DE102009019944A1 - Batterietemperatursystem für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Batterietemperatursystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Antriebsaggregat, einem Klimaanlagensystem und einem Batteriestapel, und ein Betriebsverfahren offenbart. Das Batterietemperatursystem kann einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel, der ein Kältemittel von dem Fahrzeugklimaanlagensystem selektiv empfängt; einen Batterieradiator, der benachbart zu einem Kühlungsventilator angeordnet ist; ein Ventil, das ein flüssiges Kühlmittel von dem Batteriestapel empfängt und das flüssige Kühlmittel an den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel und den Batterieradiator selektiv weiterleitet; und eine Elektropumpe zum Pumpen des flüssigen Kühlmittels durch den Batteriestapel, das Ventil, den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel und den Batterieradiator, umfassen. Das Batterietemperatursystem kann auch eine Batteriekühlmittelheizung zur selektiven Erwärmung des Kühlmittels, das in den Batteriestapel hineinströmt, umfassen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Temperatursysteme für Batteriestapel in Fahrzeugen.
  • Gegenwärtig werden fortschrittliche Kraftfahrzeuge vorgestellt, die einen Batteriestapel verwenden, um große Energiemengen für Elektroantriebssysteme zu speichern. Diese Fahrzeuge können beispielsweise Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeuge, Elektrofahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, der als Generator zum Aufladen der Batterie verwendet wird, und Brennstoffzellenfahrzeuge umfassen. Diese Batteriestapel benötigen im Allgemeinen ein Temperatursystem, um den Batteriestapel zu kühlen und zu erwärmen.
  • Typische Batterietemperatursysteme, die zum Kühlen und Erwärmen des Batteriestapels verwendet werden, stützen sich auf eine Luftströmung von dem HVAC-System des Fahrzeugs. Dies kann Fahrgastzellenluft sein, die durch den Batteriestapel hindurchgeleitet wird. Diese System leiden jedoch an Nachteilen, etwa einer niedrigen Wärmeabfuhr aufgrund des niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten von Luft, Fahrgastzelleninnengeräuschen, Vibrationen und Rauhigkeit (NVH) aufgrund eines Batteriegebläsemotors und eines Luftstromrauschens, begrenzter Batteriekühlungsfähigkeit, nachdem das Fahrzeug in der Sonne geparkt war (aufgrund der hohen Lufttemperaturen in der Fahrgastzelle zu Beginn des Fahrzyklus), und Problemen beim Sicherstellen, dass ein Lufteinlassgitter zwischen der Fahrgastzelle und dem Batterietemperatursystem von Fahrzeuginsassen nicht unabsichtlich blockiert wird (was zu einer verringerten oder keiner Batterieluftkühlungsströmung führt).
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein Batterietemperatursystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Antriebsaggregat, einem Klimaanlagensystem und einem Batteriestapel. Das System kann einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel, der von dem Klimaanlagensystem des Fahrzeugs selektiv ein Kältemittel empfängt; einen Batterieradiator, der sich benachbart zu einem Kühlungsventilator befindet; ein Ventil, das ein Kühlmittel von dem Batteriestapel empfängt und das Kühlmittel an den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel und den Batterieradiator selektiv weiterleitet; und eine Elektropumpe zum Pumpen des flüssigen Kühlmittels durch den Batteriestapel, das Ventil, den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel und den Batterieradiator umfassen. Das System kann auch eine Batteriekühlmittelheizung umfassen.
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein Fahrzeug, das ein Antriebsaggregat, einen zum Kühlen des Antriebsaggregats ausgestalteten Radiator, einen Kühlungsventilator, der benachbart zu dem Radiator angeordnet ist und zum Saugen von Luft durch den Radiator ausgestaltet ist, einen Batteriestapel und ein Batterietemperatursystem umfasst. Das Batterietemperatursystem kann einen Batterieradiator, der benachbart zu dem Radiator angeordnet ist und in Fluidverbindung mit dem Batteriestapel steht, eine Batteriekühlmittelheizung, die oberstromig des Batteriestapels angeordnet ist und zum Empfang einer dort hindurch verlaufenden Strömung eines flüssigen Kühlmittels ausgestaltet ist, und eine Elektropumpe zum Pumpen des flüssigen Kühlmittels durch den Batteriestapel, den Batterieradiator und die Batteriekühlmittelheizung umfassen.
  • Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zur Temperatursteuerung eines Batteriestapels in einem Fahrzeug mit einem Klimaanlagensystem und einem Batterietemperatursystem, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: detektiert wird, dass eine Kühlung des Batteriestapels benötigt wird; eine Pumpe aktiviert wird, um ein flüssiges Kühlmittel durch den Batteriestapel und das Batterietemperatursystem hindurch zu pumpen, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelkühlung detektiert wird; ein Ventil betätigt wird, um das flüssige Kühlmittel durch einen Batterieradiator zu leiten, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelkühlung detektiert wird und das Klimaanlagensystem nicht arbeitet; und das Ventil betätigt wird, um das flüssige Kühlmittel durch einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel zu leiten, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelkühlung detektiert wird und das Klimaanlagensystem arbeitet.
  • Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass bei einem Fahrzeug, das die Option entweder eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle als sein Antriebsaggregat aufweist, gemeinsame Batterietemperaturkomponenten verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass das Batterietemperatursystem eine Batteriekühlung unabhängig davon bereitstellt, ob das Fahrzeugklimaanlagensystem ein- oder ausgeschaltet ist. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Batterietemperatursystem für eine bessere Wärmeübertragung sorgt, indem statt Luft eine Flüssigkeit als das Wärmeübertragungsmedium verwendet wird. Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass die Batterietemperatursystemkomponenten außerhalb der Fahrgastzelle angeordnet werden können, wodurch jegliche Reduktion des Fahrgastzelleninnenraums minimiert wird. Und ein Luftauslassgitter in der Fahrgastzelle, das für die Fahrgastzellenluftkühlsysteme benötigt wird, wird beseitigt, wodurch Blockadeprobleme vermieden werden. Darüber hinaus werden NVH-Probleme beseitigt, die bei der Fahrgastzellenluftkühlung entstehen, da keine Luft aus der Fahrgastzelle gesaugt wird, um den Batteriestapel zu kühlen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Selbstheizung der Batterie oder eine zusätzliche Batterieheizung möglich sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugs mit einem Batterietemperatursystem.
  • 2 ist eine Ansicht, die 1 ähnelt, die aber einen anderen Betriebsmodus veranschaulicht.
  • 3 ist eine Ansicht, die 1 ähnelt, die aber noch einen andren Betriebsmodus veranschaulicht.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Mit Bezug auf 13 ist ein Fahrzeug gezeigt, das allgemein mit 20 bezeichnet ist. Das Fahrzeug 20 umfasst einen Motorraum 22, in welchem ein Antriebsaggregat 24 montiert ist, und eine Fahrgastzelle/Ladefläche 26, in welcher ein Batteriestapel 28 montiert ist. Alternativ kann der Batteriestapel 28 außerhalb der Fahrgastzelle/Ladefläche 26 montiert sein. Falls gewünscht, kann der Batteriestapel 28 eine Steckdosenaufladevorrichtung 29 umfassen. Das Antriebsaggregat 24 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle sein. Das Antriebsaggregat 24 kann Kühlmittelleitungen 30 aufweisen, die sich zu einem Radiator 32 erstrecken, welcher sich benachbart zu einem Kühlungsventilator 34 befinden kann. Der Kühlungsventilator kann durch einen Elektromotor 35 angetrieben werden. Ein Kältemittelkreislauf 36 eines Klimaanlagensystems 38 kann in dem Motorraum 22 angeordnet sein. Ein Batterietemperatursystem 40 kann auch in dem Motorraum 22 angeordnet sein. Das hier erörterte Batterietemperatursystem 40 kann bei einem Fahrzeug verwendet werden, das die Option eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat 24 aufweist.
  • Das Batterietemperatursystem 40 umfasst einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel (ein Kühlaggregat) 42 und einen Batterieradiator 44. Ein Dreiwegeventil 46 ist mit Kühlmittelleitungen 48 verbunden und kann so gesteuert werden, dass es eine Kühlmittelströmung von dem Batteriestapel 28 selektiv zu entweder dem Kühlaggregat 42 oder dem Batterieradiator 44 leitet. Der Batterieradiator 44 kann benachbart zu dem Radiator 32 montiert sein, sodass eine Luftströmung (durch Pfeil 47 angezeigt), die von dem Kühlungsventilator 34 durch den Radiator 32 gesaugt wird, auch durch den Batterieradiator 44 gesaugt wird. Das Kühlaggregat 42 ist über Kältemittelleitungen 50 mit dem Klimaanlagensystem 38 verbunden.
