DE102010034484B4

DE102010034484B4 - Kühlsystem mit einem Thermomanagementmodul

Info

Publication number: DE102010034484B4
Application number: DE102010034484.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Traudt; Michael Bogner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: CN103069697A; CN103069697B; WO2012022507A2; DE102010034484A1; US20130152614A1; WO2012022507A3

Abstract

Kühlsystem für ein Elektrofahrzeug mit einem Thermomanagementmodul, welches an mehrere Komponenten (13, 14, 15) angeschlossen ist, und zur bedarfsgerechten Verteilung von Kühlmittelströmen in einem Elektrofahrzeug vorgesehen ist, mit einer mehrere Ventile (1, 2, 3) umfassenden Ventilanordnung (4) und mit einer Pumpe, welche das Kühlmittel fördert, wobei das Kühlsystem wenigstens einen Kühler (8) in einem ersten Kühlkreis (5) und einen Kühler (12) in einem zweiten Kühlkreis (6) sowie einen Bypass-Kreis (7) aufweist, welcher den Kühler (8) umgeht, wobei das Kühlsystem im Weiteren ein erstes Thermoelement (10) zum Kühlen und ein zweites Thermoelement (11) zum Heizen umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Elektrofahrzeug mit einem Thermomanagementmodul, welches an mehreren Komponenten angeschlossen ist, zur bedarfsgerechten Verteilung von Kühlmittelströmen mit einer mehrere Ventile umfassenden Ventilanordnung. Derzeit befinden sich verschiedene Elektrofahrzeuge in der Entwicklung. Sie umfassen Komponenten, wie beispielsweise Batteriemodule, Leistungselektronik und/oder Elektromotore, die zur Sicherstellung einer optimalen Funktion auf Betriebstemperatur gebracht und/oder gehalten werden müssen. Dabei können die verschiedenen Komponenten verschiedene optimale Betriebstemperaturen aufweisen. Um diesen Belangen gerecht zu werden, weisen Elektrofahrzeuge daher in der Regel mehrere separate Kühlsysteme oder ein zentrales Kühlsystem auf, wobei im letztgenannten Fall jedoch Einbußen im Hinblick auf die zu erwartende Performance und/oder Lebensdauer einzelner eingeschlossener Komponenten in Kauf genommen wird.
Darüber hinaus sind Kühlkreisläufe für Brennkraftmaschinen bekannt, welche eine bedarfsgerechte Verteilung und/oder Mischung von Kühlmittelströmen ermöglichen.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 19849492 A1 geht beispielsweise ein Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine hervor, welcher mit einem Kühler als Wärmetauscher, einer Kühlmittelpumpe und einem den Kühlkreislauf regelnden Steuerglied versehen ist. Der Kühlkreislauf umfasst einen Kühlerkreislauf sowie einen Kurzschlusskreislauf. Ein Steuerventil des Steuerglieds weist je einen Anschluss für den Kühlkreislauf und für den Kurzschlusskreislauf sowie einen Sammelanschluss zur Zu- oder Abfuhr des Kühlmittels zu dem Kühlerkreislauf und zu dem Kurzschlusskreislauf bzw. aus dem Kühlerkreislauf und dem Kurzschlusskreislauf auf. Das Steuerventil ist zudem mit einem Ventilglied versehen, durch das wahlweise eine Sperrstellung den Kühlerkreislauf und den Kurzschlusskreislauf, eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf oder dem Kurzschlusskreislauf und dem Sammelanschluss oder eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf und dem Kurzschlusskreislauf zu dem Sammelanschluss als Mischbetrieb geschaffen wird. Ferner ist ein Heizungskreislauf zuschaltbar, der einen Mischbetrieb zwischen Beheizen und Kühlen ermöglicht. Der vorgeschlagene Kühlkreislauf soll schnell und ohne große Druckverluste mehrere Regelgrößen ermöglichen.
Aus der Patentschrift CH 680579 A5 geht ein Akkumulationsbetriebenes Elektrofahrzeug hervor, dass mit einem Temperaturregelsystem für Akkumulatoren ausgestattet ist, um diese stets auf optimaler Temperatur halten zu können. Das Temperaturregelsystem umfasst im Wesentlichen eine Reihe von Wärmetauschern die zusammen mit einer Pumpe einer elektrischen Heizung und einem Luftkühler zu einem Kreislauf zusammengeschaltet sind.
