DE102012217101A1

DE102012217101A1 - Kühlmittelkreislauf für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102012217101A1
Application number: DE201210217101
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich; Stefan Schub
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: WO2014044481A1; DE102012217101B4

Abstract

Kühlmittelkreislauf für Fahrzeuge, mit mindestens einer in einem niedrigen Temperaturbereich wärmeabgebenden ersten Komponente und mindestens einer in einem höheren Temperaturbereich wärmeabgebenden zweiten Komponente. Die mindestens eine zweite Komponente ist, in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet, nach der ersten Komponente angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In Kraftfahrzeugen wird Abwärme aus dem Betrieb von Verbrennungsmotoren oder elektrischen Antrieben oder elektronischen Hochleistungsbaugruppen mittels fluidischer Kühlmittelkreisläufe in die Umgebung abgeführt. Manche Fahrzeuge sind sogar mit zwei oder mehr als zwei Kühlmittelkreisläufen ausgerüstet, in denen jeweils Komponenten zusammengefasst sind, deren Betriebstemperaturniveaus relativ nahe beieinander liegen.
In Fahrzeugen anzutreffen sind „Hochtemperaturkühlmittelkreisläufe”, die z. B. zwischen Temperaturen von circa 90° und 125° betrieben werden und zur Kühlung von Verbrennungsmotoren vorgesehen sind, oder „Niedertemperaturkreisläufe”, die in einem Temperaturbereich zwischen z. B. 55° Celsius und 85° Celsius betrieben werden und zur Kühlung elektrischer Komponenten (z. B. Hochvoltspeicher, Leistungselektronik etc.) vorgesehen sind. Jeder dieser einzelnen Kühlkreisläufe muss mit mindestens einer eigenen Kühlmittelpumpe und einem eigenen Kühler ausgerüstet sein, was mit entsprechend hohem Aufwand verbunden ist.
Als nachteilig ist ferner anzusehen, dass sich die einzelnen Kühlmittelkreisläufe hinsichtlich der an sie gestellten Anforderungen teilweise überlappen. So überlappen sich beispielsweise die Bandbreiten der Förderraten der Kühlmittelpumpen. Ferner deckt die Kühlleistung der Kühleinrichtung eines Hochtemperaturkühlmittelkreislaufs in vielen, wenn nicht sogar in den meisten Betriebszuständen den Leistungsbedarf eines oder aller anderen Kühlmittelkreisläufe ab. Nur in relativ seltenen Fällen, in denen alle Kühlmittelkreisläufe unter „Volllast” betrieben werden, etwa beim parallelen Volllastbetrieb der elektrischen und der verbrennungsmotorischen Komponenten eines Hybridfahrzeugs, werden die einzelnen Komponenten der Kühlkreisläufe tatsächlich auslegungsgerecht beansprucht. Für die in der Praxis ganz überwiegend auftretenden Teillastfälle sind die meisten Komponenten der Kühlkreisläufe überdimensioniert. In Betriebszuständen, in denen ein Hybridfahrzeug rein elektromotorisch oder rein verbrennungsmotorisch angetrieben wird, sind u. U. ganze Kühlmittelkreisläufe des Fahrzeugs ausgeschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlkonzept für Fahrzeuge zu schaffen, welches die oben erläuterten, sich aus mehreren singulären Kühlmittelkreisläufen ergebenden Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist die Grundüberlegung, zwei oder mehrere Kühlmittelkreisläufe zu einem einzigen Kühlmittelkreislauf zu integrieren und möglichst viele oder alle Komponenten des integrierten Kühlmittelkreislaufs auch in Teillast- oder Teilbetriebszuständen mit Kühlmittel zu durchströmen.
Dementsprechend wird ein Kühlmittelkreislauf für Fahrzeuge vorgeschlagen, der mindestens eine in einem niedrigen Temperaturbereich wärmeabgebende erste Komponente und mindestens eine in einem höheren Temperaturbereich wärmeabgebende zweite Komponente aufweist, wobei die mindestens eine zweite Komponente, in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet, nach der ersten Komponente angeordnet ist.
Die in Strömungsrichtung des Kühlmittels stromabwärts angeordnete zweite Komponente weist eine höhere Kühlmitteleintrittstemperatur auf als die in Bezug dazu stromaufwärts angeordnete erste Komponente.
Bei der mindestens einen ersten Komponente kann es sich beispielsweise um eine elektrisch betriebene Komponente handeln, z. B. um eine Fahrzeugvortrieb erzeugende elektrische Maschine und/oder einen (Hochvolt-)Generator und/oder einen Hochvoltspeicher und/oder einen Gleichspannungswandler (sogenannter DC/DC-Wandler) und/oder eine Leistungselektronik etc.
Bei der mindestens einen zweiten Komponente kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeugs und/oder um einen Getriebeölkühler und/oder einen Abgasturbolader des Verbrennungsmotors etc. handeln.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleingang der mindestens einen ersten Komponente in einem Betriebstemperaturbereich zwischen 55°C und 80°C liegt. Bei einem Kaltstart des Fahrzeugs kann die Eintrittstemperatur aber auch wesentlich darunter liegen, z. B. bei bis zu –35°C. Im Volllastbetrieb kann die Eintrittstemperatur an der mindestens einen ersten Komponente aber auch bei bis zu 85°C liegen.
Alternativ dazu kann es sich bei der mindestens einen ersten Komponente auch um eine verbrennungsmotorisch erwärmte Hochtemperaturkomponente, insbesondere um eine Komponente zur Kühlung des Motorblocks des Verbrennungsmotors handeln, welche eine Kühlmitteleintritts/Austrittstemperatur in einem Bereich zwischen –35°C und 125°C haben kann. Bei der mindestens einen zweiten Komponente kann es sich dann um eine verbrennungsmotorisch erhitzte Höchsttemperaturkomponente, wie z. B. um einen Abgas abführenden Wärmetauscher handeln, dessen Kühlmitteleintritt-/Austrittstemperatur in einem Bereich zwischen –35°C und 400°C liegen kann.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung folgende Vorteile erreicht:

