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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Hochvoltbatterie, eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Kühlen eines solchen elektrischen Energiespeichers nach Patentanspruch 4.
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Hochvoltbatterien für elektrische Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybride, Fahrzeuge mit Range-Extender oder dergleichen, müssen gekühlt bzw. temperiert werden, um eine möglichst hohe funktionale Verfügbarkeit und eine optimale Lebensdauer der Hochvoltbatterie zu gewährleisten. Dies erfordert teilweise einen erheblichen baulichen und/oder zum Teil auch erheblichen energetischen Aufwand, was zu einem entsprechend höheren Verbrauch und damit zu einer reduzierten Reichweite von solchen Fahrzeugen führen kann.
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Neben der Wärmeabfuhr im Betrieb des elektrischen Energiespeichers werden Kühlsysteme bzw. Temperiersysteme für solche Hochvoltbatterien auch bei kalten Umgebungstemperaturen eingesetzt, da die Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers auf Grund der niedrigen Temperatur oftmals sehr eingeschränkt ist. Eine entsprechende Vorwärmung des elektrischen Energiespeichers kann daher notwendig sein, um die notwendige Reichweite bzw. Antriebsleistung bereitzustellen.
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Aus der
US 7 147 071 B2 ist eine Kühlanordnung für Batterien bekannt, bei welchem ein Kühlkreislauf der Batterie über einen Latentwärmespeicher mit einem Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Die Wärme der Brennkraftmaschine wird zum Aufheizen des Batteriekreislaufes bei niedrigen Außentemperaturen verwendet.
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Durch die thermische Kopplung vom Kühlsystem des elektrischen Energiespeichers und vom Kühlsystem der Brennkraftmaschine können gegebenenfalls Komponenten eingespart werden, so dass der Bauraumbedarf gesenkt wird. Die Nutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine zum Aufheizen der Hochvoltbatterie bei tiefen Temperaturen stellt ferner ein energetisch günstiges Verfahren dar, um diese auf ihre Sollbetriebstemperatur zu bringen. Nachteilig ist die aus der
US 7 147 071 B2 bekannte Kühlanordnung jedoch nur in Hybridfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen zu nutzen, und kann selbst dort nur eingesetzt werden, sofern die Brennkraftmaschine hinreichend lange in Betrieb ist, um die notwendige Abwärme zum Aufheizen der Hochvoltbatterie bereitzustellen. Für den rein elektrischen Betrieb ist eine derartige Kühlanordnung jedoch wirkungslos und kann daher bei vielen Typen von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen keine Anwendung finden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlanordnung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine energetisch günstige und bauraumsparende Temperierung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Hochvoltbatterie in allen Typen von elektrischen Fahrzeugen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
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Eine derartige Kühlanordnung für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Hochvoltbatterie, eines Fahrzeugs, umfasst einen ersten Kühlkreislauf, in welchem ein Kühlmedium durch einen Kühlkanal des elektrischen Energiespeichers förderbar ist, und welcher über einen Latentwärmespeicher mit einem zweiten Kühlkreislauf thermisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zweite Kühlkreislauf ein Klimakreislauf des Fahrzeugs ist. Durch die Verwendung von Wärmespeichern, beispielsweise auf Grundlage so genannter Phase-Change-Materialien (PCM) lässt sich eine energetisch günstige Kopplung der beiden Kühlkreisläufe erzielen. Der energetische Aufwand zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers kann dabei insbesondere bei auftretenden Lastspitzen reduziert und der gesamte Energieverbrauch des Fahrzeugs entsprechend gering gehalten werden. Da keine Notwendigkeit für das Vorliegen einer laufenden Brennkraftmaschine besteht, kann die erfindungsgemäße Kühlanordnung auch in rein elektrischen Fahrzeugen sowie in Plug-In-Betrieben oder Range-Extender-Fahrzeugen problemlos Anwendung finden. Des Weiteren lässt sich die anfallende Abwärme des elektrischen Energiespeichers und die hierfür notwendige Kühlleistung zeitlich entkoppeln, was Vorteile und Freiheitsgrade bezüglich des Energiemanagements bedeuten.