  • Kühlmittelleitungen sind in 13 durch gestrichelte Linien angezeigt, während Kältemittelleitungen durch Strich-gepunktete Linien angezeigt sind. Das Kühlmittel kann ein gebräuchliches Kühlmittel sein (eine Mischung aus Wasser und Ethylenglykol), wie es typischerweise bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird, es kann ein spezialisiertes Kühlmittel unter Verwendung entionisierten Wassers und/oder spezieller Hemmstoffe sein, oder es kann ein anderer Typ von flüssigem Kühlmittel mit geeigneten Wärmeübertragungseigenschaften sein. Das Kältemittel kann irgendein Kältemittel sein, das von dem Klimaanlagensystem 38 des Fahrzeugs 20 verwendet wird.
  • Das Batterietemperatursystem 40 umfasst auch einen Luftabscheider 52, der Kühlmittel sowohl von dem Kühlaggregat 42 als auch dem Batterieradiator 44 empfängt, eine Elektropumpe 54, die Kühlmittel von dem Luftabscheider 52 empfängt, und eine Batteriekühlmittelheizung 56, die Kühlmittel von der Pumpe 54 empfängt und Kühlmittel an den Batteriestapel 28 leitet. Die Batteriekühlmittelheizung 56 kann entweder oberstromig oder unterstromig des Kühlaggregats 42 angeordnet sein. Ein Kühlmittelvorratsbehälter 58 mit einem Niederdruckverschluss 60 ist mit dem Luftabscheider 52 verbunden und ermöglicht die thermische Expansion und Kontraktion des Kühlmittels in dem Batterietemperatursystem 40. Der Luftabscheider 52 ermöglicht, dass Luftblasen in dem Kühlmittelströmungsfluss in den Kühlmittelvorratsbehälter 58 abgeschieden werden. Die Elektropumpe 54 pumpt das Kühlmittel durch das Batterietemperatursystem 40 und kann auf Wunsch an anderen Positionen in dem Kühlmittelkreislauf angeordnet sein. Die Batteriekühlmittelheizung 56 kann aktiviert werden, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und es gewünscht ist, den Batteriestapel 28 zu erwärmen.
  • Obwohl die verschiedenen Komponenten des Batterietemperatursystems 40 in dem Motorraum 22 gezeigt sind, können einige von diesen als Alternative unter oder in der Fahrgastzelle/Ladefläche 26 angeordnet sein, falls dies gewünscht ist.
  • Nun werden drei unterschiedliche Betriebsmodi des Batterietemperatursystems 40 erörtert. Die Pfeile an den Kühlmittelleitungen und Kältemittelleitungen zeigen die Strömungsrichtung des Kühlmittels bzw. Kältemittels an.
  • Der erste Modus ist in 1 veranschaulicht und ist ein Batteriekühlungsmodus, bei dem das Klimaanlagensystem 38 nicht arbeitet (folglich findet keine Kältemittelströmung durch das Kühlaggregat 42 statt). Dieser Modus verwendet eine Batterieradiatorkühlung und kann sehr vorteilhaft verwendet werden, wenn die Umgebungslufttemperatur nicht zu warm ist und der Fahrzeugbediener das Klimaanlagensystem nicht eingeschaltet hat. Bei diesem Modus ist die Pumpe 54 aktiviert, um Kühlmittel durch das System 40 zu pumpen, und der Kühlungsventilator 34 ist aktiviert, um Luft durch den Batterieradiator 44 zu saugen. Auch ist das Dreiwegeventil 46 so betätigt, dass es das Kühlmittel, das von dem Batteriestapel 28 kommt, zu dem Batterieradiator 44 leitet (unter Umgehung des Kühlaggregats 42). Kühlmittel, das durch den Batteriestapel 28 strömt, absorbiert Wärme und strömt dann durch die Kühlmittelleitungen 48 zu dem Batterieradiator 44, bei dem eine Luftströmung 47 durch den Batterieradiator 44 Wärme aus dem Kühlmittel absorbiert. Das Kühlmittel strömt dann durch den Luftabscheider 52, bei dem Luftblasen in dem Kühlmittelströmungsfluss in den Kühlmittelvorratsbehälter 58 abgeschieden werden. Das Kühlmittel strömt durch die Batteriekühlmittelheizung 56, die ausgeschaltet ist, und zurück zu dem Batteriestapel 28. Dieser Kühlmittelströmungspfad ist vorteilhaft, wenn der Batterieradiator 44 ausreicht, um Kühlung für den Batteriestapel 28 bereitzustellen, weil für die Batteriekühlung nur ein minimaler Leistungsverbrauchsbetrag verwendet wird. Dieser Modus kann verwendet werden während das Fahrzeug 20 betrieben wird und während das Fahrzeug 20 zum Wiederaufladen der Batterie an eine Steckdose angesteckt ist.
