DE102010030892A1

DE102010030892A1 - Klimatisierungssystem für Fahrzeuge mit Batteriekühlung

Info

Publication number: DE102010030892A1
Application number: DE102010030892A
Authority: DE
Inventors: Gerald Richter
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-07-03
Also published as: JP2012012010A; US20120003910A1; DE102010030892B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem (1) für ein Fahrzeug mit einer Batterie, aufweisend eine Batterieumhausung (4), in welcher die Batterie angeordnet ist, und ein Klimagerät (2) einer Klimaanlage zur Konditionierung von Luft für den Fahrgastraum. Das im Frontbereich des Fahrzeuges angeordnete Klimagerät (2) weist einen Verdampfer (17) eines Kältemittelkreislaufes und einen Heizwärmeübertrager (15), einen Frischluftkanal (12) zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeuges und einen Umluftkanal (13) zum Ansaugen von Luft aus dem Fahrgastraum, einen Auslass für konditionierte Luft zur direkten Anbindung der Batterieumhausung (4) an das Klimagerät (2) sowie einen Batteriekühlerkanal (7) als Strömungsverbindung zwischen dem Klimagerät (2) und der Batterieumhausung (4) auf. Die Batterieumhausung (4) umfasst einen Auslass, welcher mit einem Luftverteilsystem verbunden ist. Das Luftverteilsystem ist mit einem Abströmkanal (8) und einem Rückführkanal (10) ausgebildet, sodass die Luft vom Auslass der Batterieumhausung (4) in die Umgebung des Fahrzeuges abblasbar und/oder in den Fahrgastraum einleitbar ist. Der Rückführkanal (10) mündet dabei im hinteren Bereich in den Fahrgastraum. Zudem weisen der Batteriekühlerkanal (7), der Abströmkanal (8) und der Rückführkanal (10) jeweils eine Verschlussklappe (9, 11) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem für Fahrzeuge mit Batteriekühlung, insbesondere für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, wobei das Klimatisierungssystem auch zum Konditionieren der Batterie vorgesehen ist.
Im Stand der Technik sind verschiedene Systeme zur Kühlung von Batterien für Elektro- oder Hybridfahrzeuge bekannt. Dabei werden kältemittelgekühlte oder kühlmittelgekühlte Systeme eingesetzt. Bei den kühlmittelgekühlten Systemen wird neben Glykol als Kühlmittel Luft zur Kühlung der Batterien verwendet, wobei Umgebungsluft teilweise unkonditioniert durch die Batterien geleitet wird. An einem heißen Sommertag kann die Außenlufttemperatur allerdings Werte von 40°C erreichen oder übersteigen, sodass eine Kühlung mit unbehandelter Umgebungs- oder Außenluft nicht möglich ist. Bei diesen Außenbedingungen besteht dann häufig die Notwendigkeit, die Leistung der Batterie zu reduzieren, um die entstehende Wärme zu begrenzen. Allerdings ist dann von Nachteil, dass die Batterie nicht die maximale Leistung zur Verfügung stellen kann.
Die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzten Hochleistungsbatterien mit großer Kapazität, wie Li-Ionen-Batterien, weisen zudem einen sehr schmalen optimalen Temperaturbereich zum Entladen und Laden auf. Eine erhöhte Betriebstemperatur führt zu einer sehr starken thermischen Belastung der Batteriezellen und der elektronischen Bauteile. Durch den Betrieb außerhalb des optimalen Temperaturbereiches wird die Lebensdauer der Batterie erheblich reduziert. Es besteht somit die Anforderung, die beim Betrieb entstehende Wärme abzuführen. Weiterhin besteht die Anforderung nach einer geringen Temperaturspreizung zwischen den einzelnen Batteriezellen.
Um den sehr schmalen optimalen Temperaturbereich für die Batterie bei maximaler Leistung zu gewährleisten, erfordert die Luftkühlung der Batterien folglich eine entsprechende Konditionierung der Kühlluft.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, eine herkömmliche, mit einem zusätzlichen Auslass versehene Klimaanlage im Fahrzeug während des Betriebes oder Ladens der Batterie entsprechend zur Kühlung der Luft für die Batterie zu nutzen. Die Kühlluft wird dabei durch ein Kanalsystem in das Batteriegehäuse eingeblasen, um die einzelnen Batterien oder Batteriezellen herumgeführt und anschließend in die Umgebung abgegeben.
Ein solches System geht beispielsweise aus der DE 10 2008 005 754 A1 hervor, in der eine Vorrichtung zur Kühlung eines Energiespeichers in einem Fahrzeug beschrieben wird, wobei die Klimaanlage des Fahrzeuges als Kühlvorrichtung vorgesehen ist. Die direkt gekühlte, zum Energiespeicher hingeführte Luft ermöglicht eine schnelle Temperierung und wird nach der Konditionierung der Batterie in die Umgebung abgegeben.
Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass in bestimmten Betriebszuständen unterschiedliche Anforderungen an die Klimatisierung des Fahrgastraumes und die Batteriekühlung bestehen.
Eine Entnahme von konditionierter Kühlluft aus einem herkömmlichen Klimasystem zur Kühlung der Batterie während des Ladevorgangs kann unter Umständen dazu führen, dass der Fahrgastraum des Fahrzeuges bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft nicht aus dem Klimasystem vorheizbar ist. Ein Abkühlen der Luft für die Kühlung der Batterie bei gleichzeitigem Beheizen der Luft zur Erwärmung des Fahrgastraumes ist nicht möglich, da die Kühlluft lediglich auf eine Ausblastemperatur konditionierbar ist. Wenn das Klimasystem bei Kühlanforderung beispielsweise im Modus ”voll kalt” betrieben wird, wird die Luft im Heizwärmeübertrager nicht erwärmt, sodass keine Wärme in den Fahrgastraum einleitbar ist. Das Vorheizen der Luft zur Temperierung des Fahrgastraumes ist bei Elektrofahrzeugen jedoch bedeutsam, um den Energieverbrauch während der Fahrt zu verringern und damit die Reichweite des Fahrzeuges zu erhöhen.
Während des Ladevorgangs ergeben sich je nach Batteriekapazität und Ladezeitraum beziehungsweise Ladestrom und Spannung signifikante Ladeverlustleistungen, die in Form von sehr hohen Abwärmeströmen je nach Batterie bis zu 25% der zugeführten Leistung betragen. Die Verlustleistungen werden während des Ladevorgangs als Wärme mit der aufgewärmten Kühlluft aus dem Batteriegehäuse abgeführt und in die Umgebung geblasen.
Aus der EP 2 075 873 A1 geht eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur der Batterie eines Fahrzeuges mit Luftführungselementen, einer Kühleinheit, einer Heizeinheit und Rückströmelementen hervor. Die Luftführungselemente sind zur Aufnahme von Luft aus dem Fahrgastraum vorgesehen, die mithilfe der Kühleinheit abkühlbar und mithilfe der Heizeinheit erwärmbar ist und anschließend zur Kühlung oder Erwärmung über die Batterie geführt wird. Die Rückströmelemente leiten den gesamten oder einen Teil des durch die Batterie geströmten Luftmassestromes in den Fahrgastraum zurück. Der andere Teil des Luftmassestromes wird in die Umgebung des Fahrzeuges abgeblasen. Das in der EP 2 075 873 A1 beschriebene System ist im Heckbereich des Fahrzeuges angeordnet und weist eine Vielzahl von Zusatzkomponenten mit zusätzlichen Wärmeübertragern und Gebläsen auf, die Bauraum und damit Platz beanspruchen und eine aufwendige Regeleinrichtung benötigen. Die Luft wird im Heckbereich aus dem Fahrgastraum abgesaugt und strömt auch im Heckbereich wieder in den Fahrgastraum ein, sodass die rückgeführte Luft, insbesondere bei geringen Luftmasseströmen, nicht durch den gesamten Fahrgastraum, sondern lediglich lokal zirkuliert.
Auch in der DE 600 07 199 T2 wird eine Anordnungsstruktur für eine Batteriekühlleitung eines Fahrzeuges mit einem zusätzlichen Ventilator beschrieben, wobei zur Temperierung der Batterie Luft aus dem Fahrzeuginnenraum abgesaugt und der Batterie zugeführt wird.
