Teil der Fahrgastzelle 421 entweicht. Der Luftauslass kann ein sich automa tisch öffnendes Schiebedach 497 sein oder kann ein Rückluftstrom 433 durch einen Teil eines Kraftfahrzeugwindlaufs in Verbindung mit dem HLK-Modul 428 des HLK-Teils 424 sein. Bei diesem Kraftfahrzeug ist ein Batteriesatz 466 immer noch mit dem HLK-Modul 428 über den Batteriekanal 444 verbunden und ist mit der Karosseriedruckentlastungsöffnung 472 über den Druckentlastungskanal 470 verbunden. Jedoch ist die Karosseriedruckentlastungsöffnung 472 bei dieser Ausführungsform steuerbar. Das heißt, sie ist elektronisch steuerbar, um in bestimmten Situationen einen Rückluftstrom durch die Öffnung zuzulassen. Optional kann die Karosseriedruckentlastungsöffnung 472 eine Blende oder Klappe (nicht gezeigt) aufweisen, um die Möglichkeit zu minimieren, dass Fremdkörper oder Tiere in die Öffnung eindringen.
  • Das Kraftfahrzeug 420 weist immer noch den HLK-Controller 430 in Verbindung mit dem Batteriesatz-Controller 474 auf, der mit dem Batteriesatz 466 und dem Steckerladegerät 476 in Verbindung steht. Es kann ferner einen optionalen Regensensor (nicht gezeigt) geben, wenn ein Kühlmodus das automatische Öffnen des Schiebedaches 497 oder eines Fensters (nicht gezeigt) beinhaltet, um zu verhindern, dass Regen in das Kraftfahrzeug gelangt. Es kann ferner einen optionalen Innenraumeindringungsdetektor (nicht gezeigt) geben, um Diebstahl zu verhindern, wenn ein Kühlmodus das automatische Öffnen des Schiebedaches 497 oder eines Fensters beinhaltet.
  • Bei diesem Kraftfahrzeug 420, wenn das Kraftfahrzeug in einem heißen Umgebungszustand geparkt ist (an einem heißen Tag in der Sonne geparkt), sind die Karosseriedruckentlastungsöffnung 472 und das Schiebedach 497 offen. Da die Öffnung 472 tiefer als das Schiebedach 497 liegt, ereignet sich ein passiver Konvektionsluftstrom von der Öffnung 472 zu dem Schiebedach 497. Der Luftstrom 473 in den Druckentlastungskanal 470 strömt durch den Batteriesatz 466, den Batteriekanal 444 und in das HLK-Modul 428. Die Luft strömt dann durch die Fahrgastzelle 421 und durch das Schiebedach 497 nach draußen. Alternativ kann der Luftstrompfad durch das HLK-Modul 428 und nach draußen durch den Windlauf anstatt durch das Schiebedach 497 erfolgen. Während diese Alternative eine Batteriesatzkühlung zulässt, ist die Fahrgastraumkühlung nicht so effizient. Als weitere Alternative kann man einen der Lüfter verwenden, um die bloße Konvektionsluftstromkühlung zu verbessern.
  • Neben einer automatisierten lüfterlosen Kühlung, wenn sich das Kraftfahrzeug 420 in einer heißen Umgebung befindet, kann man auch einen Schlüsselanhänger 494 mit einem Knopf 495 verwenden, der ein Signal 496 sendet, das bewirkt, dass das Kraftfahrzeug 420 eine lüfterlose Kühlung aktiviert.
  • Obwohl gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, erkennt der Fachmann für die Technik, auf die sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die Erfindung, wie von den nachfolgenden Patentansprüchen definiert, in die Praxis umzusetzen.

Claims (20)

  1. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie für ein Kraftfahrzeug, umfassend: einen HLK-Teil, der eine Hauptkammer mit einem Außenlufteinlass und einem Umlufteinlass, einen HLK-Lüfter, einen in der Hauptkammer angeordneten Verdampfer, eine sich über einen Teil der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers erstreckende Heizvorrichtung, einen Batteriekanal, der sich von der Hauptkammer benachbart zu der Heizvorrichtung erstreckt und in Fluidverbindung mit der Hauptkammer sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Heizvorrichtung steht, ein Bypass-/Absperrventil benachbart zu der Heizvorrichtung und ein Temperatursteuer- und Absperrventil, das in der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung und stromabwärts des Batteriekanals angeordnet ist, aufweist; und einen Batterieteil, der einen mit dem Batteriekanal in Fluidverbindung stehenden Batteriesatz, ein Batteriekühlventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, ein Batterieheizventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, und einen Druckentlastungskanal, der in Fluidverbindung mit dem Batteriesatz und selektiv in Fluidverbindung mit der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs steht, aufweist.
  2. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 1, bei dem der Batterieteil einen Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal in Fluidverbindung zwischen dem Druckentlastungskanal und einer Fahrgastzelle, einen Batterie-Luftumwälzungskanal in Fluidverbindung zwischen dem Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal und dem Batteriekanal, und ein Batterie-Luftumwälzungsventil, das konfiguriert ist, einen Fluidstrom in den Batterie-Luftumwälzungskanal selektiv zu blockieren, aufweist.
  3. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 2, bei dem der HLK-Teil ein Frisch-/Umluftventil aufweist, das konfiguriert ist, Teile eines Luftstroms aus dem Außenlufteinlass und dem Umlufteinlass selektiv zu steuern.
  4. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 2, bei dem der Batterieteil einen in dem Batteriekanal angeordneten Batterielüfter und eine in dem Batteriesatz angeordnete Batterieheizvorrichtung aufweist.
