DE102011090001B4 - Cooling system of an electrical energy storage system, motor vehicle with an energy storage system, and method for cooling an energy storage system - Google Patents
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Abstract
Kühlsystem zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems (118) eines Kraftfahrzeugs (100), insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs (100), das Kühlsystem aufweisendeinen Fluidkanal (110) zum Leiten eines Kühlfluids zu einer Elektromaschine (120) des Kraftfahrzeugs (100) zur Erzeugung eines Vortriebs des Kraftfahrzeugs,eine Aufnahmevorrichtung (116), welche in dem Fluidkanal (110) angeordnet ist, wobei die Aufnahmevorrichtung (116) derart ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems (118) aufnehmbar und von einem durch den Fluidkanal (110) strömenden Kühlfluid kühlbar ist, undeine Ventilationseinrichtung (122), welche in dem Fluidkanal (110) angeordnet ist und welche eingerichtet ist, das Kühlfluid zunächst zu der Aufnahmevorrichtung (116) zum Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems (118) und dann zu der Elektromaschine (120) zum Kühlen der Elektromaschine (120) zu leiten,dadurch gekennzeichnet, dassdie Ventilationseinrichtung (122) mechanisch mit einem Rotor der Elektromaschine (120) gekoppelt ist.Cooling system for cooling an electrical energy storage system (118) of a motor vehicle (100), in particular a hybrid or an electric vehicle (100), the cooling system having a fluid channel (110) for conducting a cooling fluid to an electric machine (120) of the motor vehicle (100) for generation propulsion of the motor vehicle, a receiving device (116) which is arranged in the fluid channel (110), the receiving device (116) being designed in such a way that at least a part of the electrical energy storage system (118) can be received and transported by a person passing through the fluid channel (110 ) flowing cooling fluid can be cooled, and a ventilation device (122), which is arranged in the fluid channel (110) and which is set up to direct the cooling fluid first to the receiving device (116) for cooling the electrical energy storage system (118) and then to the electric machine (120 ) for cooling the electric machine (120), characterized in that the ventilation means ung (122) is mechanically coupled to a rotor of the electric machine (120).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiert der Kühlung von elektrischen Komponenten und insbesondere der Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in einem Hybrid- oder einem Elektrofahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Kühlsystem sowie ein Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems eines Kraftfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug, mit einem derartigen Kühlsystem.The present invention relates to the technical field of cooling electrical components and in particular cooling an electrical energy storage system in a motor vehicle and in particular in a hybrid or an electric vehicle. The present invention relates in particular to a cooling system and a method for cooling an electrical energy storage system of a motor vehicle. The present invention also relates to a motor vehicle, in particular a hybrid or an electric vehicle, with such a cooling system.
Der Umfang der Implementierung von elektrischen und elektronischen Funktionalitäten in Kraftfahrzeugen ist in der Vergangenheit stark gewachsen. In der Zukunft ist eine Fortsetzung dieses Trends zu erwarten. Insbesondere der Wunsch nach Elektromobilität wird zukünftig wohl für einen deutlichen ansteigenden Durchsatz von elektrischer Energie in den Bordnetzen moderner Kraftfahrzeuge verantwortlich sein.The extent of the implementation of electrical and electronic functionalities in motor vehicles has grown significantly in the past. This trend is expected to continue in the future. In particular, the desire for electromobility will probably be responsible for a significant increase in the throughput of electrical energy in the on-board networks of modern motor vehicles in the future.
Eine klassische Betriebsstrategie in einem Hybrid- oder einem Elektrofahrzeug ist das Zwischenspeichern und sog. Rekuperieren von Bremsenergie in einem oder in mehreren elektrischen Energiespeichern, um die Bremsenergie zu einem späteren Zeitpunkt für einen erneuten elektrischen Vortrieb einsetzen zu können. Die rekuperierte Energie wird zu diesem Zweck vorübergehend in geeigneten elektrochemischen und/oder elektrostatischen Energiespeichern gespeichert. Bei einem elektrochemischen Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie mit vorzugsweise einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen erfolgt dabei (a) im Falle einer Ladung eine Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und (b) im Falle einer Entladung eine Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Bei einem elektrostatischen Energiespeicher wie zum Beispiel einem sog. Doppelschichtkondensator erfolgt eine elektrische Ladung bzw. eine elektrische Entladung von bevorzugt mehreren Doppelschichtkondensatoren.A classic operating strategy in a hybrid or an electric vehicle is the temporary storage and so-called recuperation of braking energy in one or more electrical energy stores in order to be able to use the braking energy at a later point in time for renewed electrical propulsion. For this purpose, the recuperated energy is temporarily stored in suitable electrochemical and/or electrostatic energy stores. In an electrochemical energy store such as a battery, preferably with a plurality of energy storage cells connected in series and/or in parallel, (a) in the case of charging, electrical energy is converted into chemical energy and (b) in the case of discharging, chemical energy is converted energy into electrical energy. In the case of an electrostatic energy store such as, for example, what is known as a double-layer capacitor, an electric charge or an electric discharge of preferably a plurality of double-layer capacitors takes place.
Insbesondere die elektrochemischen Energieumwandlungsprozesse sind je nach genutztem Typ von Akkumulator und dessen jeweiliger Zellenchemie mit Verlusten behaftet, die eine Erwärmung und damit eine Änderung der Enthalpie des betreffenden Energiespeichers zur Folge haben.In particular, the electrochemical energy conversion processes are associated with losses, depending on the type of battery used and its respective cell chemistry, which result in heating and thus a change in the enthalpy of the energy store in question.
Zusätzlich entsteht eine Verlustwärme (a) beim zyklischen Betrieb elektrochemischer Energiespeicher und (b) durch die stets vorhandenen ohmschen Widerstände beispielsweise des Zelleninnenwiderstand und/oder von elektrischen Interzellverbindungsleitungen. Somit sind abhängig von der anfallenden elektrischen Verlustleistung in einem elektrochemischen Energiespeicher eine Erwärmung und ein Temperaturanstieg im Betrieb unvermeidlich, sofern nicht eine effiziente Kühlung eingesetzt wird.In addition, heat loss occurs (a) during cyclic operation of electrochemical energy stores and (b) due to the ohmic resistances that are always present, for example the internal cell resistance and/or electrical intercell connecting lines. Thus, depending on the electrical power loss occurring in an electrochemical energy store, heating and a temperature rise during operation are unavoidable unless efficient cooling is used.