Die Verwendung von Luft aus dem Inneren des Fahrgastraumes, die durch die Konditionierung vor dem Eintritt in den Fahrgastraum im Gegensatz zur Verwendung von Umgebungsluft zwar einen vorgegebenen, bereits eingeschränkten Temperaturbereich aufweist, führt allerdings bei der Entnahme aus dem Fahrgastraum zur Steigerung der Geräusche im Fahrzeug und verringert damit den Komfort. Zudem wird die Luft aus dem Inneren des Fahrgastraumes für die Zufuhr zur Batterie sehr häufig Zustandsparameter aufweisen, bei denen die Batterie nicht oder nur unzureichend gekühlt wird. Dabei handelt es sich vorrangig um Zustandsparameter der Luft im Fahrgastraum mit hohen Temperaturen, wie beispielsweise im Sommer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Klimatisierungssystem und ein Verfahren zum Betrieb des Klimatisierungssystems für ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, das neben den bekannten Aufgaben der Konditionierung des Fahrgastraumes zusätzlich die Temperierung eines Energiespeichers innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches ermöglicht. Die Temperierung des Energiespeichers soll über ein Zwischenmedium erfolgen, wobei die Anzahl zusätzlicher Komponenten im Fahrzeug zu minimieren und damit das System platzsparend auszubilden ist. Die Temperierung des Energiespeichers soll dabei unter minimalem Energieaufwand sowie ohne zusätzlichen Aufwand für eine Regeleinrichtung und ohne Verlust an Komfort für die Fahrzeuginsassen erfolgen. Das System soll demzufolge kostengünstig ausgeführt und zu betreiben sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug mit einer Batterie gelöst. Die Batterie ist innerhalb einer Batterieumhausung angeordnet. Das Klimatisierungssystem weist des Weiteren ein im Frontbereich des Fahrzeuges angeordnetes Klimagerät einer Klimaanlage zur Konditionierung von Luft für den Fahrgastraum mit einem Verdampfer eines Kältemittelkreislaufes und einem Heizwärmeübertrager auf. Das Klimagerät ist mit einem Frischluftkanal zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeuges sowie einem Umluftkanal zum Ansaugen von Luft aus dem Fahrgastraum versehen und weist konzeptionsgemäß einen Auslass für die konditionierte Luft zur direkten Anbindung der Batterieumhausung an das Klimagerät auf. Das Klimatisierungssystem ist zudem mit einem Batteriekühlerkanal als Strömungsverbindung zwischen dem Klimagerät und der Batterieumhausung ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung weist die Batterieumhausung einen Auslass auf, welcher mit einem Luftverteilsystem verbunden ist. Das Luftverteilsystem ist mit einem Abströmkanal und einem Rückführkanal ausgebildet, sodass die Luft vom Auslass der Batterieumhausung durch den Abströmkanal in die Umgebung des Fahrzeuges abströmen kann oder durch den Rückführkanal in den Fahrgastraum einleitbar ist. Der Rückführkanal mündet dabei im hinteren Bereich des Fahrgastraumes, sodass die Batterieabluft im hinteren Bereich des Fahrgastraumes einströmt und beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Umluftmodus eine effiziente Durchströmung gewährleistet ist.
Sowohl der Batteriekühlerkanal als auch der Abströmkanal und der Rückführkanal sind jeweils mit einer Verschlussklappe versehen. Je nach Stellung der Verschlussklappen im Abströmkanal und im Rückführkanal kann auch ein Teil der aus dem Auslass der Batterieumhausung austretenden Luft in die Umgebung abgeblasen und der andere Teil in den Fahrgastraum eingeleitet werden.
Mit dem Einleiten der Luft durch den Rückführkanal in den Fahrgastraum wird die in der Batterie beim Laden entstehende Wärme zur Erwärmung des Fahrgastraumes verwendet und damit effizient zur Aufheizung des Fahrgastraumes eingesetzt. Mit der Rückführung der Kühlluft in den Fahrgastraum, die zur Temperierung des Energiespeichers innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches vorgesehen ist, erfüllt der der Batteriekühlung dienende Luftmassestrom eine weitere energetische Funktion. Der Luftmassestrom wird folglich zum einen zur Temperierung der Batterie sowie zum anderen zur Erwärmung des Fahrgastraumes verwendet. Damit wird es vorteilhaft möglich, das Innere des Fahrgastraumes ohne den Aufwand zusätzlicher Systeme oder Energie im Stand des Fahrzeuges zu heizen.
Sowohl die Temperierung der Batterie als auch die Temperierung des Fahrgastraumes werden über das Zwischenmedium Luft realisiert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Batteriekühlerkanal an einem Auslass des Klimagerätes angeordnet und zu den herkömmlichen Cockpitauslässen des Fahrgastraumes parallel geschaltet. Der Batteriekühlerkanal kann demzufolge direkt mit der im Klimagerät konditionierten Luft gespeist werden. Der durch den Batteriekühlerkanal geleitete Luftstrom wird zur Batterieumhausung und der darin angeordneten Batterie geführt.
Die bevorzugt aus Batteriezellen ausgebildete Batterie ist unterhalb des Kabinenbodens des Fahrzeuges gehaltert angeordnet. Zwischen der Batterieumhausung und den Batteriezellen sind ebenso wie zwischen den Batteriezellen untereinander Zwischenräume vorgesehen. Durch die Zwischenräume strömt die vom Klimagerät konditionierte und durch den Batteriekühlerkanal in die Batterieumhausung geleitete Luft. Die Wärme zwischen der durch die Zwischenräume strömenden Luft und den Wandungen der Batteriezellen wird durch Konvektion übertragen. Die Luft strömt anschließend durch den Auslass der Umhausung zum Luftverteilsystem und wird entweder in die Umgebung abgelassen und/oder in den Fahrgastraum geführt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rückführkanal eine Abzweigung auf, sodass zwei Teilkanäle mit jeweils einer Verschlussklappe ausgebildet sind. Ein erster Teilkanal mündet dabei in den vorderen Bereich des Fahrgastraumes, während der zweite Teilkanal im hinteren Bereich des Fahrgastraumes endet.