  • Der zweite Modus ist in 2 veranschaulicht und ist ein Batteriekühlungsmodus, bei dem das Klimaanlagensystem 38 arbeitet. Die Pumpe 54 ist aktiviert und das Dreiwegeventil 46 ist so betätigt, dass es das Kühlmittel, das von dem Batteriestapel 28 kommt, an das Kühlaggregat 42 leitet (unter Umgehung des Batterieradiators 44). Kühlmittel, das durch den Batteriestapel 28 strömt, absorbiert Wärme und strömt dann durch die Kühlmittelleitungen 48 zu dem Kühlaggregat 42. Auch strömt gekühltes Kältemittel durch die Kältemittelleitungen 50 und das Kühlaggregat 42. Das Kältemittel absorbiert Wärme von dem Kühlmittel, welches dann durch den Luftabscheider 52, die Pumpe 54 und die deaktivierte Heizung 56 zu dem Batteriestapel 28 strömt. Während dieser Modus mehr Energie als der erste Modus verwendet, ist er sehr viel effektiver beim Kühlen des Batteriestapels 28. Dieser Modus kann verwendet werden, während das Fahrzeug 20 betrieben wird und während das Fahrzeug 20 zum Wiederaufladen der Batterie an eine Steckdose angesteckt ist, wenn das Klimaanlagensystem mit elektrischer Leistung betrieben werden kann.
  • Der dritte Modus ist in 3 veranschaulicht und ist ein Batterieerwärmungsmodus, bei dem kalte Umgebungsbedingungen herrschen. Die Pumpe 54 ist aktiviert und das Dreiwegeventil 46 ist so betätigt, dass es das Kühlmittel, das von dem Batteriestapel 28 kommt, zu dem Kühlaggregat 42 leitet (unter Umgebung des Batterieradiators 44). In diesem Modus strömt kein gekühltes Kältemittel durch das Kühlaggregat 42, sodass nur wenig oder keine Wärmeübertragung stattfindet. Die Batteriekühlmittelheizung 56 ist aktiviert und überträgt Wärme an das Kühlmittel, während es hindurchläuft. Die Wärme wird dann an den Batteriestapel 28 übertragen, während das Kühlmittel hindurchströmt, wodurch der Batteriestapel 28 erwärmt wird. Dieser Modus kann auch verwendet werden, während das Fahrzeug 20 betrieben wird oder während das Fahrzeug 20 zum Wiederaufladen der Batterie an eine Steckdose angesteckt ist.
  • Obwohl einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genau beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum praktischen Ausführen der Erfindung erkennen, welche durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (16)

  1. Batterietemperatursystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Antriebsaggregat, einem Klimaanlagensystem und einem Batteriestapel, wobei das System umfasst: einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel, der so ausgestaltet ist, dass er ein Kältemittel von dem Fahrzeugklimaanlagensystem selektiv empfängt; einen Batterieradiator, der so ausgestaltet ist, dass er benachbart zu einem Kühlungsventilator angeordnet ist; ein Ventil, das so ausgestaltet ist, dass es ein flüssiges Kühlmittel von dem Batteriestapel empfängt und das flüssige Kühlmittel selektiv an den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel oder den Batterieradiator weiterleitet; und eine Elektropumpe zum Pumpen des flüssigen Kühlmittels durch den Batteriestapel, das Ventil, den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel und den Batterieradiator.
  2. System nach Anspruch 1, das eine Batteriekühlmittelheizung umfasst, die oberstromig des Batteriestapels angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass sie eine dort hindurch verlaufende Strömung des flüssigen Kühlmittels empfängt, wobei die Batteriekühlmittelheizung aktivierbar ist, um das dort hindurchströmende Kühlmittel zu erwärmen.
  3. System nach Anspruch 2, das einen Luftabscheider umfasst, der so ausgestaltet ist, dass er die dort hindurch verlaufende Strömung des flüssigen Kühlmittels empfängt und Luftblasen aus der Flüssigkeit in dem flüssigen Kühlmittel abscheidet.