Aus der US 2010/0100266 A1 ist ein Thermomanagementmodul bekannt, das sowohl zwei Kühlwasserkreisläufe und als auch einen By-pass Kreislauf, aufweist, die sowohl zu- als auch abgeschaltet werden können. In einem der beiden Kreisläufe ist der Wärmetauscher und im anderen die Leistungselektronik für einen Elektromotor angeordnet. Der By-pass ermöglicht es die Kühlflüssigkeit am Elektromotor vorbeizuführen.
Aus der DE 10 2008 054 949 A1 ist ein Verfahren zum Einstellen der Temperatur mindestens eines Batterieelements einer wiederaufladbaren Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem ein Wärmetransfer zwischen dem Batterieelement und einer Wärmekontakteinrichtung mittels einer Wärmetransfereinrichtung erfolgt, wobei die Waermekontakteinrichtung thermisch an mindestens eine im Kraftfahrzeug angeordnete Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung angebunden ist. Es ist vorgesehen, dass die Batterie die Wärmekontakteinrichtung aufweist und der Wärmetransfer als innerhalb der Batterie erfolgende Wärmeleitung mittels der als Wärmeleiteinrichtung ausgebildeten Wärmetransfereinrichtung erfolgt und die Temperatur des Batterieelements durch Steuern und/oder Regeln der Temperatur der Wärmekontakteinrichtung eingestellt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem mit einem Thermomanagementmodul für ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, das die Nutzung eines zentralen Kühlsystems zur Sicherstellung einer optimalen Betriebstemperatur mehrerer unterschiedlicher Komponenten ermöglicht. Das Thermomanagementmodul soll dabei eine bedarfsgerechte Erhitzung oder Kühlung der Kühlmittelströme und deren bedarfsgerechte Verteilung, an die jeweiligen Komponenten sicherstellen.
Die Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit einem Thermomanagementmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das zur bedarfsgerechten Verteilung von Kühlmittelströmen in einem Elektrofahrzeug vorgeschlagene Kühlsystem besitzt ein Thermomanagementmodul mit einer mehrere Ventile umfassenden Ventilanordnung. Erfindungsgemäß sind ein erstes Ventil zum Schalten eines ersten Kühlkreises und ein zweites Ventil zum Schalten eines zweiten Kühlkreises sowie ein drittes Ventil zum Schalten eines Bypass-Kreises vorgesehen, wobei der Bypass-Kreis ein Umgehen eines im ersten Kühlkreis angeordneten Kühlers ermöglicht. Das vorgeschlagene Thermomanagementmodul ermöglicht somit einen Mischbetrieb, der ein Mischen der Kühlmittelströme des ersten Kühlkreises, des zweiten Kühlkreises und/oder des Bypass-Kreises ermöglicht. Ferner kann über die beiden Kühlkreise eine Verteilung der Kühlmittelströme auf verschiedene Komponenten des Elektrofahrzeugs erfolgen. Derartige Komponenten können beispielsweise ein Batteriemodul, ein Elektromotor und/oder eine Leistungselektronik sein. Da die optimale Betriebstemperatur einer Komponente von der einer anderen Komponente abweichen kann, werden die Komponenten ihrem Bedarf entsprechend jeweils einem der beiden Kühlkreise zugeordnet, wobei sich das Temperaturniveau der beiden Kühlkreise sich vorzugsweise unterscheidet. Der Anschluss eines weiteren Kühlkreises ist bei Bedarf ebenfalls möglich. Das Kühlsystem umfasst ferner eine Pumpe zum Fördern des Kühlmittels. Vorzugsweise ist die Pumpe in einem gemeinsamen Gehäuse mit den Ventilen der Ventilanordnung angeordnet. Alternativ kann jedoch auch eine in einem eigenen Gehäuse untergebrachte Pumpe vorgesehen sein, die mit dem Thermomanagementmodul verbindbar ist.