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Auch in solchen Fahrzeugen kann daher ein besonders geringer Energieverbrauch und eine damit einhergehende hohe Reichweite des Fahrzeugs sichergestellt werden. Durch die zuverlässige Temperierung einer Hochvoltbatterie wird eine relativ hohe funktionale Verfügbarkeit der Hochvoltbatterie sichergestellt und gleichzeitig deren Lebensdauer verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im ersten Kühlkreislauf eine Bypassleitung zum Überbrücken des Latentwärmespeichers vorgesehen, welche einen Wärmetauscher, insbesondere ein Rippenrohr, zum Austausch von Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Umgebungsluft umfasst. In dem das Kühlmittel durch den Bypass und damit durch den Wärmetauscher geleitet wird, kann somit bei tieferen Umgebungstemperaturen Wärme aus dem elektrischen Energiespeicher unmittelbar an die Umgebung abgegeben werden, ohne das eine aktive Kühlung durch die Wärmeübertragung an den zweiten Kühlkreislauf notwendig ist. Bei entsprechenden Umgebungsbedingungen kann daher ein besonders sparsamer Betrieb des Fahrzeugs sichergestellt werden.
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Vorzugsweise ist ferner eine Heizvorrichtung zum insbesondere elektrischen Beheizen des Latentwärmespeichers vorgesehen. Hierdurch kann bei tiefen Außentemperaturen sichergestellt werden, dass hinreichend Wärme zum Temperieren der Hochvoltbatterie zur Verfügung steht, so dass die notwendige Leistungsfähigkeit der Hochvoltbatterie gewährleistet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs, bei welchem Abwärme mittels eines ersten Kühlkreislaufes an einen Latentwärmespeicher abgegeben wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Energieeintrags in den Latentwärmespeicher dieser mittels eines zweiten Kühlkreislaufs gekühlt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass als zweiter Kühlkreislauf ein Klimakreislauf des Fahrzeugs verwendet wird. Eine derartige Verfahrensführung ermöglicht eine besonders energiesparende und effiziente Temperierung der Hochvoltbatterie. Es ist kein dauerhafter Betrieb der Kühleinrichtung des zweiten Kühlkreislaufs notwendig, um die Hochvoltbatterie temperiert zu halten. Unterhalb der vorgegebenen Schwelle für den Energieeintrag kann die gesamte Abwärme des elektrischen Energiespeichers nämlich problemlos an den Latentwärmespeicher abgeführt werden. Erst wenn der Latentwärmespeicher thermisch im Wesentlichen gesättigt ist, erfolgt eine aktive Kühlung des Latentwärmespeichers durch den zweiten Kühlkreislauf, also durch das Klimasystem des Fahrzeugs. Das Klimasystem muss daher nicht dauerhaft betrieben werden, um die Kühlung des elektrischen Energiespeichers sicherzustellen, sondern kann vielmehr sporadisch lediglich bei brechender Notwendigkeit eingesetzt werden. Durch den geringen Energieverbrauch dieses Kühlverfahrens wird die Reichweite von elektrischen Fahrzeugen beträchtlich erhöht.
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Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der zweite Kühlkreislauf lediglich im Schubbetrieb des Fahrzeugs betrieben wird. Die notwendige Energie zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers kann dann insbesondere durch übliche Rekuperationsmaßnahmen aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs entnommen werden, die mittels eines als Generator betriebenen Antriebsaggregats des Fahrzeugs zurück ins Bordnetz eingespeist werden kann oder direkt über einen Riemenantrieb aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs auf eine Pumpvorrichtung des Klimasystems übertragen werden. Es ist keine zusätzliche Energie, die erst erzeugt werden müsste, notwendig, was besonders energieeffizient ist.
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Vorzugsweise wird bei Unterschreiten einer vorgegebenen Umgebungstemperatur der Latentwärmespeicher in einem ersten Kühlkreislauf überbrückt und das Kühlmedium durch einen thermisch mit der Umgebungsluft gekoppelten Wärmetauscher geleitet. Unter derartigen Umgebungsbedingungen kann die Temperierung des elektrischen Energiespeichers somit vollständig passiv erfolgen, so dass keine zusätzliche Energie aufgewendet werden muss.