Um eine hohe Betriebssicherheit insbesondere eines elektrochemischen Energiespeichers zu gewährleisten und einen vorzeitigen Ausfall des Energiespeichers durch Alterung von Energiespeicherzellen (z. B. Lithium-Ionen-, NiMH-, NiZn-, NiCd-, Blei-Säure-Zellen etc.) zu vermeiden, welche Alterung besonders bei hohen Temperaturen aufgrund des bekannten Gesetztes von Arrhenius sehr schnell verläuft, ist ein thermisches Management mit einer entsprechenden Kühlung sämtlicher Energiespeicherzellen notwendig.In order to ensure a high level of operational reliability, in particular of an electrochemical energy storage device, and to avoid premature failure of the energy storage device due to aging of energy storage cells (e.g. lithium-ion, NiMH, NiZn, NiCd, lead-acid cells, etc.), which aging occurs very quickly, particularly at high temperatures due to the well-known Arrhenius law, thermal management with appropriate cooling of all energy storage cells is necessary.
Die Kühlung kann beispielsweise in Form einer Flüssigkühlung oder einer Luftkühlung ausgeführt sein. Dabei durchströmt bei einer Luftkühlung das Kühlmedium Luft mit einer entsprechend niedrigeren Temperatur den Energiespeicher und führt dabei Verlustwärme ab. Üblicherweise wird der entsprechende Luftstrom über ein Gebläse bedarfsgerecht erzeugt.The cooling can be implemented, for example, in the form of liquid cooling or air cooling. In the case of air cooling, the cooling medium air flows through the energy store at a correspondingly lower temperature and dissipates heat loss in the process. The corresponding air flow is usually generated as required by a blower.
Um ein Verschmutzen der zu kühlenden Oberflächen des Energiespeichers zu vermeiden, ist es bekannt, die angesaugte Umgebungsluft durch einen Filter von Schmutzpartikeln zu befreien. Somit wird einem vorzeitigen Ausfall bzw. einer Herabsetzung der Performanz eines elektrischen Energiespeichersystems entgegen gewirkt.In order to avoid contamination of the surfaces of the energy store that are to be cooled, it is known to use a filter to remove dirt particles from the ambient air that is sucked in. This counteracts premature failure or a reduction in the performance of an electrical energy storage system.
Die
In der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes und kostengünstiges Kühlsystem anzugeben.The invention is based on the object of specifying a simplified and cost-effective cooling system.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kühlsystem zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs, beschrieben. Das beschriebene Kühlsystem weist auf (a) einen Fluidkanal zum Leiten eines Kühlfluids zu einer Elektromaschine des Kraftfahrzeugs und (b) eine Aufnahmevorrichtung, welche in dem Fluidkanal angeordnet ist, wobei die AufnahmeVorrichtung derart ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems aufnehmbar und von einem durch den Fluidkanal strömenden Kühlfluid kühlbar ist.According to a first aspect of the invention, a cooling system for cooling an electric Energy storage system of a motor vehicle, in particular a hybrid or an electric vehicle described. The cooling system described has (a) a fluid channel for conducting a cooling fluid to an electric motor of the motor vehicle and (b) a receiving device which is arranged in the fluid channel, the receiving device being designed in such a way that at least part of the electrical energy storage system can be received and a cooling fluid flowing through the fluid channel can be cooled.
Dem beschriebenen Kühlsystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Kühlfluid, welches in einem Kraft- und insbesondere in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug bereits dazu verwendet wird, eine Elektromaschine zu kühlen, auch noch dazu verwendet werden kann, zumindest einen Teil eines elektrischen Energiespeichersystems des Kraftfahrzeugs zu kühlen. Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem kann somit auf vorteilhafte Weise ein in einem Kraftfahrzeug ohnehin bereits vorhandener Fluidstrom zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet werden.The cooling system described is based on the finding that a cooling fluid, which is already used in a motor vehicle and in particular in a hybrid or electric vehicle to cool an electric machine, can also be used to cool at least part of an electrical energy storage system of the motor vehicle to cool. With the cooling system according to the invention, a fluid flow that is already present in a motor vehicle can thus be used in an advantageous manner for cooling the electrical energy storage system.
Bei dem beschriebenen Kühlsystem wird somit eine in einem Kraftfahrzeug ohnehin vorhandene Fluidströmung zusätzlich für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet. Ein eigens für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendetes Gebläse ist daher nicht erforderlich. Aus diesem Grund trägt das beschriebene Kühlsystem auch zu einer Reduzierung der Anzahl an für eine Kühlung des Energiespeichersystems erforderlichen Komponenten und damit auch zu einem entsprechenden Kostenvorteil bei der Realisierung einer Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems bei. Außerdem kann sich durch eine Komponentenreduktion auch ein Bauraumvorteil bei der räumlichen Gestaltung eines Kraftfahrzeugs ergeben.In the cooling system described, a fluid flow that is already present in a motor vehicle is therefore additionally used for cooling the electrical energy storage system. A fan used specifically for cooling the electrical energy storage system is therefore not required. For this reason, the cooling system described also contributes to a reduction in the number of components required for cooling the energy storage system and thus also to a corresponding cost advantage when cooling the electrical energy storage system. In addition, a reduction in components can also result in an advantage in installation space in the spatial design of a motor vehicle.