Weiterhin umfasst das Kühlsystem wenigstens ein Thermoelement zum Kühlen und/oder Heizen des Kühlmittels. Der Einsatz wenigstens eines Thermoelementes erlaubt somit auch eine Erwärmung des Kühlmittels, um beispielsweise eine Komponente des Elektrofahrzeugs, insbesondere ein Batteriemodul, bei Kaltstart schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Um wahlweise ein Kühlen oder Heizen zu ermöglichen, ist vorzugsweise ein Thermoelement im Bypass-Kreis angeordnet, welcher ein Umgehen des Kühlers des ersten Kühlerkreises ermöglicht. Als Thermoelement kann beispielsweise ein Peltier-Element eingesetzt werden.
Das zur Lösung vorgeschlagene Kühlsystem für ein Elektrofahrzeug umfasst ein Thermomanagementmodul zur bedarfsgerechten Verteilung von Kühlmittelströmen an mehrere angeschlossene Komponenten, insbesondere ein Batteriemodul, einen Elektromotor und/oder eine Leistungselektronik, wobei das Kühlsystem wenigstens einen Kühler in einem ersten Kühlkreis und/oder in einem zweiten Kühlkreis sowie einen Bypass-Kreis zum Umgehen des Kühlers umfasst.
Als Bestandteil eines solchen Kühlsystems stellt auch hier das Thermomanagementmodul die bedarfsgerechte Verteilung der Kühlmittelströme an mehrere Komponenten sicher. Bei den Komponenten handelt es sich vorzugsweise um ein Batteriemodul, einen Elektromotor und/oder eine Leistungselektronik. Dabei ist das Batteriemodul an das Kühlsystem vorzugsweise über den ersten Kühlkreis bzw. den Bypass-Kreis und die weiteren Komponenten über den zweiten Kühlkreis angeschlossen. Dem Batteriemodul kann demnach der Kühlmittelstrom des ersten Kühlkreises oder des Bypass-Kreises zugeführt werden, während der Kühlmittelstrom des zweiten Kühlkreises zu den anderen Komponenten gelangt.
Zum Fördern des Kühlmittels umfasst das Kühlsystem vorzugsweise eine zentrale Pumpe. Die Pumpe kann Bestandteil des Thermomanagementmoduls sein und dabei innerhalb oder außerhalb des Gehäuses des Thermomanagementmoduls angeordnet sein. Da die Kühlmittelströme über die Ventilanordnung im Thermomanagementmodul zusammengeführt werden können, genügt eine Pumpe für mehrere an das Thermomodul angeschlossene Kreisläufe.
Weiterhin bevorzugt umfasst das Kühlsystem wenigstens ein Thermoelement zum Kühlen und/oder Heizen. Beispielsweise kann wenigstens ein Thermoelement ein Peltier-Element sein. Alternativ ist auch der Einsatz anderer kombinierbarer Heiz- und Kühlvorrichtungen möglich. Darüber hinaus können auch zwei Thermoelemente vorgesehen sein, von denen das eine der Erwärmung und das andere der Kühlung des Kühlmittels dient. Auch das Thermoelement bzw. die Thermoelemente können Bestandteil des Thermomanagementmoduls sein. Darüber hinaus können die Thermoelemente in einem eigenen mit dem Thermomanagementmodul verbindbaren Gehäuse oder im Gehäuse des Thermomanagementmoduls angeordnet sein.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Kühlsystem ein erstes Thermoelement zum Kühlen und ein zweites Thermoelement zum Heizen sowie eine Ventilanordnung zum Schalten der Kühlmittelströme der Thermoelemente. Bei Einsatz zweier Thermoelemente, von denen jeweils ein Element für die zusätzliche Heizleistung und das andere Element im Bedarfsfall für die zusätzliche Kühlleistung verantwortlich sind, kann über die zusätzliche Ventilanordnung die Aktivierung bzw. Deaktivierung des jeweils benötigten Kreises bewirkt werden. Die Ventilanordnung kann hierzu ein Umschaltventil oder alternativ zwei unabhängig schaltbare Regelventile umfassen. Vorzugsweise ist auch die zusätzliche Ventilanordnung Bestandteil des Thermomanagementmoduls.