Der erste Teilkanal, der das Einströmen der erwärmten Batterieabluft im vorderen Bereich des Fahrgastraumes gewährleistet, ermöglicht eine komplette Durchströmung des Fahrgastraumes beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Frischluftmodus in Richtung der Kabinenentlüftung, welche sich im Heckbereich des Fahrzeuges befindet.
Der zweite Teilkanal, der das Einströmen der erwärmten Batterieabluft im hinteren Bereich des Fahrgastraumes realisiert, erlaubt beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Umluftmodus eine effiziente Durchströmung und damit Erwärmung der Kabine, auch bei geringen Luftdurchsätzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems ist nunmehr dadurch charakterisiert, dass im Klimatisierungssystem konditionierte Luft durch den Batteriekühlerkanal in die Batterieumhausung geleitet wird und innerhalb der Batterieumhausung wärmeübertragende Flächen der Batteriezellen umströmt werden. Die Abluft der Batteriekühlung, das heißt der Luftmassestrom am Auslass der Batterieumhausung, wird während des Betriebes der Batterietemperierung abhängig von der Innentemperatur des Fahrgastraumes und der Umgebungstemperatur des Fahrzeuges zumindest als Teilluftmassestrom durch den Rückführkanal des Luftverteilsystems in den Fahrgastraum geleitet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der in den Fahrgastraum geleitete Luftmassestrom mittels der innerhalb des Rückführkanals und des Abströmkanals angeordneten Verschlussklappen gesteuert. Das vollständige Verschließen der Verschlussklappe im Abströmkanal bewirkt das Strömen des gesamten zur Batteriekühlung genutzten Luftmassestroms durch den Rückführkanal in den Fahrgastraum, wobei die Verschlussklappe im Rückführkanal geöffnet ist. Durch das vollständige Verschließen der Verschlussklappe im Rückführkanal strömt der gesamte Luftmassestrom durch den Abströmkanal in die Umgebung des Fahrzeuges. Dabei ist die Verschlussklappe im Abströmkanal geöffnet. Der aus dem Auslass der Batterieumhausung austretende Luftmassestrom ist jedoch ebenso in zwei Teilluftmasseströme aufteilbar, sodass ein erster Teilluftmassestrom durch die zumindest teilgeöffnete Verschlussklappe des Rückführkanals und durch den Rückführkanal in den Fahrgastraum strömt, während der zweite Teilluftmassestrom durch die ebenfalls zumindest teilgeöffnete Verschlussklappe des Abströmkanals und durch den Abströmkanal in die Umgebung des Fahrzeuges abgelassen wird.
Die Stellungen der Verschlussklappen im Abströmkanal und im Rückführkanal werden abhängig von der Innentemperatur des Fahrgastraumes und der Umgebungstemperatur des Fahrzeuges gesteuert.
Durch die Ausbildung des Rückführkanals mit einer Abzweigung und zwei Teilkanälen mit jeweils einer Verschlussklappe, wobei der erste Teilkanal in den vorderen Bereich und der zweite Teilkanal im hinteren Bereich des Fahrgastraumes endet, wird vorteilhaft sowohl beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Frischluftmodus als auch im Umluftmodus eine effiziente und optimale Durchströmung des Fahrgastraumes verwirklicht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Frischluftmodus Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeuges durch den Frischluftkanal in das Klimatisierungssystem angesaugt, anschließend je nach Bedarf konditioniert und durch den Batteriekühlerkanal zur Batterieumhausung geleitet. Der während des Vorgangs der Batteriekühlung in der Batterieumhausung erwärmte Luftmassestrom wird danach zumindest als Teilluftmassestrom durch den vorderen Teilkanal des Rückführkanals in den Fahrgastraum eingespeist und strömt in Richtung der Kabinenentlüftung im Heckbereich des Fahrzeuges, sodass eine komplette Durchströmung des Fahrgastraumes sichergestellt ist. Der erwärmte Luftstrom erhöht nunmehr die Temperatur im Fahrgastraum.
Beim Betrieb des Klimatisierungssystems im Umluftmodus, als eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wird Umluft aus dem Fahrgastraum durch den Umluftkanal in das Klimatisierungssystem angesaugt, gegebenenfalls konditioniert und anschließend durch den Batteriekühlerkanal der Batterieumhausung zugeführt. Der während des Vorgangs der Batteriekühlung in der Batterieumhausung erwärmte Luftmassestrom wird danach zumindest als Teilluftmassestrom durch den hinteren Teilkanal des Rückführkanals in den Fahrgastraum eingeleitet und strömt in Richtung des Umluftkanals des im Frontbereich des Fahrzeuges angeordneten Klimagerätes. Damit wird auch im Umluftmodus eine effiziente Durchströmung und Erwärmung der Kabine sichergestellt. Die optimale Durchströmung gewährleistet eine Erwärmung des Fahrgastraumes auch bei geringen Luftdurchsätzen.