Im Vergleich zu einer Luftkühlung, welche lediglich durch einen Fahrtwind des Kraftfahrzeugs bereitgestellt ist, kann das beschriebene Kühlsystem auch dann auf effektive Weise zum Einsatz kommen, wenn kein oder wenn lediglich ein geringer Fahrtwind vorhanden ist. Kein oder lediglich ein geringer Fahrwind treten beispielsweise dann auf, wenn das Kraftfahrzeug gar nicht in Bewegung ist oder wenn sich das Kraftfahrzeug zusammen mit dem Wind fortbewegt. Auch bei einer (im Mittel) sehr langsamen Fahrt wie beispielsweise in einem sog. „Stop and Go“ Verkehr kann es möglich sein, dass bei einer Fahrtwind-Kühlung pro Zeiteinheit keine ausreichende Menge an Kühlluft an dem elektrischen Energiespeichersystem vorbeistreicht und somit keine ausreichende Kühlleistung erreicht wird. In diesem Zusammenhang hat ein von einem ohnehin bereits vorhandenen Kühlfluidstrom gespeistes Kühlsystem gegenüber einem vom Fahrtwind gespeisten Kühlsystem den Vorteil, dass, solange sich die Elektromaschine im Betrieb befindet, stets eine ausreichende Menge des Kühlfluids für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems vorhanden ist.In comparison to air cooling, which is only provided by the airflow from the motor vehicle, the cooling system described can also be used effectively when there is no airflow or only a slight airflow. No driving wind or only a slight driving wind occurs, for example, when the motor vehicle is not moving at all or when the motor vehicle is moving along with the wind. Even when driving (on average) very slowly, such as in stop-and-go traffic, it may be the case that airflow cooling does not allow a sufficient amount of cooling air to flow past the electrical energy storage system per unit of time, and therefore insufficient cooling capacity is reached. In this context, a cooling system fed by a flow of cooling fluid that is already present has the advantage over a cooling system fed by the relative wind that, as long as the electric machine is in operation, there is always a sufficient quantity of cooling fluid for cooling the electrical energy storage system.
Unter dem Begriff „Fluidkanal“ können in diesem Zusammenhang alle Komponenten des Kraftfahrzeugs verstanden werden, welche das Kühlfluid führen, das für die Kühlung der Elektromaschine verwendet wird oder für die Kühlung der Elektromaschine verwendet werden kann.In this context, the term “fluid duct” can be understood to mean all components of the motor vehicle that carry the cooling fluid that is used for cooling the electric machine or can be used for cooling the electric machine.
Unter dem Begriff „Elektromaschine“ können in diesem Dokument alle Vorrichtungen verstanden werden, welche elektrische Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Demzufolge kann eine Elektromaschine ein Elektromotor sein, welcher beispielsweise in einem Hybridfahrzeug zur Unterstützung eines Verbrennungsmotors und in einem reinen Elektrofahrzeug zur Erzeugung eines Vortriebs verwendet wird. Ferner kann in diesem Zusammenhang eine Elektromaschine ein Generator sein, welcher beispielsweise aus einer Bremsenergie elektrische Energie erzeugt, die in einem elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert wird.In this document, the term “electrical machine” can be understood to mean all devices which convert electrical energy into mechanical energy and/or, conversely, mechanical energy into electrical energy. Accordingly, an electric machine can be an electric motor, which is used, for example, in a hybrid vehicle to support an internal combustion engine and in a purely electric vehicle to generate propulsion. Furthermore, in this context, an electric machine can be a generator which, for example, generates electrical energy from braking energy, which is temporarily stored in an electrical energy store.
Um sowohl eine effiziente Fluidkühlung des elektrischen Energiespeichersystems als auch ein einwandfreies Arbeiten der Elektromaschine des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten, sollte sowohl der Fluidkanal als auch die Aufnahmevorrichtung gegenüber der Umgebung abgedichtet sein.In order to ensure both efficient fluid cooling of the electrical energy storage system and problem-free operation of the motor vehicle's electric machine, both the fluid channel and the receiving device should be sealed off from the environment.
Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Kühlsystem wird anstelle einer klassischen ausschließlich auf das elektrische Energiespeichersystem ausgelegten Kühlung ein Kühlfluid, welches für die Kühlung der Elektromaschine verwendet wird, zuerst an dem elektrischen Energiespeichersystem vorbei geleitet. Um hierbei einen guten Wärmetransport (von dem Energiespeichersystem zu dem Kühlfluid) zu gewährleisten, können spezielle Wärmetauschstrukturen wie z. B. Kühlfinnen, Kühlkörper, etc. verwendet werden. Die beschriebene thermodynamische Kopplung zwischen der Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems und der Kühlung der Elektromaschine wird insbesondere dadurch begünstigt, dass sich typischerweise das elektrische Energiespeichersystem und insbesondere ein elektrochemischer Energiespeicher des elektrischen Energiespeichersystems im Betrieb nur geringfügig erwärmen darf, um eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten. In der Regel wird hier eine Erwärmung von weniger als 20 K gegenüber der Umgebung angestrebt. Damit hat das Kühlfluid zu Kühlung der Elektromaschine noch ausreichend tiefe Temperaturen, da hier der Betriebstemperaturbereich zwischen 80°C und 120°C liegt, während bei dem elektrischen Energiespeichersystem und insbesondere dessen elektrochemischen Energiespeicher Temperaturen von ungefähr 40°C als optimal erachtet werden.In the cooling system described in this document, instead of classic cooling designed exclusively for the electrical energy storage system, a cooling fluid that is used to cool the electric machine is first routed past the electrical energy storage system. In order to ensure good heat transport (from the energy storage system to the cooling fluid), special heat exchange structures such as B. cooling fins, heat sinks, etc. can be used. The described thermodynamic coupling between the cooling of the electrical energy storage system and the cooling of the electric machine is particularly favored by the fact that typically the electrical energy storage system and in particular an electrochemical energy store of the electrical energy storage system may only heat up slightly during operation in order to ensure a long service life. As a rule, a warming of less than 20 K compared to the environment is aimed for. This means that the cooling fluid for cooling the electric machine still has sufficiently low temperatures, since the operating temperature range between between 80°C and 120°C, while in the electrical energy storage system and in particular its electrochemical energy storage, temperatures of around 40°C are considered optimal.
Die beschriebene Aufnahmevorrichtung kann nicht nur derart ausgebildet sein, zumindest ein Teil eines bestimmten elektrischen Energiespeichersystems in einer festen räumlichen Position bzw. Anordnung aufzunehmen. Die Aufnahmevorrichtung kann ggf. auch derart ausgestaltet sein, dass eine flexible und/oder vom jeweiligen Betriebszustand abhängige und damit auch zeitlich veränderliche räumliche Anordnung des elektrischen Energiespeichersystems in dem Luft-Ansaugkanal möglich ist. So kann beispielsweise je nach Stärke der aktuellen Wärmeentwicklung in dem elektrischen Energiespeichersystem der elektrische Energiespeicher in einer jeweils geeigneten Winkelstellung relativ zu der Strömungsrichtung der durch den Luft-Ansaugkanal strömenden Luft orientiert sein, so dass ein für den jeweiligen Betriebszustand des elektrischen Energiespeichersystems eine optimale Kühlung realisiert wird.The recording device described can not only be designed in such a way that at least part of a specific electrical energy storage system can be accommodated in a fixed spatial position or arrangement. The receiving device can optionally also be designed in such a way that a flexible spatial arrangement of the electrical energy storage system in the air intake duct and/or dependent on the respective operating state and thus also variable over time is possible. For example, depending on the strength of the current heat development in the electrical energy storage system, the electrical energy storage device can be oriented in a suitable angular position relative to the direction of flow of the air flowing through the air intake duct, so that optimal cooling is achieved for the respective operating state of the electrical energy storage system becomes.