Das vorgeschlagene Thermomanagementmodul stellt eine bedarfsgerechte Verteilung der Kühlmittelströme für die jeweils angeschlossenen Komponenten eines Elektrofahrzeugs durch ein zentrales Kühlsystem sicher. Zugleich ermöglicht das Thermomanagementmodul einen Mischbetrieb, welcher neben einer Kühlung des Kühlmittels auch eine Erwärmung ermöglicht. Insoweit ist das vorgeschlagene Kühlsystem mit einem solchen Thermomanagementmodul auch zum Vorwärmen eines Batteriemoduls bei Kaltstart des Elektrofahrzeugs einsetzbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, und
3 eine schematische Darstellung eines weitern erfindungsgemäßen Kühlsystems mit jeweils einem erfindungsgemäßen Thermomanagementmodul.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform eines Kühlsystems zur Sicherstellung der optimalen Betriebstemperatur mehrere Komponenten 13, 14 und 15 eines Elektrofahrzeugs umfasst einen ersten Kühlkreis 5, einen zweiten Kühlkreis 6 sowie einen Bypass-Kreis 7, deren Kühlmittelströme über eine Ventilanordnung 4 schaltbar sind. Die Ventilanordnung 4 umfasst drei Ventile 1, 2, 3, von denen jedes Ventil einem Kühlkreis bzw. Bypass-Kreis zugeordnet ist. Damit ist je nach Schaltstellung der Ventile 1, 2, 3 der Ventilanordnung 4 das Zu- oder Abschalten eines Kühlkreises bzw. Bypass-Kreises möglich. Der Bypass-Kreis 7 ermöglicht die Umgehung eines im ersten Kühlkreis 5 angeordneten Kühlers 8, so dass über den Bypass-Kreis 7 ein Kühlmittelstrom zuschaltbar ist, der gegenüber dem des ersten Kühlkreises 5 wärmer ist. Um das Kühlmittel ggf. zusätzlich zu erwärmen, kann ferner ein Thermoelement 10 im Bypass-Kreis 7 angeordnet sein. Um das über den Bypass-Kreis 7 erwärmte oder den Kühlkreis 5 gekühlte Kühlmittel einer angeschlossenen Komponente 13, vorliegend einem Batteriemodul 13, zuzuführen, weist das Kühlsystem der 1 zudem eine Pumpe 9 auf. Die Pumpe 9 ist derart im Kühlsystem angeordnet, dass eine weitere Pumpe für den zweiten Kühlkreis 6 entbehrlich ist. Über die Pumpe 9 wird demnach das Kühlmittel auf die beiden Kühlkreise 5, 6 bzw. den Bypass-Kreis 7 verteilt. Die Temperierung des Kühlmittels erfolgt dann durch einen oder mehrere Kühler, die jeweils den Kühlkreisen 5, 6 zugeordnet sind und/oder durch das Thermoelement 10, welches im Bypass-Kreis 7 angeordnet ist. Bei den im zweiten Kühlkreis 6 angeordneten Komponenten 14, 15 handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor 14 und eine Leistungselektronik 15, welche über einen jedenfalls im zweiten Kühlkreis 6 angeordneten Kühler 12 zwecks Kühlung mit gekühltem Kühlmittel versorgt werden.