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Es ist ferner zweckmäßig, bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur des elektrischen Energiespeichers den Latentwärmespeicher mittels einer zugeordneten Heizvorrichtung zu beheizen, um so, insbesondere kurz nach dem Start des Fahrzeugs, sicherzustellen, dass der elektrischen Energiespeicher auf seiner optimalen Betriebstemperatur betrieben wird, so dass hinreichend Leistung entnommen werden kann. Leistungs- und Reichweiteneinbrüche auf Grund von winterlichen Bedingungen können somit auf einfachste Weise vermieden werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit elektromotorischen Antrieb beider Kühlkreisläufe;
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2 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit mechanischen Antrieb des Klimakühlkreislaufs;
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3 eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einem zusätzlichen Bypasswärmetauscher und elektrischen Antrieb beider Kühlkreisläufe;
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4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einem Bypasswärmetauscher und mit mechanischen Antrieb des Kühlkreislaufes;
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5 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit Bypasswärmetauscher und zusätzlicher Heizeinrichtung; und
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6 die Kühlanordnung gemäß 5 mit einer zusätzlichen schematischen Darstellung der zugeordneten Steuereinrichtung.
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1 stellt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Kühlanordnung für ein elektrisches Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug dar, die einen ersten Kühlkreislauf 12 zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichers 14 des Fahrzeugs in Form einer Batterie 14, insbesondere einer Hochvoltbatterie, umfasst. Mittels einer Kühlmittelpumpe 16, die von einem Elektromotor 18 angetrieben wird, wird das Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf 12 umgewälzt und durchläuft die Batterie 14 sowie einen Wärmetauscher 20, über welchen Wärme aus dem Kühlmittel an einen Latentwärmespeicher 22 aus einem Phase-Change-Material abgegeben werden kann. Der Latentwärmespeicher 22 ist mit einem Verdampfer 24 eines als Klimakreislauf ausgebildeten zweiten Kühlkreislaufs 26 thermisch gekoppelt. Im Verdampfer 24 des zweiten Kühlkreislaufs 26 verdampftes Kühlmedium wird in einem Kältemittelverdichter 25, der von einem elektrischen Antriebsmotor 28 angetrieben wird, wieder komprimiert und anschließend in einem Klimakondensator 30 gefördert. Über ein Expansionsventil 32 kann das Kühlmittel dann zum Verdampfer 24 rückgeführt werden.
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Erwärmt sich Batterie 14 während des Betriebs, so wird deren Abwärme an das durch die Batterie 14 durchströmende Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser-Alkohol-Gemisch abgegeben. Im Wärmetauscher 20 gibt das Kühlmittel die aus der Batterie 14 aufgenommene Wärme an das Phasenübergangsmedium im Latentwärmespeicher 22 ab. Steigt die Temperatur des Phasenübergangsmediums im Latentwärmespeicher 22 bis zu dessen Schmelztemperatur, so ändert das Medium des Latentwärmespeichers 22 seinen Phasenzustand von fest nach flüssig. Dabei erhöht sich die Temperatur nicht weiter, durch den Phasenübergang kann jedoch weitere Wärmeenergie aus der Batterie 14 aufgenommen werden, so dass bei geeigneter Wahl des Phasenübergangmediums bis zum vollständigen Schmelzen desselben eine konstante Betriebstemperatur der Batterie 14 gesichert werden kann. Üblicherweise wird allerdings bereits vor vollständigem Aufschmelzen des Phasenübergangmediums im Latentwärmespeicher 22 der zweite Kühlkreislauf 26 aktiviert, so dass die im Phasenübergangsmedium des Latentwärmespeichers 22 aufgenommene Wärmeenergie an den Verdampfer 24 abgegeben wird. Um möglichst viel Antriebsenergie für den Kältemittelverdichter 25 einsparen zu können, wird dieser vorzugsweise nur, bzw. überwiegend in Schubphasen des Fahrzeugs betrieben. Dies wird durch die Pufferwirkung des Latentwärmespeichers 22 ermöglicht. Dadurch kann ein besonders niedriger Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch des Fahrzeugs realisiert werden.
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2 zeigt eine weitere Kühlanordnung für eine Batterie 14, die funktional mit derjenigen aus 1 identisch ist. Der Antrieb des Kältemittelverdichters 25 erfolgt hierbei jedoch nicht durch einen elektrischen Antriebsmotor 28, der Kältemittelverdichter 25 ist vielmehr über eine Kupplung 34 mit einer Riemenscheibe 36 eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs koppelbar. In Schubphasen wird dabei die Kupplung 34 geschlossen und der Kältemittelverdichter 25 durch die Riemenscheibe 36 über den Riemenantrieb eines Verbrennungsmotors oder eines elektrischen Fahrantriebsmotors betrieben. Dies stellt gegenüber der Bereitstellung eines separaten elektrischen Antriebsmotors 28 eine beträchtliche Energieeinsparung dar.
