DE102011088737A1 - Elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (1) mit einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (3) und einer Vorrichtung zur Kühlung (5–9) des wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers (3) beschrieben, wobei die Vorrichtung zur Kühlung (5–9) des wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers (3) ein System zur Abführung der Wärme umfasst, und das System zur Abführung der Wärme ein Element (7) umfasst, welches nach dem Prinzip des Wärmerohres arbeitet und wobei mindestens ein Luftleitelement (8) mit mindestens einem dedizierten Luftkanal (9, 10) vor und/oder nach dem mindestens einem Abwärmekonvektor (5) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher und einer Vorrichtung zur Kühlung des Energiespeichers.
  • Stand der Technik
  • Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge benötigen zur Beschleunigung elektrischen Strom mit hoher Stromstärke. Infolge des Innenwiderstandes von Akkumulatoren oder Batterien führt der Strom zu Verlustwärme. Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, besitzen spezifische maximale Arbeitstemperaturen. Oberhalb der Arbeitstemperatur ist ein Betrieb nur eingeschränkt oder gar nicht möglich und es besteht die Gefahr der Zerstörung der Batterie und von damit verbundenen Elementen. Daher ist eine Ableitung der Abwärme nötig. Bei Kraftfahrzeugen dient letztlich die Umgebungsluft zur Aufnahme der Abwärme.
  • Dem Wunsch nach einer, hinsichtlich der Fahreigenschaften, günstigen Anordnung der massereichen Batterie am oder im Fahrzeug sind Grenzen gesetzt, da ihre Positionierung gleichzeitig auch die Anströmung der Batterie durch den Fahrtwind bzw. Kühlluft gewährleisten muss.
  • Weiterhin sind Wärmerohre („Heat Pipes“) bekannt, welche eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzen als ein beliebiges Metall der gleichen Form, da innerhalb der Wärmerohre eine Flüssigkeits-Gas-Zirkulation stattfindet.
  • JP 2000294301 A beschreibt eine Kühleinrichtung für eine Batterie an einem Fahrzeug, um einen unzulässigen Anstieg von Temperatur zu vermeiden, wenn das Fahrzeug fährt oder stoppt, wobei die Kühleinrichtung ein Wärmerohr und einen Radiator als auch einen Ventilator umfasst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein elektrisch antreibbares oder elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher und einer Vorrichtung zur Kühlung desselben, die ein System zur Abführung der Wärme umfasst, welches zumindest ein nach dem Prinzip eines Wärmerohres arbeitendes Element sowie zumindest einen Abwärme-Konvektor umfasst, zur Verfügung gestellt, wobei das System zur Abführung der Wärme ferner zumindest ein Luftleitelement umfasst, welches ausgebildet und angeordnet ist, einen entgegen einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs strömenden Fahrtwind auf den zumindest einen Abwärme-Konvektor zu lenken.