Erfindungsgemäß weist das Kühlsystem ferner eine Ventilationseinrichtung auf, welche in dem Fluidkanal angeordnet ist und welche eingerichtet ist, das Kühlfluid zunächst zu der Aufnahmevorrichtung zum Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems und dann zu der Elektromaschine zum Kühlen der Elektromaschine zu leiten.According to the invention, the cooling system also has a ventilation device which is arranged in the fluid channel and which is set up to direct the cooling fluid first to the receiving device for cooling the electrical energy storage system and then to the electric machine for cooling the electric machine.
Die Ventilationseinrichtung kann jede beliebige Einrichtung sein, welche in der Lage ist, einen Fluidstrom innerhalb des Fluidkanals hin zu der Elektromaschine zu erzeugen oder zumindest aufrecht zu erhalten.The ventilation device can be any device which is capable of generating or at least maintaining a fluid flow within the fluid channel towards the electric machine.
Erfindungsgemäß ist die Ventilationseinrichtung mechanisch mit einem Rotor der Elektromaschine gekoppelt.According to the invention, the ventilation device is mechanically coupled to a rotor of the electric machine.
Die beschriebene mechanische Kopplung zwischen dem Rotor und der Ventilationseinrichtung kann beispielsweise über eine gemeinsame Welle realisiert werden, an welcher der Rotor und ein Lüfterrad der Ventilationseinrichtung befestigt ist. Das Lüfterrad saugt dann beispielsweise das Kühlfluid an und drückt dieses dann durch die Elektromaschine. Dadurch wird die Elektromaschine gekühlt.The described mechanical coupling between the rotor and the ventilation device can be realized, for example, via a common shaft to which the rotor and a fan wheel of the ventilation device are attached. The fan wheel then sucks in the cooling fluid, for example, and then forces it through the electric machine. This cools the electric machine.
Zwischen Rotor und Lüfterrad kann auch ein Über- oder Untersetzungsgetriebe geschaltet sein, so dass die Drehzahl des Rotors und die Drehzahl des Lüfterrades miteinander korreliert sind.A step-up or step-down gear can also be connected between the rotor and the fan wheel, so that the speed of the rotor and the speed of the fan wheel are correlated with one another.
Das Lüfterrad kann auch einfach an dem Rotor der Elektromaschine angeflanscht sein, so dass es sich ebenfalls gemeinsam mit dem Rotor um die Rotordrehachse dreht.The fan wheel can also simply be flanged to the rotor of the electric machine, so that it also rotates together with the rotor about the rotor axis of rotation.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Fluidkanal einen Umgehungskanal auf, mittels welchem zumindest ein Teil des durch den Fluidkanal strömenden Kühlfluids an der Aufnahmevorrichtung vorbei zu der Elektromaschine des Kraftfahrzeugs führbar ist.According to a further exemplary embodiment of the invention, the fluid channel has a bypass channel, by means of which at least part of the cooling fluid flowing through the fluid channel can be routed past the receiving device to the electric machine of the motor vehicle.
Durch die Verwendung des beschriebenen Umgehungskanals, welcher die Funktion eines sog. Bypasses hat, kann erreicht werden, dass nicht zwangsläufig alles durch den Fluidkanal strömende Kühlfluid auch durch die Aufnahmevorrichtung strömen muss. Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte Kühlung eines in der Aufnahmevorrichtung befindlichen elektrischen Energiespeichersystems realisiert werden.By using the bypass channel described, which has the function of a so-called bypass, it can be achieved that not all of the cooling fluid flowing through the fluid channel necessarily has to flow through the receiving device. In this way, needs-based cooling of an electrical energy storage system located in the receiving device can be implemented.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner auf eine Steuereinrichtung zum Verteilen des durch den Fluidkanal strömenden Kühlmediums in einen ersten Teilstrom, welcher durch die Aufnahmevorrichtung strömt, und in einen zweiten Teilstrom, welche durch den Umgebungskanal strömt.According to a further exemplary embodiment of the invention, the cooling system also has a control device for distributing the cooling medium flowing through the fluid duct into a first partial flow, which flows through the receiving device, and a second partial flow, which flows through the surrounding duct.
Die Steuereinrichtung kann in dem Fluidkanal an einer Stelle angeordnet sein, an der sich die derj enige Teil des Fluidkanals, welcher zu der Aufnahmevorrichtung führt, von demj enigen Teil des Fluidkanals verzweigt, welcher zu dem Umgehungskanal führt bzw. welcher in den Umgehungskanal mündet. Alternativ oder in Kombination kann die Steuereinrichtung auch an einer anderen Stelle im Fluidkanal angeordnet sein, an welcher sich der Umgehungskanal wieder mit demjenigen Teil des Fluidkanals verbindet, welcher von der Aufnahmevorrichtung kommt.The control device can be arranged in the fluid channel at a point at which that part of the fluid channel which leads to the receiving device branches off from that part of the fluid channel which leads to the bypass channel or which opens into the bypass channel. Alternatively or in combination, the control device can also be arranged at another point in the fluid channel, at which the bypass channel reconnects with that part of the fluid channel which comes from the receiving device.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise mittels einer oder mittels mehrerer Steuerklappen realisiert werden, welche den Gesamtkühlfluidstrom durch den Fluidkanal so auf die beiden Teile des Fluidkanals verteilt, dass eine für den jeweiligen Betriebszustand des elektrischen Energiespeichersystems geeignete Kühlleistung realisiert wird.The control device can be implemented, for example, by means of one or more control flaps, which distributes the total cooling fluid flow through the fluid channel to the two parts of the fluid channel such that a cooling capacity suitable for the respective operating state of the electrical energy storage system is realized.