Die für die Batterietemperierung zu konditionierende Luft wird dabei vorteilhaft entweder durch den Frischluftkanal aus der Umgebung des Fahrzeuges oder durch den Umluftkanal aus dem Fahrgastraum angesaugt und anschließend zum Verdampfer der Klimaanlage des Fahrzeuges geleitet. Alternativ besteht die Möglichkeit, den angesaugten und zu konditionierenden Luftstrom aus einem durch den Frischluftkanal in das Klimatisierungssystem einströmenden Luftstrom sowie einem durch den Umluftkanal aus dem Fahrgastraum einströmenden Luftstrom zu mischen und nachfolgend vermischt zum Verdampfer der Klimaanlage zu führen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die beim Durchströmen des Verdampfers abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft über die Flächen eines Heizwärmeübertragers geleitet und dort erwärmt. Dabei ist es einerseits möglich, einen Teilluftmassestrom mittels einer Temperaturklappe im Bypass um den Heizwärmeübertrager herumzuführen und gleichzeitig einen Teilluftmassestrom zum Heizwärmeübertrager hin zu leiten. Andererseits ist der Gesamtluftmassestrom auch entweder im Bypass um den Heizwärmeübertrager herum oder durch den Heizwärmeübertrager hindurch leitbar. Der Gesamtluftmassestrom ist damit vorteilhaft im Verhältnis zwischen Null und Eins teilbar.
Die erfindungsgemäße Lösung weist mit einem

– einfachen Batteriekühlungssystem mit der Möglichkeit der Vorkonditionierung des Fahrgastraumes unter
– Nutzung vorhandener Wärme und damit der Reduktion der aufzunehmenden Leistung beziehungsweise mit minimalem Energieaufwand,
– mit minimaler Anzahl zusätzlicher Komponenten im Fahrzeug und demzufolge platzsparend und kostengünstig sowie
– unter Gewährleistung maximalen Komforts

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug mit Batteriekühlung und Kühlluftrückführung zur Kabinenaufheizung,
2: Klimagerät mit zusätzlichem Anschluss für die Batteriekühlung.
In 1 wird ein Klimatisierungssystem 1 für ein Fahrzeug mit Batteriekühlung und Kühlluftrückführung zur Kabinenaufheizung dargestellt. Das Klimagerät 2 ist im Cockpit 3, das heißt im Frontbereich des Fahrzeuges beziehungsweise des Fahrgastraumes, angeordnet und weist neben den herkömmlichen Cockpitauslässen 18 im Frontbereich sowie dem Frischluftkanal 12 und dem Umluftkanal 13 einen zusätzlichen Batteriekühlerkanal 7 auf. Das Klimatisierungssystem 1 ist demzufolge mit einem weiteren Auslass für die Batteriekühlung, der in den Batteriekühlerkanal 7 übergeht, versehen.
Die unterhalb des Kabinenbodens 6 des Fahrzeuges gehalterte Batterie ist aus mehreren Batteriezellen 5 ausgebildet, wobei die Batteriezellen 5 innerhalb einer Batterieumhausung 4 als Batterie zusammengefasst angeordnet sind. Zwischen der Batterieumhausung 4 und den Batteriezellen 5 sowie den Batteriezellen 5 untereinander sind Zwischenräume vorgesehen, durch die ein Luftmassestrom geleitet wird. Der Luftmassestrom wird je nach gewünschter Temperatur und Betrieb der Batteriezellen 5 konditioniert. Unter Konditionierung ist hier im Wesentlichen eine Temperierung zu verstehen.
Der Batteriekühlerkanal 7 stellt seinerseits eine Strömungsverbindung vom Klimagerät 2 zur Batterieumhausung 4 her, sodass der konditionierte Luftmassestrom in die Batterieumhausung 4 geleitet werden kann.
Durch ein Parallelschalten der Cockpitauslässe 18 und des Batteriekühlerkanals 7 wird bei hohen Umgebungstemperaturen des Fahrzeuges zum Kühlen der Luft innerhalb des Fahrgastraumes ein Teilstrom der im Klimagerät 2 konditionierten, das heißt abgekühlten, Luft in den Fahrgastraum sowie ein Teilstrom der Luft zur Batterieumhausung 4 geleitet. Damit werden gleichzeitig die Batteriekühlung und die Abkühlung der Luft im Fahrgastraum sichergestellt.