Das Thermomanagementmodul des Kühlsystems der 1 umfasst wenigstens die drei Ventile 1, 2, 3 der Ventilanordnung 4 zum Schalten der Kühlmittelströme der Kühlkreise 5, 6 bzw. des Bypass-Kreises 7. Darüber hinaus kann das Thermomanagementmodul auch die Pumpe 9 umfassen. Ferner ist es möglich, das Thermoelement 10 in das Thermomanagementmodul zu integrieren. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Anordnung geschaffen werden.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems ist in der 2 schematisch dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 1 weist das erfindungsgemäße Kühlsystem nicht nur ein Thermoelement 10, sondern zwei Thermoelemente 10, 11 auf, von denen das Thermoelement 10 zum Kühlen und das Thermoelement 11 zum Erwärmen des Kühlmittels eingesetzt wird. Über eine Ventilanordnung 16, welche vorliegend ein Umschaltventil ist, wird entweder das Thermoelement 10 oder das Thermoelement 11 zu- oder abgeschaltet. Somit kann eine zusätzliche Kühlleistung oder eine Heizleistung bewirkt werden, wobei letztere vorzugsweise dann genutzt wird, wenn der Bypass-Kreis 7 über das Ventil 3 der Ventilanordnung 4 geschaltet und der erste Kühlkreis 5 über das Ventil 1 der Ventilanordnung 4 gesperrt ist. Damit kann der Komponente 13, bei der es sich wiederum um ein Batteriemodul 13 handelt, gezielt derart temperiertes Kühlmittel zugeführt werden, dass beispielsweise bei extrem kalten Temperaturen (Winterbetrieb) das Batteriemodul 13 vorgewärmt wird. In diesem Fall ist vorzugsweise lediglich der Bypass-Kreis 7 aktiv. Das zweite Thermoelement 11 stellt demgegenüber eine zusätzliche Kühlleistung zur Verfügung, mittels welcher das Batteriemodul 13 weiter heruntergekühlt werden kann, sollte die Kühlleistung des Kühlers 8 nicht genügen.
Die Ausführungsform der 3 stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform der 2 dar und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass die Ventilanordnung 16 anstelle eines Umschaltventils zwei unabhängig schaltbare Ventile 17, 18 in Form von Regelventilen umfasst. Die Ventilanordnung 16 ermöglicht somit ein Mischen der Kühlmittelströme der Thermoelemente 10, 11, so dass das Temperaturniveau im Bypass-Kreis 7 und/oder im ersten Kühlkreis 5 beliebig einstellbar ist.
Unabhängig von den zwei schematisch dargestellten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kühlsystems sind weitere Ausgestaltungen möglich, die nur geringfügige Abwandlungen erfordern. Die Erfindung erstreckt sich auch auf derartige Ausgestaltungen. Beispielsweise kann der Kühler 12 im zweiten Kühlkreis 6 entfallen und die Kühlleistung allein über den Kühler 8 im ersten Kühlkreis 5 bewirkt werden. Ferner können mehr oder weniger Komponenten 13, 14, 15 an das Kühlsystem angeschlossen sein. Schließlich kann ein weiterer Kühlkreis und/oder Bypass-Kreis in das Kühlsystem integriert werden. In diesem Fall umfasst die Ventilanordnung 4 ein dem weiteren Kühlkreis zugeordnetes Ventil, um diesen zu- oder abzuschalten.
Bezugszeichenliste

1: Ventil
2: Ventil
3: Ventil
4: Ventilanordnung
5: Kühlkreis
6: Kühlkreis
7: Bypass-Kreis
8: Kühler
9: Pumpe
10: Thermoelement
11: Thermoelement
12: Kühler
13: Komponente, Batteriemodul
14: Komponente, Elektromotor
15: Komponente, Leistungselektronik
16: Ventilanordnung
17: Ventil
18: Ventil

Claims

Kühlsystem für ein Elektrofahrzeug mit einem Thermomanagementmodul, welches an mehrere Komponenten (13, 14, 15) angeschlossen ist, und zur bedarfsgerechten Verteilung von Kühlmittelströmen in einem Elektrofahrzeug vorgesehen ist, mit einer mehrere Ventile (1, 2, 3) umfassenden Ventilanordnung (4) und mit einer Pumpe, welche das Kühlmittel fördert, wobei das Kühlsystem wenigstens einen Kühler (8) in einem ersten Kühlkreis (5) und einen Kühler (12) in einem zweiten Kühlkreis (6) sowie einen Bypass-Kreis (7) aufweist, welcher den Kühler (8) umgeht, wobei das Kühlsystem im Weiteren ein erstes Thermoelement (10) zum Kühlen und ein zweites Thermoelement (11) zum Heizen umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem ein erstes Thermoelement (10) zum Kühlen und ein zweites Thermoelement (11) zum Heizen sowie eine Ventilanordnung (16) zum Schalten der Kühlmittelströme der Thermoelemente (10, 11) umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (16) ein Umschaltventil oder zwei unabhängig schaltbare Ventile (17, 18) umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei unabhängig schaltbaren Ventile (17, 18) zwei unabhängig schaltbare Regelventile umfassen.