Durch die beschriebene Implementierung eines Bypasses für das Kühlfluid vorbei an dem elektrischen Energiespeichersystem zusammen mit einer geeigneten Steuereinrichtung kann auf vorteilhafte Weise eine bedarfsgerechte Kühlung des Energiespeichersystems realisiert werden.The described implementation of a bypass for the cooling fluid past the electrical energy storage system, together with a suitable control device, allows the energy storage system to be cooled as required in an advantageous manner.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner eine Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung auf, welche in dem Fluidkanal angeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass der erste Teilstrom und/oder der zweite Teilstrom messbar sind.According to a further exemplary embodiment of the invention, the cooling system also has a cooling fluid flow measuring device which is arranged in the fluid channel and which is inserted in such a way is aimed at the first partial flow and/or the second partial flow being measurable.
Die beschriebene Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung kann jede beliebige Messeinrichtung sein, welche in der Lage ist einen Volumenstrom eines Fluids zu messen. Dazu kann je nach spezifischer Anforderung auf verschiedene bekannte physikalische Messprinzipien wie z. B. (a) Ultraschalldurchflussmessungen, (b) Differenzdruckmessungen, Venturi-Effekt, (c) Messungen mittels Balometer, (d) Messungen des Dopplereffekts von in den zu messenden Volumenstrom gerichtetes Laserlicht zurückgegriffen werden.The cooling fluid flow measuring device described can be any measuring device that is able to measure a volume flow of a fluid. Depending on the specific requirement, various known physical measurement principles such as e.g. B. (a) ultrasonic flow measurements, (b) differential pressure measurements, Venturi effect, (c) measurements using a balometer, (d) measurements of the Doppler effect of laser light directed into the volume flow to be measured can be used.
Mittels einer Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung kann insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Steuereinrichtung die pro Zeiteinheit geförderte Menge des Kühlfluids erfasst und geregelt werden, so dass stets eine ausreichende Kühlleistung sichergestellt werden kann.The quantity of cooling fluid conveyed per unit of time can be detected and regulated by means of a cooling fluid flow measuring device, in particular in conjunction with the control device described above, so that sufficient cooling capacity can always be ensured.
Ferner kann auf vorteilhafte Weise eine Betriebsstrategie für das elektrische Energiespeichersystem realisiert werden. So kann beispielsweise für den Fall, dass pro Zeiteinheit lediglich eine relativ kleine Menge an Kühlfluid für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems zur Verfügung steht, die maximal erlaubten elektrischen Lade- und/oder Entladeströme in geeigneter Weise begrenzt werden, um ein zu starkes Erwärmen des elektrischen Energiespeichersystems zu verhindern.Furthermore, an operating strategy for the electrical energy storage system can be implemented in an advantageous manner. For example, in the event that only a relatively small amount of cooling fluid for cooling the electrical energy storage system is available per unit of time, the maximum permitted electrical charging and / or discharging currents are limited in a suitable manner to prevent excessive heating of the electrical prevent energy storage system.
Es wird darauf hingewiesen, dass alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung auch ein Messsignal verwendet werden kann, welches auf andere Weise indikativ für den aktuellen Volumenstrom durch den Fluidkanal und insbesondere indikativ für die Stärke des ersten Teilstroms ist, welcher durch die Aufnahmevorrichtung strömt. So kann beispielsweise auch einfach die Anzahl der Umdrehungen der Elektromaschine als Richtwert für die Stärke des geförderten bzw. von der Elektromaschine angesaugten Kühlfluidstromes und zu Anpassung der Betriebsstrategie des elektrischen Energiespeichersystems verwendet werden.It is pointed out that as an alternative or in addition to the cooling fluid flow measuring device described, a measurement signal can also be used which is indicative of the current volume flow through the fluid channel and in particular indicative of the strength of the first partial flow which flows through the receiving device. For example, the number of revolutions of the electric machine can also be used as a guide value for the strength of the cooling fluid flow conveyed or sucked in by the electric machine and for adapting the operating strategy of the electric energy storage system.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner einen Filter auf, welcher in dem Fluidkanal angeordnet ist.According to a further exemplary embodiment of the invention, the cooling system also has a filter which is arranged in the fluid channel.
Bevorzugt ist der Filter in Bezug zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids stromaufwärts von der Aufnahmevorrichtung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems von Fremdstoffpartikeln zumindest teilweise gereinigtes Kühlfluid verwendet wird.The filter is preferably arranged upstream of the receiving device in relation to the flow direction of the cooling fluid. This has the advantage that cooling fluid that has been at least partially cleaned of foreign matter particles is used to cool the electrical energy storage system.
Der Filter und das Energiespeichersystem oder zumindest ein Teil des Energiespeichersystems können auch innerhalb oder mit einer gemeinsamen Baugruppe realisiert sein. Dadurch kann die Integrationsdichte der für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystem und der Elektromaschine erforderlichen Komponenten des Kraftfahrzeugs erhöht werden. Auf diese Weise kann sich insbesondere ein Bauraumvorteil ergeben.The filter and the energy storage system or at least part of the energy storage system can also be implemented within or with a common assembly. As a result, the integration density of the motor vehicle components required for cooling the electrical energy storage system and the electric machine can be increased. In this way, in particular, a space advantage can result.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug und insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug beschrieben. Das beschriebene Kraftfahrzeug weist auf (a) eine Elektromaschine, (b) ein elektrisches Energiespeichersystem und (c) ein Kühlsystem der vorstehend erläuterten Art. Der Fluidkanal ist mit der Elektromaschine verbunden und zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems ist in der Aufnahmevorrichtung angeordnet.According to a further aspect of the invention, a motor vehicle and in particular a hybrid or electric vehicle is described. The motor vehicle described has (a) an electric machine, (b) an electric energy storage system and (c) a cooling system of the type explained above. The fluid channel is connected to the electric machine and at least part of the electric energy storage system is arranged in the receiving device.
Dem beschriebenen Kraftfahrzeug liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das vorstehend beschriebene Kühlsystem auf vorteilhafte Weise in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Dabei wird das Kühlfluid, welches für die Elektromaschine zur Vermeidung einer Überhitzung derselben benötigt wird, zuvor zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet.The motor vehicle described is based on the finding that the cooling system described above can be used advantageously in a motor vehicle and in particular in a hybrid or electric vehicle. In this case, the cooling fluid, which is required for the electric machine to prevent it from overheating, is used beforehand to cool the electric energy storage system.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Energiespeichersystem (a) eine Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen und (b) einen elektrischen Energiespeicher auf. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein elektrochemischer Energiespeicher.According to an exemplary embodiment of the invention, the energy storage system has (a) a circuit arrangement with electronic power components and (b) an electrical energy storage device. The electrical energy store is in particular an electrochemical energy store.