Am Luftauslass der Batterieumhausung 4 ist ein Luftverteilsystem angeordnet. Dieses Luftverteilsystem ermöglicht es, die Abluft der Batteriekühlung entweder durch den Abströmkanal 8 in die Umgebung des Fahrzeuges oder durch den Rückführkanal 10 in den Fahrgastraum zu leiten, sodass die während der Batteriekühlung beim Durchströmen und Überströmen der Batteriezellen 5 vom Luftstrom aufgenommene Wärme in den Fahrgastraum abgegeben wird. Dabei wird die Abluft während des Betriebes der Batteriekühlung abhängig von der Innentemperatur des Fahrgastraumes, der Umgebungstemperatur des Fahrzeuges und dem Luftdurchsatz über den Rückführkanal 10 in den Fahrgastraum geleitet. Damit wird ein erforderliches Abkühlen der Batterie bei gleichzeitiger Wärmeabgabe in den Fahrgastraum realisiert, das heißt die Batterie ist beispielsweise während des Ladevorgangs abkühlbar, während parallel dazu die Luft im Fahrgastraum vorkonditioniert beziehungsweise erwärmt wird.
Der Rückführkanal 10 ist mit einer Abzweigung und zwei Teilkanälen 10a, 10b mit jeweils einer Verschlussklappe 11a, 11b ausgebildet. Der erste Teilkanal 10b mündet dabei in den vorderen Bereich des Fahrgastraumes, während der zweite Teilkanal 10a im hinteren Bereich des Fahrgastraumes endet.
Der Luftmassestrom und dessen Teilung wird mittels der Verschlussklappen 9, 11a, 11b innerhalb des Abströmkanals 8 und des Rückführkanals 10 gesteuert. Durch vollständiges Verschließen der Verschlussklappe 9 wird der gesamte zur Batteriekühlung genutzte Luftmassestrom durch den Rückführkanal 10 in den Fahrgastraum geleitet. Durch vollständiges Verschließen der Verschlussklappen 11a, 11b wird dagegen der gesamte Luftmassestrom durch den Abströmkanal 8 in die Umgebung des Fahrzeuges verbracht.
Für den Austausch der Luft innerhalb des Fahrgastraumes mit der Umgebung ist im hinteren Bereich des Fahrzeuges beziehungsweise im Bereich des Kofferraumes eine Kabinenentlüftung 14 als Öffnung des Fahrgastraumes vorgesehen.
Beim Betrieb des Klimatisierungssystems 1 im Frischluftmodus wird Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeuges durch den Frischluftkanal 12 in das Klimatisierungssystem 1 angesaugt. Nach einer Konditionierung der angesaugten Frischluft innerhalb des Klimagerätes 2 strömt die Luft durch den Batteriekühlerkanal 7 zur Batterieumhausung 4. Innerhalb der Batterieumhausung 4 nimmt die Luft beim Überströmen der Batteriezellen 5 Wärme auf. Der derart erwärmte Luftmassestrom wird anschließend bei geschlossener Verschlussklappe 9 des Abströmkanals 8 und geschlossener Verschlussklappe 11a des hinteren Teilkanals 10a durch den vorderen Teilkanal 10b des Rückführkanals 10 in den Fahrgastraum geleitet. Vom Auslass des vorderen Teilkanals 10b strömt der erwärmte Luftmassestrom unter Durchmischung mit der Luft im Fahrgastraum in Richtung der Kabinenentlüftung 14 im Heckbereich des Fahrzeuges. Auf diese Weise strömt der erwärmte Luftmassestrom vom vorderen Bereich des Fahrgastraumes durch den gesamten Fahrgastraum bis zum Heck des Fahrzeuges, sodass eine komplette Durchströmung des Fahrgastraumes gewährleistet ist.
In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen bezüglich des Fahrzeuges kann das Klimatisierungssystem 1 auch im Umluftmodus betrieben werden. Dadurch ist die Kompressorleistung der Kälteanlage des Klimatisierungssystems 1, insbesondere im Verdampferbetrieb, abhängig von den erforderlichen Temperaturniveaus optimierbar.
Beim Betrieb des Klimatisierungssystems 1 im Umluftmodus wird die Luft aus dem Fahrgastraum durch den Umluftkanal 13 in das Klimatisierungssystem 1 angesaugt. Nach einer Konditionierung der angesaugten Umluft innerhalb des Klimagerätes 2 strömt die Luft durch den Batteriekühlerkanal 7 zur Batterieumhausung 4. Wie beim Betrieb im Frischluftmodus nimmt die Luft innerhalb der Batterieumhausung 4 beim Überströmen der Batteriezellen 5 Wärme auf. Der nunmehr warme Luftmassestrom wird danach bei geschlossener Verschlussklappe 9 des Abströmkanals 8 und geschlossener Verschlussklappe 11b des vorderen Teilkanals 10b durch den hinteren Teilkanal 10a des Rückführkanals 10 in den Fahrgastraum eingespeist. Vom Auslass des hinteren Teilkanals 10a strömt der erwärmte Luftmassestrom unter Durchmischung mit der Luft im Fahrgastraum in Richtung des Umluftkanals 13 des im Frontbereich des Fahrzeuges angeordneten Klimagerätes 2. Da die Umluft im Bereich des Armaturenbretts, das heißt im Frontbereich des Fahrzeuges, aus dem Fahrgastraum in das Klimagerät 2 abgesaugt wird, während die erwärmte Batterieabluft im hinteren Bereich des Fahrgastraumes eingeblasen wird, wird ein gezielter Luftstrom durch den Fahrgastraum und damit ein gezieltes Spülen und Mischen der Luft im Fahrgastraum erreicht.