  • Vorteil dieser Ausführung ist, dass der Ort der Wärmequelle, nämlich jener des Energiespeichers, verschieden sein kann vom Ort der Wärmesenke (Fahrtwind). Die örtliche Trennung von Energiespeicher und Kühlung erlaubt eine Anordnung des Energiespeichers im Bereich des Fahrzeugschwerpunktes, wodurch das Lenkverhalten und die Straßenlage des Fahrzeuges verbessert werden können, insbesondere die Geradeauslaufstabilität und Kurvenwilligkeit des Motorrades, während die Kühlvorrichtung unabhängig vom Energiespeicher im Bereich des Fahrtwindes angeordnet werden kann. Bei herkömmlicher Kompaktbauweise von Batterie und Kühlung muss der massereiche Energiespeicher in Kontakt mit dem Fahrtwind in größerer Entfernung zum Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet werden, mit der Folge eines größeren Trägheitsmomentes. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Luftleitelementes, welches eine Leitung des Fahrtwindes auf den Abwärme-Konvektor bewirkt, wird die Abführung von Wärme und somit die Kühlwirkung noch weiter verbessert.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst grundsätzlich folgende Ausführungsmöglichkeiten:
    Das System zur Abführung der Wärme kann ferner eine fremdangetriebene Strömungsmaschine umfassen, welche eingerichtet ist, einen Luftstrom zu erzeugen, welcher zumindest einen Abwärme-Konvektor anströmt. Die Strömungsmaschine kann insbesondere einen elektrisch angetriebenen Ventilator umfassen. Als Vorteil ergibt sich dadurch ein besseres Verhalten der Leistungsübertragung vom Abwärme-Konvektor auf die Kühlluft, z. B. den Fahrtwind. Darüber hinaus gewährleistet die fremd angetriebene Strömungsmaschine, dass in Momenten eines geringen oder ausbleibenden Fahrtwindes eine Luftbewegung durch den Abwärme-Konvektor aktiv erzeugt werden kann und somit die Kühlung z. B. auch beim Stehen an einer roten Ampel sichergestellt werden kann.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das zumindest eine Luftleitelement mindestens einen dedizierten Luftkanal, der angeordnet ist, Luft zum Abwärme-Konvektor zu führen. Das hat den Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeit der unmittelbar am Abwärme-Konvektor strömenden Luft, insbesondere des Fahrtwindes, vergrößert werden kann, um somit die Abwärme-Übertragungsleistung zu erhöhen.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass das Luftleitelement mindestens einen zweiten dedizierten Luftkanal umfasst, der angeordnet ist, Abwärme vom Abwärme-Konvektor weg zu führen. Das hat den Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeit der unmittelbar am Abwärme-Konvektor strömenden Luft, insbesondere des Fahrtwinds, nochmals vergrößert werden kann, um somit die Abwärme-Übertragungsleistung zu erhöhen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System zur Abführung der Wärme eine Kühlplatte, welche in thermischer Verbindung zu dem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher sowie zu dem nach dem Prinzip des Wärmerohres arbeitenden Element steht. Hierdurch kann die Abwärme der Batterie großflächig abgeleitet werden und mittels der großen Fläche die Abwärme-Übertragungsleistung erhöht werden.
  • Bevorzugt ist der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher mit wenigstens einem seiner Volumenelemente im Schwerpunkt des Kraftfahrzeuges angeordnet. Diese Anordnung wirkt sich positiv auf die Fahreigenschaften aus. Dieser Vorteil wird umso ausgeprägter, je dichter der Schwerpunkt des Energiespeichers mit dem Schwerpunkt des Fahrzeugs zusammenfällt.
  • Das Kraftfahrzeug ist in einer Ausgestaltung der Erfindung zweirädrig. Die Erfindung kommt nämlich besonders vorteilhaft bei zweirädrigen Kraftfahrzeugen zum Tragen, insbesondere bei Motorrädern, aber auch bei anderen mehrrädrigen Kraftfahrzeugen, z. B. Hybrid- und Elektrofahrzeugen wie etwa Trikes, Quads oder All Terrain Vehicles (ATVs). Gerade beim Motorrad ist die Verbesserung des Fahrverhaltens infolge der räumlichen Optimierung der Anordnung großer Massen eine wichtige Möglichkeit.
  • Es ist bevorzugt, dass der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst. Dies hat den Vorteil eines günstigen Preis-Masse-Energie-Verhältnisses.
  • Auch ist es möglich, die vorgenannten mehreren Möglichkeiten zum Erhöhen der Abwärme-Übertragungsleistung beliebig zu kombinieren. Das hat den Vorteil, die Gesamt-Abwärme-Übertragungsleistung zu vergrößern.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Gesamtansicht eines Fahrzeugs mit einem Energiespeicher und Kühleinrichtung;
  • 2 einen Energiespeicher mit Kühleinrichtung nach einer ersten Ausgestaltung,
  • 3 einen Energiespeicher mit Kühleinrichtung nach einer zweiten Ausgestaltung,
  • 4 Luftleitelemente nach der Erfindung; und
  • 5 die Anordnung der Luftleitelemente aus 4 innerhalb einer Kühleinrichtung.