In diesem Zusammenhang können unter dem Begriff „leistungselektronische Bauelemente“ insbesondere alle elektronischen bzw. elektrischen Bauelemente verstanden werden, welche der Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz dienen. Baugruppen mit derartigen Bauelementen zu Umformung elektrischer Energie werden häufig auch Stromrichter genannt. Sie können je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter unterschieden werden.In this context, the term "power electronic components" can be understood in particular as all electronic or electrical components that are used to convert electrical energy with regard to the voltage form, the level of voltage and current and the frequency. Assemblies with such components for converting electrical energy are often also called power converters. Depending on their function, they can be divided into rectifiers, inverters and converters.
Die leistungselektronischen Bauelemente können auch lediglich zum Zu- und Abschalten elektrischer Verbraucher dienen. Derartige leistungselektronische Bauelemente umfassen neben der Schaltfunktion häufig weitere Schutz- und Überwachungsfunktionen. Sie unterscheiden sich von Relais und Schützen dadurch, dass sie ohne bewegte Teile arbeiten.The power electronic components can also only be used to switch electrical loads on and off. In addition to the switching function, such electronic power components often include further protection and monitoring functions. They differ from relays and contactors in that they work without moving parts.
Je nach Anwendungsfall kann die beschriebene leistungselektronische Vorrichtung als Gleichrichter (Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung), als Wechselrichter (Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung), als Gleichstromsteller (Umwandlung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung) oder als Wechselstromsteller (Umwandlung von Wechselspannung in Wechselspannung mit einer anderen Frequenz oder Amplitude Frequenzumrichter) dienen.Depending on the application, the power electronic device described can be used as a rectifier (conversion of AC voltage into DC voltage), as an inverter (conversion of DC voltage into AC voltage), as a DC converter (conversion of DC voltage into a higher or lower DC voltage) or as an AC converter (conversion of AC voltage into AC voltage with a different frequency or amplitude frequency converters).
Das beschriebene elektrische Energiespeichersystem oder zumindest ein Teil davon und die Elektromaschine sind bevorzugt mittels des Fluidkanals strömungstechnisch günstig, d. h. mit einem geringen Strömungswiderstand, miteinander verbunden. In diesem Zusammenhang kann es sich anbieten, den elektrischen Energiespeicher zusammen mit der Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen in ein Gehäuse zu montieren oder die einzelnen Komponenten über Kühlfluidleitkanäle und/oder Schläuche zu verbinden. Neben dem elektrischen Energiespeicher kann auf diese Art zusätzlich die dem elektrischen Energiespeichersystem zugeordnete Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen gekühlt werden.The electrical energy storage system described, or at least part of it, and the electric machine are preferably favorable in terms of flow technology by means of the fluid channel, i. H. with a low flow resistance, connected to each other. In this context, it may be advisable to mount the electrical energy store together with the circuit arrangement with power electronic components in a housing or to connect the individual components via cooling fluid ducts and/or hoses. In this way, in addition to the electrical energy store, the circuit arrangement associated with the electrical energy store system can also be cooled with electronic power components.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen von zumindest einem Teil eines elektrischen Energiespeichersystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Zuführen von Kühlfluid durch einen Fluidkanal zu dem elektrischen Energiespeichersystem, welches sich in einer in dem Fluidkanal angeordneten Aufnahmevorrichtung befindet, (b) ein Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems mittels des zugeführten Kühlfluids und (c) ein Weiterleiten des für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendeten Kühlfluids durch den Fluidkanal zu einer Elektromaschine des Kraftfahrzeugs.According to a further aspect of the invention, a method for cooling at least part of an electrical energy storage system of a motor vehicle, in particular a hybrid or an electric vehicle, is described. The method described includes (a) supplying cooling fluid through a fluid channel to the electrical energy storage system, which is located in a receiving device arranged in the fluid channel, (b) cooling the electrical energy storage system by means of the supplied cooling fluid and (c) forwarding the cooling fluid used for cooling the electrical energy storage system through the fluid channel to an electric machine of the motor vehicle.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das für eine Kühlung einer Elektromaschine verwendete Kühlfluid zusätzlich auch noch dazu verwendet werden kann, zumindest einen Teil eines elektrischen Energiespeichersystems zu kühlen, welches eine Komponente eines Kraftfahrzeugs und insbesondere eine Komponente eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs darstellt.The method described is also based on the finding that the cooling fluid used to cool an electric machine can also be used to cool at least part of an electrical energy storage system, which is a component of a motor vehicle and in particular a component of a hybrid or electric vehicle .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kühlfluid ein gasförmiges Kühlfluid und insbesondere Luft.According to an embodiment of the invention, the cooling fluid is a gaseous cooling fluid and in particular air.
Die Verwendung eines gasförmigen Kühlfluids hat den Vorteil, dass das beschriebene Verfahren mit üblichen Kühlfluiden durchgeführt werden kann. Eine spezielle Anpassung der Kühlung der Elektromaschine im Hinblick auf die Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist damit auf vorteilhafte Weise nicht erforderlich. Die Verwendung von Luft als Kühlfluid hat ferner den Vorteil, dass als Kühlfluid ein Medium verwendet wird, welches in der Umgebung des Kraftfahrzeugs ohnehin vorhanden ist. Damit ist es zur Durchführung des Verfahrens nicht unbedingt erforderlich, einen vollkommen geschlossenen Kühlkreislauf mit einer Kühlfluidrückführung bereit zu stellen.The use of a gaseous cooling fluid has the advantage that the method described can be carried out with conventional cooling fluids. A special adaptation of the cooling of the electric machine with regard to the implementation of the method described is therefore advantageously not necessary. The use of air as the cooling fluid also has the advantage that a medium is used as the cooling fluid which is already present in the area around the motor vehicle. It is therefore not absolutely necessary to provide a completely closed cooling circuit with cooling fluid recirculation in order to carry out the method.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Steuern der Menge an pro Zeiteinheit dem elektrischen Energiespeichersystem zugeführtem Kühlfluid auf. According to a further exemplary embodiment of the invention, the method also includes controlling the amount of cooling fluid supplied to the electrical energy storage system per unit of time.