Auch im Umluftmodus wird damit eine komplette Durchströmung des Fahrgastraumes ermöglicht.
Die Luft wird sowohl im Frischluftmodus als auch im Umluftmodus in unterschiedlichen Ebenen in den Fahrgastraum eingeströmt und aus dem Fahrgastraum abgesaugt, sodass die Heizeffekte auf den gesamten Fahrgastraum ausgeprägt sind.
Die optimale Konditionierung der Luft im Fahrgastraum wird durch die vorteilhafte Durchströmung bei geringen Luftdurchsätzen ermöglicht.
In 2 ist das Klimagerät 2 des Klimatisierungssystems 1 mit dem zusätzlichen Anschluss für die Batteriekühlung, das heißt dem Anschluss des Batteriekühlerkanals 7, dargestellt. Der Batteriekühlerkanal 7 ist im Bereich des Übergangs zum Gehäuse des Klimagerätes 2 mit einer Klappe verschließbar. Die mithilfe des Klimatisierungssystems 1 zu konditionierende Luft wird entweder durch den Frischluftkanal 12 aus der Umgebung des Fahrzeuges oder durch den Umluftkanal 13 aus dem Fahrgastraum aufgenommen und zum Verdampfer 17 der Klimaanlage des Fahrzeuges geleitet. Dabei handelt es sich um eine herkömmliche Fahrzeugklimaanlage, die in unterschiedlichen Ausgestaltungen ausgebildet sein und betrieben werden kann.
Die beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des Verdampfers 17 abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft wird je nach Bedarf über die Flächen eines Heizwärmeübertragers 15 geleitet und dabei erwärmt. Der Luftmassestrom wird dabei nach dem Passieren des Verdampfers 17 mittels einer Temperaturklappe 16 im Bypass um den Heizwärmeübertrager 15 herum oder zumindest ein Teilluftmassestrom zum Heizwärmeübertrager 15 hin geleitet. Zudem besteht die Möglichkeit, den gesamten Luftmassestrom über die Flächen des Heizwärmeübertragers 15 zu führen.
Nachdem der Luftmassestrom mithilfe des Verdampfers 17 und des Heizwärmeübertragers 15 konditioniert wurde, wird er den Cockpitauslässen 18 zugeführt und im konditionierten Zustand in den Fahrgastraum verbracht. Die Steuerung des Luftmassestromes bezüglich der Strömungsrichtung und der Luftmasse wird über Klappen innerhalb der Kanäle zu den Cockpitauslässen 18 gesteuert.
Zudem besteht die Möglichkeit, einen Teilluftmassestrom oder je nach Bedarf und Einstellung den gesamten konditionierten Luftmassestrom innerhalb des zu den Kanälen der Cockpitauslässe 18 parallel geschalteten und den ebenfalls mit einer Klappe verschließbar ausgebildeten Batteriekühlerkanals 7 zur Batterieumhausung 4 zu leiten und zur Batteriekühlung beziehungsweise Temperierung zu nutzen. Der Batteriekühlerkanal 7 führt als Strömungsverbindung vom Klimagerät 2 zur Batterieumhausung 4 den konditionierten Luftmassestrom in die Batterieumhausung 4, wobei der Luftmassestrom im Betrieb der Batteriekühlung die Batterieumhausung 4 im wärmeren Zustand als am Eintritt wieder verlässt.