  • 1 zeigt ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Fahrzeug, welches im vorliegenden Beispiel als ein (zweirädriges) Motorrad ausgebildet ist, von seiner rechten Seite her betrachtet. Natürlich lässt sich die Erfindung auch bei anderen Fahrzeugen, insbesondere mehrrädrigen Hybrid- und Elektrofahrzeugen wie z. B. Trikes, Quads oder ATVs (All Terrain Vehicles) einsetzen. Der Fahrtwind strömt üblicherweise entgegen der mit Pfeil 11 bezeichneten Fahrtrichtung, es sei denn das Fahrzeug steht oder fährt langsamer als der Rückenwind strömt.
  • Im Bereich eines Schwerpunkts 2 des Motorrads 1 befindet sich ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher 3, der insbesondere der elektrischen Energieversorgung eines nicht näher dargestellten elektrischen Antriebsmotors für das Fahrzeug 1 dient und vorliegend eine Lithium-Ionen-Batterie ist. Die Batterie 3 ist in einem Batteriegehäuse 4 angeordnet. Die Batterie 3 ist ferner mit einer Vorrichtung zur Kühlung 5, 6 wirkverbunden, die nachfolgend noch näher erläutert werden soll. Der Schwerpunkt 2 des Motorrads 1 liegt vorzugsweise innerhalb der Batterie 3. Vorzugsweise liegen der Schwerpunkt 2 des Motorrads 1 sowie ein Schwerpunkt der Batterie 3 so nah wie möglich zusammen. Dies ermöglicht eine bessere Erfüllung von Anforderungen an die Fahrdynamik und die Optimierung der Packungsdichte.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt aus 1, in dem ersichtlich ist, dass die Vorrichtung zur Kühlung einen Abwärme-Konvektor 5 sowie eine innerhalb des Gehäuses 4 angeordnete Kühlplatte 6 umfasst, welche in thermischem Kontakt mit der Batterie 3 steht. Die Kühlplatte 6 sowie der Abwärme-Konvektor 5 sind über ein nach dem Prinzip eines Wärmerohrs (auch als Heat Pipe bezeichnet) arbeitendes Element 7 miteinander verbunden. Wärmerohre besitzen eine bessere Wärmeleitfähigkeit als ein beliebiges homogenes Metall der gleichen äußeren Form, da innerhalb der hermetisch gekapselten Wärmerohre eine Flüssigkeits-Gas-Zirkulation stattfindet. Wärmerohre besitzen typischerweise weder eine Pumpe noch einen Motor, noch Kolben oder Wellen oder sonstige rotierende oder bewegliche Bauteile zur Umwälzung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches. Die durch das Gehäuse 4 umfasste Batterie 3 steht in Verbindung zur Kühlplatte 6. Das Batteriegehäuse 4 ist vorzugsweise in der Schutzart IP6K7 (nach DIN 40050) ausgeführt. Das schützt Lebewesen vor Stromschlag und die Apparatur vor Korrosion, Stromschäden oder Beschädigung.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt des Batteriegehäuses 4 mit darin enthaltenen Batteriezellen 3 und verbundenem Kühlsystem. Dieses umfasst die Kühlplatte 6, welche wiederum mit dem Wärmerohr 7 verbunden ist, welches wiederum mit dem Abwärme-Konvektor 5 verbunden ist. In dieser Ausführungsform sind zwei Wärmerohre 7 und zwei Kühlplatten 6 in Verwendung, da die Batterie 3 zwei übereinander angeordnete Komponenten umfasst. Die Kühlplatten sind jeweils unterhalb der mit Batteriezellen 3 bestückten übereinander befindlichen Komponenten angeordnet, so dass jede Kühlplatte 6 in größter Nähe zur Masse der Batteriezellen 3 und somit in bestem Wärmekontakt zu den Batteriezellen 3 steht. Die zwei Wärmerohre 7 münden in den Abwärme-Konvektor 5. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Wärme gut aus mittleren Volumenbereichen der Batterie abgeleitet werden kann, da die mittleren Bereiche durch thermischen Kontakt mittels Kühlplatten 6, Wärmerohren 7 und Abwärme-Konvektor 5 durch Umgebungsluft gekühlt werden können.