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Die Kühlanordnung gemäß 3 entspricht wiederum derjenigen gemäß 1, weist jedoch einen zusätzlichen Wärmetauscher in Form eines Rippenrohrs 38 auf. Dieser ist in einer Bypassleitung 40 angeordnet, die den Wärmetauscher 20, der mit dem Latentwärmespeicher 22 gekoppelt ist, im ersten Kühlkreislauf 12 überbrückt. Über ein Drehschieberventil 42 kann der Kühlmittelfluss entweder durch den Wärmetauscher 20 oder durch das Rippenrohr 38 geführt werden. Bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen unterhalb der Temperatur des Kühlmittels der Batterie 14 kann daher die komplette Abwärme aus der Batterie 14 aus dem Rippenrohr 38 an die Umgebung abgeführt werden, ohne das hierfür der zweite Kühlkreislauf 26 benötigt wird, was zu einem entsprechend niedrigen Energieeinsatz führt. Lediglich zum Antrieb der Kühlmittelpumpe 16 ist hierbei noch Energie notwendig. Das Drehschieberventil 42 kann stufenlos betrieben werden, so dass für den Fall, dass nicht mehr genug Abwärme aus der Batterie 14 über das Rippenrohr 38 an die Umgebung abgeführt werden kann, ein Teilstrom durch den Wärmetauscher 20 an den Latentwärmespeicher 22 abgeführt wird.
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Die Ausführungsform gemäß 4 entspricht wiederum der Kühlanordnung 10 gemäß 3, wobei lediglich der Antrieb des Kältemittelverdichters 25 auch hier wieder wie in der 2 über eine Kupplung 34 und die Riemenscheibe 36 eines Verbrennungsmotors oder eines elektrischen Fahrantriebsmotors erfolgt.
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5 zeigt ferner eine weitere Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß 3. Zusätzlich zu dem in der Bypassleitung 40 angeordneten Rippenrohr 38 ist hier noch eine Heizvorrichtung 44 vorgesehen. Dieser ist thermisch mit dem Latentwärmespeicher 22 gekoppelt. Die elektrische Heizvorrichtung 44 dient dazu dem Latentwärmespeicher 22 Wärmeenergie zuzuführen, was insbesondere in Rekuperationsphasen des Fahrzeugs energieeffizient geschehen kann. Dies ist dann erforderlich, wenn Umgebungstemperaturen vorliegen, die so tief sind, dass die Batterie 14, sobald sie diese Temperatur annimmt, nur nach eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit besitzt.
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Bei kalten Umgebungstemperaturen wird zur Kühlung der Batterie 14 die Abwärme der Batterie 14 ausschließlich über das Rippenrohr 38 an die Umgebung abgeführt, wobei die Kühlmittelpumpe 16 vorzugsweise hauptsächlich im Schubbetrieb des Fahrzeugs aktiv ist, so dass die über den Elektromotor des Fahrzeugs rekuperierte Energie für den Betrieb der Kühlmittelpumpe 16 genutzt werden kann. Dies schont die Batterie 14 und reduziert gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch, wie auch schon aus 3 bekannt.
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Liegt die Temperatur der Batterie 14 unterhalb ihrer optimalen Betriebstemperatur, so wird über die Heizvorrichtung 44 Wärme in den Latentwärmespeicher 22 eingespeist um durch den Wärmetauscher 20 und den ersten Kühlkreislauf 12 die Batterie 14 zu erwärmen. Durch die eingespeiste Wärme der Heizvorrichtung 44 kommt es zu einer Phasenumwandlung des Phasenübergangsmaterials im Latentwärmespeicher 22 und somit zu einer Speicherung von thermischer Energie im Latentwärmespeicher 22. Vorteilhafterweise wird für den Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung 44 zur Erwärmen des Latentwärmespeichers 22 ein Teil der rekuperierten elektrischen Energie verwendet, welche in dem Latentwärmespeicher 22 so auch speicherbar ist.