Die Steuerung kann dabei insbesondere von dem aktuellen Speicherzustand des elektrischen Energiespeichersystems abhängen.The control can depend in particular on the current storage state of the electrical energy storage system.
Um den Strom an Kühlfluid, der für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet wird, unabhängig oder zumindest weitgehend unabhängig von demjenigen Strom an Kühlfluid zu steuern, welcher der Elektromaschine zugeführt wird, kann es vorteilhaft sein, einen sog. Bypass Fluidkanal vorzusehen, mittels welchem eine bestimmte Teilmenge an Kühlfluid, welche der Elektromaschine zugeführt wird, an der Aufnahmevorrichtung und damit an dem elektrischen Energiespeichersystem vorbei zu leiten. Dann kann nämlich mittels einer geeigneten Steuereinrichtung, beispielsweise eine in dem Fluidkanal angeordnete Steuerklappe, der gesamte Volumenstrom durch den Fluidkanal in zwei Teilströme aufgeteilt werden, wobei ein erster Teilstrom durch die Aufnahmevorrichtung und ein zweiter Teilstrom durch den Bypass Fluidkanal strömt. Auf diese Weise kann die Kühlleistung für das elektrische Energiespeichersystem in geeigneter Weise eingestellt werden.In order to control the flow of cooling fluid that is used for cooling the electrical energy storage system independently or at least largely independently of the flow of cooling fluid that is supplied to the electric machine, it can be advantageous to provide a so-called bypass fluid channel, by means of which a to direct a certain subset of cooling fluid, which is supplied to the electric machine, past the receiving device and thus past the electrical energy storage system. Then, by means of a suitable control device, for example a control flap arranged in the fluid duct, the entire volume flow through the fluid duct can be divided into two partial flows, with a first partial flow flowing through the receiving device and a second partial flow flowing through the bypass fluid duct. In this way, the cooling capacity for the electrical energy storage system can be appropriately adjusted.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Begrenzen eines elektrischen Lade- und/oder Entladestroms des elektrischen Energiespeichersystems in Abhängigkeit von einer Kühlleistung auf, welche dem elektrischen Energiespeichersystem von dem zugeführten Kühlfluid bereit gestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise eine elektrischen Betriebsstrategie für das elektrische Energiespeichersystem realisiert werden kann, mittels welcher zuverlässig verhindert werden kann, dass das elektrische Energiespeichersystem und insbesondere ein elektrischer Energiespeicher des elektrischen Energiespeichersystems überlastet und damit in seiner Lebensdauer eingeschränkt wird.According to a further exemplary embodiment of the invention, the method also includes limiting an electrical charging and/or discharging current of the electrical energy storage system as a function of a cooling capacity which is provided to the electrical energy storage system by the cooling fluid supplied. This has the advantage that an electrical operating strategy for the electrical energy storage system can be implemented in a simple manner, by means of which it is possible to reliably prevent the electrical energy storage system and in particular an electrical energy storage device of the electrical energy storage system from being overloaded and thus limiting its service life.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass eine derartige elektrische Betriebsstrategie vielfältige physikalische Rahmenbedingungen für das Energiespeichersystem berücksichtigen kann. So kann die elektrische Betriebsstrategie beispielsweise von der aktuellen Temperatur des Energiespeichersystems oder zumindest eines Teils des Energiespeichersystems abhängen. Ebenso ist es denkbar, dass ein maximal erlaubter elektrischer Lade- und/oder Entladestrom von einem Alterungszustand des Energiespeichersystems abhängt, welcher ein Maß dafür ist, wie stark das Energiespeichersystem in der Vergangenheit bereits gealtert ist. Ein solcher Alterungszustand kann zum Beispiel von einer akkumulierten Temperaturbelastung abhängen, welche ein Maß für die Stärke und/oder für die Dauer von bisher aufgetretenen Temperaturbelastungen sein kann.At this point it is pointed out that such an electrical operating strategy various physical framework conditions for the energy storage system can be taken into account. For example, the electrical operating strategy can depend on the current temperature of the energy storage system or at least a part of the energy storage system. It is also conceivable that a maximum permitted electrical charging and/or discharging current depends on an aging state of the energy storage system, which is a measure of how badly the energy storage system has already aged in the past. Such an aging state can depend, for example, on an accumulated temperature load, which can be a measure of the strength and/or duration of temperature loads that have occurred up to now.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Kühlleistung, welche dem elektrischen Energiespeichersystem von dem zugeführten Kühlfluid bereit gestellt wird, anhand einer Messung des Volumenstroms des zugeführten Kühlfluids bestimmt.According to a further exemplary embodiment of the invention, the cooling capacity which is made available to the electrical energy storage system by the cooling fluid supplied is determined on the basis of a measurement of the volume flow of the cooling fluid supplied.
Der Volumenstrom des zugeführten Kühlfluids kann durch eine beliebige Luftmengenmessung bestimmt werden, bei der die pro Zeiteinheit geförderte Menge an Kühlfluids erfasst wird. Wie bereits vorstehend erläutert, können für die Kühlfluidmengenmessung verschiedene physikalische Messprinzipien herangezogen werden. Die Bestimmung der pro Zeiteinheit angesaugten Kühlfluidmenge kann auch grob anhand der Drehzahl der Elektromaschine erfolgen.The volume flow of the cooling fluid supplied can be determined by any air quantity measurement, in which the quantity of cooling fluid conveyed per unit of time is recorded. As already explained above, various physical measurement principles can be used to measure the amount of cooling fluid. The amount of cooling fluid sucked in per unit of time can also be determined roughly using the speed of the electric machine.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It is pointed out that embodiments of the invention have been described with reference to different objects of the invention. In particular, some embodiments of the invention are described with apparatus claims and other embodiments of the invention are described with method claims. However, it will be immediately clear to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, any combination of features belonging to different types of subject matter is also possible in addition to a combination of features belonging to one type of subject matter objects of the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.Further advantages and features of the present invention result from the following exemplary description of a presently preferred embodiment.
Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems und einer Elektromaschine eines Kraftfahrzeugs mittels eines gemeinsamen Kühlfluids. Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.The single figure shows, in a schematic representation, the basic structure of a cooling system for cooling an electrical energy storage system and an electric machine of a motor vehicle by means of a common cooling fluid. It is pointed out that the embodiment described below only represents a limited selection of possible embodiment variants of the invention.
Die Figur zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kraftfahrzeug 100, welches ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug sein kann.According to an exemplary embodiment of the invention, the figure shows a
Das Kraftfahrzeug 100 weist eine Elektromaschine 120 auf. Falls es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug 100 handelt, dann dient die Elektromaschine 120 dazu, in bestimmten Betriebsphasen des Hybridfahrzeugs 100 einen Vortrieb zu erzeugen. In anderen Betriebsphasen wird der Vortrieb durch einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor bereit gestellt. Das Zusammenwirken von Verbrennungsmotor und Elektromaschine 120 im Betrieb des Hybridfahrzeugs 100 ist dem Fachmann bekannt und wird an dieser Stelle nicht erläutert. Falls es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein (reines) Elektrofahrzeug 100 handelt, dann stellt die Elektromaschine 120 die einzige Fahrzeugkomponente dar, welche einen Vortrieb erzeugt.
Die Elektromaschine 120 wird in bekannter Weise von einem elektrischen Energiespeichersystem 118 versorgt, welches einen elektrochemischen Energiespeicher und eine Leistungselektronik umfasst. Im Betrieb des Kraftfahrzeugs 100 müssen je nach Betriebszustand der elektrochemische Energiespeicher und/oder die Leistungselektronik gekühlt werden. Dies erfolgt mittels eines Kühlfluids, welches gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Luft ist. The
Zum Zwecke der Kühlung weist das Kraftfahrzeug 100 ein Kühlsystem auf, welches sich wie folgt beschreiben bzw. herstellen lässt: Eine Fluidkanal 110 zwischen einem Filter 112 und der Elektromaschine 120 wird aufgetrennt. In diese Trennstelle wird zunächst eine Aufnahmevorrichtung 116 für zumindest einen Teil des elektrischen Energiespeichersystems 118 integriert. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Aufnahmevorrichtung 116 sowohl den elektrischen Energiespeicher als auch die Leistungselektronik auf. Die Kühlfluidleitung innerhalb der Aufnahmevorrichtung 116 erfolgt auf eine Art und Weise, welche die Abfuhr einer möglichst großen Wärmemenge von dem in der Aufnahmevorrichtung 116 aufgenommenen elektrischen Energiespeichersystem 118 an die ihn umströmende Kühlluft erlaubt.For the purpose of cooling,
Eine als Lüfterrad ausgebildete Ventilationseinrichtung 122 sorgt für einen Volumenstrom von Kühlluft durch den Fluidkanal 110. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Lüfterrad über eine mechanische Kopplung 122a direkt von einem Rotor der Elektromaschine 120 angetrieben. Diese mechanische Kopplung 122a kann insbesondere mittels einer gemeinsamen Welle realisiert sein.A
Wie aus der Figur ersichtlich, ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine als Steuerklappe ausgebildete Steuereinrichtung 114 vorgesehen, welche den Kühlluftstrom durch den Fluid- oder Luftkanal 110 in zwei Teilströme aufteilt. Ein erster Teilstrom fließt durch einen Hauptkanal 110a des Fluidkanals 110, in welchem sich auch die Aufnahmevorrichtung 116 befindet. Der erste Teilstrom dient der Kühlung des in der Aufnahmevorrichtung 116 befindlichen elektrischen Energiespeichersystems 118. Ein zweiter Teilstrom fließt durch einen Umgehungskanal 110b an der Aufnahmevorrichtung 116 vorbei und mündet später wieder in den Fluidkanal 110. Mittels einer Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung 124, welche ein gewöhnlicher Volumenstromsensor sein kann, kann direkt der für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems 118 verwendete Kühlluftstrom gemessen werden.As can be seen from the figure, according to the exemplary embodiment shown here, a
Durch die Implementierung des Umgehungskanals 110b, welcher für das elektrische Energiespeichersystem 118 einen Bypass darstellt, in Verbindung mit einer geeigneten Ansteuerung der Steuerklappe 114 kann auf einfache Weise eine bedarfsgerechte Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems 118 realisiert werden.The implementation of the
Es wird darauf hingewiesen, dass auch eine kombinierte Ausführung von Filter 112 und Energiespeichersystem 118 mittels einer gemeinsamen Baugruppe möglich ist. Auf diese Weise kann eine besonders hohe räumliche Integrationsdichte des beschriebenen Kühlsystems realisiert werden.It is pointed out that a combined design of
Die in diesem Dokument beschriebene Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems mittels einer Kühlluft, welche auch für die Kühlung einer Elektromaschine verwendet wird, bietet im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühlung unter anderem folgende Vorteile:
- (A) Es wird ein ohnehin bereits vorhandener Kühlluftstrom mit einem relativ großen Volumenstrom zusätzlich zur Kühlung der Elektromaschine auch noch zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet. Ein zusätzliches Gebläse für die Zufuhr von Kühlluft ist damit auf vorteilhafte Weise nicht erforderlich.
- (B) Durch eine geeignete Einstellung der Steuerklappe kann eine optimale Betriebsstrategie in Abhängigkeit der möglichen Wärmeabfuhr durch die Kühlluft realisiert werden.
- (C) Durch die Reduzierung der Anzahl an erforderlichen Komponenten entsteht ein Kostenvorteil.
- (D) Durch die Reduzierung der Anzahl an erforderlichen Komponenten entsteht ein Bauraumvorteil.
- (E) Bei einer kombinierten Ausführung von Filtergehäuse und Gehäuse für das Energiespeichersystem kann ein weiterer Bauraumvorteil erzielt werden.
- (A) A cooling air flow that is already present and has a relatively large volume flow is also used to cool the electrical energy storage system in addition to cooling the electric machine. An additional fan for the supply of cooling air is therefore advantageously not required.
- (B) By setting the control flap appropriately, an optimal operating strategy can be implemented depending on the possible heat dissipation through the cooling air.
- (C) There is a cost advantage by reducing the number of components required.
- (D) By reducing the number of components required, there is a space advantage.
- (E) With a combined design of filter housing and housing for the energy storage system, a further space advantage can be achieved.
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