  • 4 zeigt, aus gleicher Richtung auf das Fahrzeug geschaut, zwei Luftleitelemente 8 gemäß vorliegender Erfindung, wobei das Fahrzeug weitgehend ausgeblendet ist und lediglich durch die eine der Figur angedeutete Lenksäule in Relation zu den Luftleitelementen 8 gebracht ist. Das links dargestellte Luftleitelement 8 befindet sich bezüglich der Fahrtrichtung hinter dem Abwärme-Konvektor 5, welcher in 4 nicht gezeigt ist. Das rechts dargestellte Luftleitelement 8 befindet sich bezüglich der Fahrtrichtung vor dem nicht eingezeichneten Abwärme-Konvektor 5. Wenngleich auch eine separate Anordnung des entweder vor oder nach dem Abwärme-Konvektor befindlichen Luftleitelements 8 ebenfalls möglich ist, so sind hier beide Elemente gleichzeitig vorgesehen. Jedes Luftleitelement 8 kann einen oder mehrere dedizierte Luftkanäle 9, 10 umfassen, welche durch räumliche Ausgestaltung definiert werden, um die Kühlluft in ihrer Strömungsrichtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit zu beeinflussen. Insbesondere sind die im vorderen Luftleitelement 8 vorhandenen Luftkanäle 9 so angeordnet, dass diese die Luft zu dem Abwärme-Konvektor 5 leiten, während die in dem hinteren Luftleitelement 8 vorhandenen Luftkanäle 10 die Luft von dem Abwärme-Konvektor 5 ableiten.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Fahrzeug der 1, wobei der linke Teil die Batterie mit Zellen 3 darstellt, welche auf der Kühlplatte 6 steht, die in das Wärmerohr 7 mündet, welches wiederum in den Abwärme-Konvektor 5 mündet. Der Abwärme-Konvektor 5 ist mittels Luftleitelementen 8 zumindest teilweise umbaut. Jedes Luftleitelement 8 ist durch die zuvor erläuterten dedizierten Luftkanäle 9, 10 ausgestaltet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2000294301 A [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 40050 [0024]

Claims (9)

  1. Elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (1) mit einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (3) und einer Vorrichtung (5–9) zur Kühlung desselben, die ein System zur Abführung der Wärme umfasst, welches zumindest ein nach dem Prinzip eines Wärmerohres arbeitendes Element (7) sowie zumindest einen Abwärme-Konvektor (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Abführung der Wärme ferner zumindest ein Luftleitelement (8) umfasst, welches ausgebildet und angeordnet ist, einen entgegen einer Fahrtrichtung (11) des Kraftfahrzeugs (1) strömenden Fahrtwind auf den zumindest einen Abwärme-Konvektor (5) zu lenken.
  2. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das System zur Abführung der Wärme ferner eine fremdangetriebene Strömungsmaschine umfasst, welche eingerichtet ist, einen Luftstrom zu erzeugen, welcher den zumindest einen Abwärme-Konvektor (5) anströmt.
  3. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 2, wobei die fremdangetriebene Strömungsmaschine einen elektrisch angetriebenen Ventilator umfasst.
  4. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Luftleitelement (8) mindestens einen ersten dedizierten Luftkanal (9) umfasst, der angeordnet ist, Luft zum Abwärme-Konvektor (5) zu führen.
  5. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Luftleitelement (8) mindestens einen zweiten dedizierten Luftkanal (9) umfasst, der angeordnet ist, Abwärme vom Abwärme-Konvektor (5) weg zu führen.
  6. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das System zur Abführung der Wärme eine Kühlplatte (6) umfasst, welche in thermischer Verbindung zu dem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher (3) sowie mit dem nach dem Prinzip des Wärmerohres arbeitenden Element (7) steht.
  7. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (3, 4) mit wenigstens einem Volumenelement im Schwerpunkt (2) des Kraftfahrzeuges (1) angeordnet ist.
  8. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug (1) zweirädrig ist.
  9. Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (3, 4) eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst.
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