  5. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 1, bei dem der HLK-Teil einen Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil aufweist, wobei das Bypass-/Absperrventil konfiguriert ist, einen Fluidstrom von dem Verdampfer selektiv zuzulassen, um die Heizvorrichtung zu umgehen und in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil zu strömen, wobei das Temperatursteuer- und Absperrventil konfiguriert ist, einen Fluidstrom durch die Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, um in den Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil zu strömen, und wobei der Fahrgastzellen-Luftverteilungsteil in Fluid verbindung mit einem Fahrgastzellen-Entlüftungsstrompfad steht, der in Fluidverbindung mit dem Druckentlastungskanal steht.
  6. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 1, bei dem die Heizvorrichtung ein Heizungswärmetauscher und eine zusätzliche Heizvorrichtung benachbart zu dem Heizungswärmetauscher ist.
  7. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 1, bei dem der Batterieteil einen in dem Batteriekanal angeordneten Batterielüfter aufweist.
  8. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 1, bei dem der Batterieteil eine in dem Batteriesatz angeordnete Batterieheizvorrichtung aufweist.
  9. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 1, das eine steuerbare Karosseriedruckentlastungsöffnung aufweist, die in Fluidverbindung mit dem Druckentlastungskanal steht und konfiguriert ist, ein Einströmen von Luft in den Druckentlastungskanal selektiv zuzulassen.
  10. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 9, das ein automatisiertes Schiebedach aufweist, das konfiguriert ist, öffenbar zu sein, wenn die steuerbare Karosseriedruckentlastungsöffnung ein Einströmen von Luft zulässt.
  11. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 9, das einen Schlüsselanhänger mit einem Knopf aufweist, um ein drahtloses Signal zu senden, um die Betätigung der steuerbaren Karosseriedruckentlastungsöffnung zu bewirken, um ein Einströmen von Luft zuzulassen.
  12. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie für ein Kraftfahrzeug, umfassend: einen HLK-Teil, der eine Hauptkammer, einen HLK-Lüfter, einen in der Hauptkammer angeordneten Verdampfer, eine sich über einen Teil der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers erstreckende Heizvorrichtung und einen Batteriekanal, der sich von der Hauptkammer benachbart zu der Heizvorrichtung erstreckt und in Fluidverbindung mit der Hauptkammer stromaufwärts der Heizvorrichtung steht, aufweist; und einen Batterieteil, der einen mit dem Batteriekanal in Fluidverbindung stehenden Batteriesatz, ein Batteriekühlventil, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung selektiv zuzulassen, und einen Druckentlastungskanal, der in Fluidverbindung mit dem Batteriesatz und selektiv in Fluidverbindung mit der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs steht, aufweist.
  13. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 12, bei dem der Batterieteil einen in dem Batteriekanal angeordneten Batterielüfter und eine in dem Batteriesatz angeordnete Batterieheizvorrichtung aufweist.
  14. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 12, bei dem der Batterieteil einen Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal in Fluidverbindung mit dem Druckentlastungskanal, einen Batterie-Luftumwälzungskanal in Fluidverbin dung zwischen dem Batterie-zur-Fahrgastzelle-Luftumwälzungskanal und dem Batteriekanal, und ein Batterie-Luftumwälzungsventil, das konfiguriert ist, einen Fluidstrom in den Batterie-Luftumwälzungskanal selektiv zu blockieren, aufweist.
  15. System eines thermischen Managements für HLK und Batterie nach Anspruch 12, bei dem der Batteriekanal ebenfalls in Fluidverbindung mit der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung steht, und der Batterieteil ein Batterieheizventil aufweist, das in dem Batteriekanal angeordnet und konfiguriert ist, einen Fluidstrom von der Hauptkammer stromabwärts der Heizvorrichtung durch den Batteriekanal selektiv zuzulassen.
  16. Verfahren zum Erwärmen und Kühlen eines Batteriesatzes eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Ziehen von Luft durch einen Verdampfer in einer Hauptkammer eines HLK-Moduls; (b) selektives Strömen von Luft durch eine Heizvorrichtung in der Hauptkammer stromabwärts des Verdampfers; (c) selektives Strömen von Luft von zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung durch einen Batteriekanal zu einem Batteriesatz; (d) selektives Strömen von Luft von stromabwärts der Heizvorrichtung durch den Batteriekanal zu dem Batteriesatz; und (e) selektives Strömen von Luft von dem Batteriesatz durch einen Kanal zu einer Karosseriedruckentlastungsöffnung oder einer Fahrgastzelle.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem Schritt (e) ferner durch selektives Strömen von Luft von dem Batteriesatz durch einen Batterie- Luftumwälzungskanal zu dem Batteriekanal definiert ist, und das Verfahren ferner den Schritt (f) aufweist: Erzeugen eines Luftstroms durch den Batteriesatz mit einem benachbart zu dem Batteriesatz angeordneten Batterielüfter.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem Schritt (b) ferner durch die Heizvorrichtung, die ein Heizungswärmetauscher und/oder eine zusätzliche Heizvorrichtung ist, und selektives Strömen von Luft durch den Heizungswärmetauscher und/oder die zusätzliche Heizvorrichtung definiert ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem Schritt (c) ferner durch das Betätigen eines Batteriekühlventils in dem Batteriekanal definiert ist, um den Strom von Luft von zwischen dem Verdampfer und der Heizvorrichtung in den Batteriekanal selektiv zuzulassen, und Schritt (d) ferner durch das Betätigen eines Batterieheizventils in dem Batteriekanal definiert ist, um den Strom von Luft von stromabwärts der Heizvorrichtung in den Batteriekanal selektiv zuzulassen.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Karosseriedruckentlastungsöffnung eine steuerbare Karosseriedruckentlastungsöffnung ist, und das Verfahren den Schritt (f) aufweist: selektives Zulassen eines Rückwärtsluftstroms von der Karosseriedruckentlastungsöffnung in den Batteriesatz.
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