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Es ist dabei sinnvoll, solange die Heizvorrichtung 44 zu betreiben, bis des kompletten Phasenübergangsmaterial des Latentwärmespeichers 22 den Phasenwechsel vollzogen hat. Dies kann über eine einfache Temperaturüberwachung realisiert werden, da während des Phasenübergangs die Temperatur des Latentwärmespeichers 22 konstant bleibt. Steigt die Temperatur über die Schmelztemperatur des Phasenübergangsmediums, so kann davon ausgegangen werden, dass das komplette Phasenübergangsmaterial die Phase gewechselt hat und geschmolzen ist. Die Heizvorrichtung 44 kann zwar dann noch benutzt werden, den Latentwärmespeicher 22 weiter zu erwärmen, wobei jedoch Wärmeverluste nach außen hin zunehmen. Dies kann teilweise über eine Isolationsschicht um den Latentwärmespeicher 22 verhindert werden.
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Bei kalten Umgebungstemperaturen kann die im Latentwärmespeicher 22 enthaltene latente Wärmemenge dazu verwendet werden, die Batterie 14 zum Beispiel nach Abstellen/Abschalten des Fahrzeugs auf entsprechender Temperatur zu halten. Fällt die Temperatur in der Batterie 14 unter eine bestimmte Temperatur, so wird die Kühlmittelpumpe 16 kurzzeitig eingeschaltet, so dass über das zirkulierende Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf 12 Energie vom Latentwärmespeicher 22 zur Batterie 14 geführt wird, was eine weitere Auskühlung der Batterie 14 verhindert, bzw. die Batterie 14 entsprechend erwärmen kann. Hierdurch kann ein starkes Auskühlen der Batterie 14 lange hinausgezögert werden, so dass eine deutliche Erhöhung der Verfügbarkeit der Batterie 14 bzw. der vollen Funktions- und Leistungsfähigkeit der Batterie 14 sichergestellt werden kann.
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Die Ausführungsform gemäß 6 entspricht derjenigen gemäß 5, wobei lediglich die entsprechenden Steuereinrichtungen und Steuerleitungen zusätzlich dargestellt sind. Diese umfassen ein Steuergerät 46, welches über eine erste Steuerleitung 48 mit einem Temperatursensor 50 zur Bestimmung der Temperatur der Batterie 14 gekoppelt ist. Über eine Steuerleitung 52 ist das Steuergerät 46 mit einem Umgebungstemperatursensor 54 gekoppelt und über eine weitere Steuerleitung 56 mit einem Temperatursensor 58 zur Bestimmung der Temperatur des Latentwärmespeichers 22. Neben diesen Sensorverbindungen ist ferner eine Steuerleitung 60 zum Ansteuern des elektrischen Antriebsmotors 28 im zweiten Kühlkreislauf 26, eine Steuerleitung 62 zum Ansteuern eines Schaltmittels 64 zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Energieversorgung der Heizeinrichtung 44, eine Steuerleitung 66 zum Ansteuern des Drehschieberventils 42, sowie eine Steuerleitung 68 zum Ansteuern des Elektromotors 18 für die Kühlmittelpumpe 16 im ersten Kühlkreislauf 12 vorgesehen. Ferner ist das Steuergerät 46 an einen Fahrzeugdatenbus 70 gekoppelt.
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Ein zweckmäßiges Steuerprogramm für das Steuergerät 46 soll im Folgenden erläutert werden. Erreicht die Batterietemperatur einen bestimmten oberen Schwellenwert, wie durch den Sensor 50 detektiert werden kann, wenn gleichzeitig die mittels des Sensors 54 ermittelte Umgebungstemperatur geringer ist als die Batterietemperatur, so wird das Kühlmittel der Batterie 14 durch das Rippenrohr 38 geleitet. Die Wärme der Batterie 14 wird somit an die Umgebung abgeführt, ohne dass aktiv gekühlt werden muss. Um eine optimale Kühlleistung zu erreichen, wird durch das Steuergerät 46 auch die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 16 gesteuert. Ist dabei besonders sinnvoll, die Pumpe auf einer höheren Drehzahl zu betreiben, wenn das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet, so dass ein Teil der rekuperierten Bremsenergie zum Antrieb der Kühlmittelpumpe 16 verwendet werden kann. Hierdurch kann Energie eingespart werden.