Bezugszeichenliste

1: Klimatisierungssystem
2: Klimagerät
3: Cockpit
4: Batterieumhausung
5: Batteriezelle
6: Kabinenboden
7: Batteriekühlerkanal
8: Abströmkanal
9: Verschlussklappe
10: Rückführkanal
10a: hinterer Teilkanal
10b: vorderer Teilkanal
11a, 11b: Verschlussklappe
12: Frischluftkanal
13: Umluftkanal
14: Kabinenentlüftung
15: Heizwärmeübertrager
16: Temperaturklappe
17: Verdampfer
18: Cockpitauslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008005754 A1 [0006]
EP 2075873 A1 [0010, 0010]
DE 60007199 T2 [0011]

Claims

Klimatisierungssystem (1) für ein Fahrzeug mit einer Batterie, aufweisend – eine Batterieumhausung (4), in welcher die Batterie angeordnet ist, und – ein Klimagerät (2) einer Klimaanlage zur Konditionierung von Luft für den Fahrgastraum mit – einem Verdampfer (17) eines Kältemittelkreislaufes und einem Heizwärmeübertrager (15), – einem Frischluftkanal (12) zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeuges und einem Umluftkanal (13) zum Ansaugen von Luft aus dem Fahrgastraum, – einem Auslass für konditionierte Luft zur direkten Anbindung der Batterieumhausung (4) an das Klimagerät (2), – einen Batteriekühlerkanal (7) als Strömungsverbindung zwischen dem Klimagerät (2) und der Batterieumhausung (4), wobei – das Klimagerät (2) im Frontbereich des Fahrzeuges angeordnet ist, – die Batterieumhausung (4) einen Auslass aufweist, welcher mit einem Luftverteilsystem verbunden ist, wobei das Luftverteilsystem einen Abströmkanal (8) und einen Rückführkanal (10) aufweist, sodass die Luft vom Auslass der Batterieumhausung (4) in die Umgebung des Fahrzeuges abblasbar und/oder in den Fahrgastraum einleitbar ist, und wobei der Rückführkanal (10) im hinteren Bereich in den Fahrgastraum mündet, – der Batteriekühlerkanal (7), der Abströmkanal (8) und der Rückführkanal (10) jeweils eine Verschlussklappe (9, 11) aufweisen.
Klimatisierungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekühlerkanal (7) an einem Auslass des Klimagerätes (2) angeordnet ist, wobei der Auslass parallel zu Cockpitauslässen (18) geschaltet ist.
Klimatisierungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführkanal (10) eine Abzweigung, einen hinteren Teilkanal (10a) und einen vorderen Teilkanal (10b) aufweist, wobei der hintere Teilkanal (10a) im hinteren Bereich in den Fahrgastraum mündet sowie der vordere Teilkanal (10b) im vorderen Bereich in den Fahrgastraum mündet und dass die Teilkanäle (10a, 10b) jeweils eine Verschlussklappe (11a, 11b) aufweisen.
Klimatisierungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie aus Batteriezellen (5) ausgebildet ist und unterhalb eines Kabinenbodens (6) des Fahrzeuges gehaltert angeordnet ist, wobei zwischen der Batterieumhausung (4) und den Batteriezellen (5) sowie zwischen den Batteriezellen (5) Zwischenräume vorgesehen sind.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Klimatisierungssystem (1) konditionierte Luft durch den Batteriekühlerkanal (7) in die Batterieumhausung (4) geleitet wird und innerhalb der Batterieumhausung (4) wärmeübertragende Flächen der Batteriezellen (5) umströmt, und dass die Abluft der Batteriekühlung während des Betriebes der Batterietemperierung abhängig von der Innentemperatur des Fahrgastraumes und der Umgebungstemperatur des Fahrzeuges zumindest als Teilluftmassestrom durch den Rückführkanal (10) in den Fahrgastraum geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilluftmassestrom in den Fahrgastraum mittels Verschlussklappen (9, 11a, 11b) innerhalb des Abströmkanals (8) und des Rückführkanals (10) gesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Klimatisierungssystems (1) in einem Frischluftmodus – Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeuges durch den Frischluftkanal (12) in das Klimatisierungssystem (1) angesaugt wird, konditioniert wird und anschließend der Batterieumhausung (4) durch den Batteriekühlerkanal (7) zugeführt wird und – der während der Batteriekühlung in der Batterieumhausung (4) erwärmte Luftmassestrom zumindest als Teilluftmassestrom durch den vorderen Teilkanal (10b) des Rückführkanals (10) in den Fahrgastraum eingeleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Klimatisierungssystems (1) in einem Umluftmodus – Umluft aus dem Fahrgastraum durch den Umluftkanal (13) in das Klimatisierungssystem (1) angesaugt wird, konditioniert wird und anschließend der Batterieumhausung (4) durch den Batteriekühlerkanal (7) zugeführt wird und – der während der Batteriekühlung in der Batterieumhausung (4) erwärmte Luftmassestrom zumindest als Teilluftmassestrom durch den hinteren Teilkanal (10a) des Rückführkanals (10) in den Fahrgastraum eingeleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu konditionierende Luft durch den Frischluftkanal (12) aus der Umgebung des Fahrzeuges und/oder durch den Umluftkanal (13) aus dem Fahrgastraum angesaugt und zum Verdampfer (17) der Klimaanlage des Fahrzeuges geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Durchströmen des Verdampfers (17) abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft über die Flächen eines Heizwärmeübertragers (15) geleitet und erwärmt wird, wobei ein Teilluftmassestrom mittels einer Temperaturklappe (16) im Bypass um den Heizwärmeübertrager (15) herum sowie ein Teilluftmassestrom zum Heizwärmeübertrager (15) hin geleitet wird und der Gesamtluftmassestrom im Verhältnis zwischen Null und Eins teilbar ist.