  4. System nach Anspruch 1, das einen Luftabscheider umfasst, der so ausgestaltet ist, dass er eine dort hindurch verlaufende Strömung eines flüssigen Kühlmittels empfängt und Luftblasen aus der Flüssigkeit in dem flüssigen Kühlmittel abscheidet.
  5. System nach Anspruch 1, wobei der Batterieradiator so ausgestaltet ist, dass er benachbart zu einem Antriebsaggregatradiator angeordnet ist.
  6. Fahrzeug, das umfasst: ein Antriebsaggregat, einen Radiator, der ausgestaltet ist, um das Antriebsaggregat zu kühlen; einen Kühlungsventilator, der benachbart zu dem Radiator angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass er Luft durch den Radiator saugt; einen Batteriestapel; und ein Batterietemperatursystem, das einen Batterieradiator, der benachbart zu dem Radiator angeordnet ist und in Fluidverbindung mit dem Batteriestapel steht; eine Batteriekühlmittelheizung, die oberstromig des Batteriestapels angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass sie eine dort hindurch verlaufende Strömung eines flüssigen Kühlmittels empfängt, wobei die Batteriekühlmittelheizung akti vierbar ist, um das dort hindurchströmende Kühlmittel zu erwärmen; und eine Elektropumpe zum Pumpen des flüssigen Kühlmittels durch den Batteriestapel, den Batterieradiator und die Batteriekühlmittelheizung umfasst.
  7. Fahrzeug nach Anspruch 6, das ein Klimaanlagensystem umfasst; und wobei das Batterietemperatursystem einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel, der so ausgestaltet ist, dass er ein Kältemittel von dem Klimaanlagensystem selektiv empfängt, und ein Ventil umfasst, das so ausgestaltet ist, dass es das flüssige Kühlmittel von dem Batteriestapel empfängt und das flüssige Kühlmittel an den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel oder den Batterieradiator selektiv weiterleitet.
  8. Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei das Batterietemperatursystem einen Luftabscheider umfasst, der so ausgestaltet ist, dass er eine dort hindurch verlaufende Strömung des flüssigen Kühlmittels empfängt und Luftblasen aus der Flüssigkeit in dem flüssigen Kühlmittel abscheidet.
  9. Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei das Antriebsaggregat ein Verbrennungsmotor ist.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei das Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle ist.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 6, das einen Elektromotor umfasst, der mit dem Kühlungsventilator in antreibendem Eingriff steht.
  12. Fahrzeug nach Anspruch 6, das eine Steckdosenladevorrichtung umfasst, welche mit dem Batteriestapel in funktionalem Eingriff steht.
  13. Verfahren zur Temperatursteuerung eines Batteriestapels in einem Fahrzeug, das ein Klimaanlagensystem und ein Batterietemperatursystem aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) detektiert wird, ob eine Kühlung des Batteriestapels notwendig ist; (b) eine Pumpe aktiviert wird, um ein flüssiges Kühlmittel durch den Batteriestapel und das Batterietemperatursystem zu pumpen, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelkühlung detektiert wird; (c) ein Ventil betätigt wird, um das flüssige Kühlmittel durch einen Batterieradiator zu leiten, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelkühlung detektiert wird und das Klimaanlagensystem nicht arbeitet; und (d) das Ventil betätigt wird, um das flüssige Kühlmittel durch einen Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel zu leiten, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelkühlung detektiert wird und das Klimaanlagensystem arbeitet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Schritte umfasst, dass: (e) detektiert wird, ob ein Erwärmen des Batteriestapels notwendig ist; (f) die Pumpe aktiviert wird, um das flüssige Kühlmittel durch den Batteriestapel und das Batterietemperatursystem zu pumpen, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelerwärmung detektiert wird; (g) das Ventil so betätigt wird, dass das flüssige Kühlmittel durch den Wärmetauscher von Kältemittel zu Kühlmittel geleitet wird, wenn der Bedarf für eine Batteriestapelerwärmung detektiert wird; und (h) eine Batteriekühlmittelheizung aktiviert wird, die oberstromig des Batteriestapels angeordnet ist, um das flüssige Kühlmittel zu erwärmen, bevor das flüssige Kühlmittel in den Batteriestapel strömt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner den Schritt umfasst, dass (e) Luftblasen aus der Flüssigkeit in dem flüssigen Kühlmittel abgeschieden werden, wenn das flüssige Kühlmittel durch das Batterietemperatursystem strömt.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt (c) ferner dadurch definiert ist, dass ein Kühlungsventilator benachbart zu dem Batterieradiator aktiviert wird.
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