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Ist die mittels des Sensors 54 ermittelte Umgebungstemperatur so hoch, dass nicht mehr genügend Wärmeleistung über das Rippenrohr 38 an die Umgebung abgeführt werden kann, so wird das Drehschieberventil 42 durch das Steuergerät 46 so angesteuert, dass der Kühlmittelstrom aus der Batterie 14 vermehrt über den Latentwärmespeicher 22 geführt wird. Die Wärmeenergie aus der Batterie 14 wird dann über das Kühlmittel an den Latentwärmespeicher 22 bzw. dessen Phasenübergangsmedium abgegeben.
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Um sicher zustellen, dass der Latentwärmespeicher 22 auch eine ausreichende Wärmesenke für die Wärmeenergie des Kühlmittels aus der Batterie 14 darstellt, wird das Phasenübergangsmedium des Latentwärmespeichers 22 rechtzeitig über den zweiten Kühlkreislauf 26 entsprechend niedrig temperiert. Rechtzeitig bedeutet in diesem Kontext, dass auf Grund der ausgelesenen Temperaturwerte für die Umgebungstemperatur und die Batterietemperatur das Steuergerät über einen entsprechenden Algorithmus erkennt, dass die Abfuhr der Wärmeenergie aus der Batterie 14 nicht mehr ausreichend sein wird und dann in Schubphasen des Fahrzeugs den Kältemittelverdichter 25 des zweiten Kühlkreislaufs 26 ansteuert und mit rekuperierter Energie aus der Schubphase antreibt. Idealerweise wird somit das Phasenübergangsmaterial des Latentwärmespeichers 22 deutlich unterkühlt. Befindet sich somit insbesondere während einer Schubphase deutlich unterhalb der Umwandlungstemperatur. Um ein Eindringen von Umgebungswärme in den Latentwärmespeicher 22 zu verhindern, ist es sinnvoll, diesen zur Umgebung hin mit einer entsprechenden Isolationsschicht zu versehen.
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Um einen energetisch möglichst geringen Aufwand für die Kühlung des Latentwärmespeichers 22 zu betreiben, sollte der Kältemittelverdichter 25 möglichst ausschließlich in Schubphasen des Fahrbetriebs verwendet werden, bzw. sollte eine Leistungserhöhung des Kältemittelverdichters 25 zum Zwecke der Kühlung des Latentwärmespeichers 22 nur während Schubphasen erfolgen, falls der Kältemittelverdichter 25 zum normalen Klimabetrieb dauerhaft betrieben wird.
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Durch das Phasenübergangsmaterial des Latentwärmespeichers 22 und seine Speicherfähigkeit ist somit sichergestellt, dass auch dann eine ausreichende Kühlung der Batterie 14 erfolgt, wenn über längere Zeit keine Schubphasen des Fahrzeugs erfolgen. Wie lange dies möglich ist, hängt letztendlich von der eingesetzten Menge von Phasenübergangsmedium im Latentwärmespeicher 22 ab.
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Durch die Speicherfähigkeit von thermischer Energie des Latentwärmespeichers 22 und der damit möglichen Nutzung des Kältemittelverdichters 25 ausschließlich in Schubphasen kann eine sehr energieoptimierte Kühlung der Batterie 14 realisiert werden, was zu einem deutlich reduzierten Kraftstoff bzw. Energieverbrauch des Fahrzeugs und somit zu einer entsprechend hohen Reichweite führt. Neben der Einsparung von Energie kann mit dieser Kühlanordnung 10 bei entsprechender Betriebsweise die Fahrleistung verbessert werden. So kann beispielsweise im Beschleunigungsfall (z. B. bei Kick-Down-Beschleunigung) der zweite Kühlkreislauf 26 oder der erste Kühlkreislauf 12 abgeschaltet bzw. deren Leistung reduziert werden. Die hierdurch freigegebene Energie steht somit für andere Zwecke zur Verfügung, und kann für den Vortrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden, um entweder die Beschleunigung bzw. Fahrleistung zu verbessern oder eine Energie- bzw. Kraftstoffeinsparung zu realisieren.
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Dadurch, dass das Phasenübergangsmedium des Latentwärmespeichers 22 während seiner Umwandlungsphase von fest nach flüssig seine Temperatur auch bei Aufnahme von Wärmeenergie beibehält, kann sichergestellt werden, dass eine Wärmeübertragung der Abwärme der Batterie 14, welche von der Batterie 14 über das Kühlmittel an den Latentwärmespeicher 22 abgegeben wird, sicher erfolgt und keine höhere Batterietemperatur in Kauf genommen werden muss. Somit lässt sich die Verfügbarkeit der Batterie 14 erhöhen, weil eine Abregelung der Batterie 14 auf Grund einer thermischen Belastung derselben nicht notwendig wird.
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Bei tiefen Umgebungstemperaturen hat die Batterie 14 eine deutlich eingeschränkte Leistungsfähigkeit, was zu einer verminderten Verfügbarkeit und damit zum Teil zu erheblichen Einschränkungen der Fahrleistungen und des Kundennutzes zur Folge haben kann. Um ein zu starkes Abkühlen der Batterie 14 bei kalten Umgebungstemperaturen zu verhindern, lässt sich die im Latentwärmespeicher 22 angeordnete elektrische Heizvorrichtung 44 betreiben.
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Wird über den Temperatursensor 54 eine Umgebungstemperatur detektiert, die einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet, so wird über die elektrische Heizvorrichtung 44 thermische Energie in den Latentwärmespeichers 22 eingebracht. Insbesondere wird hierzu rekuperierte elektrische Energie aus einem Elektromotor im Schubbetrieb des Fahrzeugs genutzt. Im Phasenübergangsmedium des Latentwärmespeichers 22 wird die entsprechende thermische Energie gespeichert, was solange und wiederhalt im Schubbetrieb des Fahrzeugs erfolgt, bis das Phasenübergangsmedium geschmolzen ist und in der flüssigen Phase vorliegt. So wird zur Erwärmung der Batterie 14 über den Kühlkreislauf 12 aus dem Latentwärmespeicher 22 vor allem rekuperierte Energie verwendet, was eine hohe Effizienz zur Folge hat.
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Wird das Fahrzeug nun bei kalter Umgebungstemperatur, z. B. unter 0°C abgestellt, so beginnt die Batterie 14 auszukühlen und ihre Temperatur nähert sich über die Zeit der Umgebungstemperatur an. Um dies zu verhindern, wird die im Latentwärmespeicher 22 gespeicherte Wärmeenergie der Batterie 14 zugeführt. Dies erfolgt durch Ansteuerung des Elektromotors 18 der Kühlmittelpumpe 16 im ersten Kühlkreislauf 12 durch das Steuergerät 46.
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Im abgeschalteten Zustand des Fahrzeugs wird vom Steuergerät 46 regelmäßig die Temperatur im Latentwärmespeicher 22 und in der Batterie 14 abgefragt. Ist die Batterietemperatur unterhalb eines bestimmten Wertes und/oder unterhalb der Temperatur des Phasenübergangsmediums des Latentwärmespeichers 22, so erfolgt eine kurze Umwälzung des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 12 über die Batterie 14, so dass diese wieder erwärmt wird. Somit lässt sich eine zu starke Abkühlung der Batterie 14 und die damit zusammenhängenden Nachteile verhindern. Eine Kühlung der Batterie 14 im Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen erfolgt dabei ausschließlich über das Rippenrohr 38, so dass ein Betrieb des zweiten Kühlkreislaufs 26 bzw. des Kältemittelverdichters 25 nicht notwendig ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlanordnung
- 12
- Kühlkreislauf
- 14
- Batterie
- 16
- Kühlmittelpumpe
- 18
- Elektromotor
- 20
- Wärmetauscher
- 22
- Latentwärmespeicher
- 24
- Verdampfer
- 25
- Kältemittelverdichter
- 26
- Kühlkreislauf
- 28
- Antriebsmotor
- 30
- Klimakondensator
- 32
- Expansionsventil
- 34
- Kupplung
- 36
- Riemenscheibe
- 38
- Rippenrohr
- 40
- Bypassleitung
- 42
- Drehschieberventil
- 44
- Heizvorrichtung
- 46
- Steuergerät
- 48
- Steuerleitung
- 50
- Sensor
- 52
- Steuerleitung
- 54
- Temperatursensor
- 56
- Steuerleitung
- 58
- Temperatursensor
- 60
- Steuerleitung
- 62
- Steuerleitung
- 64
- Schaltmittels
- 66
- Steuerleitung
- 68
- Steuerleitung
- 70
- Fahrzeugdatenbus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7147071 B2 [0004, 0005]