– Mit dem vorgeschlagenen integrierten Kühlkreislauf kann im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen die Anzahl einzelner Komponenten verringert werden, was die Fahrzeugmasse, den Bauraumbedarf sowie Herstell- und Betriebskosten des Fahrzeugs verringert.
– Bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung sind die Verbrennungskraftmaschine und gegebenenfalls das Motorölreservoir und gegebenenfalls das Getriebeölreservoir während des Betriebs des Elektromotors permanent von Kühlmittel durchströmt, was den Vorteil hat, dass bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aus dem rein elektrischen Fahrbetrieb heraus der Verbrennungsmotor durch die Abwärme der „Elektrokomponenten” auf eine Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 80°C vorgewärmt werden kann, was Abgasemissionen des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors verringert. Da auch im Teillastbetrieb des Fahrzeugs sowie im rein elektrischen oder überwiegend verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb eines Hybridfahrzeugs stets alle Kühler durchströmt sind, verringert sich der elektrische Leistungsbedarf eines evtl. zusätzlich vorgesehenen Kühlergebläses. Zusätzlich minimiert sich dadurch die Kühleraustrittstemperatur und der elektrische Leistungsbedarf der Hauptkühlmittelpumpe.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 den einfachsten Fall eines integrierten Kühlmittelkreislaufs gemäß der Erfindung;
2–10 weitere Ausgestaltungen eines integrierten Kühlmittelkreislaufs.
1 zeigt einen integrierten Kühlmittelkreislauf 1, der mindestens eine in ein einem niedrigen Temperaturbereich Wärme abgebende erste Komponente 2 und mindestens eine in einem höheren Temperaturbereich Wärme abgebende zweite Komponente 3 aufweist. Mittels einer Kühlmittelpumpe 4 wird von einer Kühleinrichtung 5 kommendes, abgekühltes Kühlmittel angesaugt und zunächst durch die mindestens eine erste Komponente und weiter durch die in Reihe zur ersten Komponente 2 angeordnete zweite Komponente 3 gepumpt.
Wie bereits erwähnt gibt die erste Komponente 2 auf einem niedrigen Temperaturbereich Wärme an das Kühlmittel ab. Die zweite Komponente 3 gibt auf einem höheren Temperaturbereich Wärme an das Kühlmittel ab. Die maximale Kühlmitteltemperatur wird am Ausgang der zweiten Komponente 3 erreicht. Von dort strömt das Kühlmittel zurück zu der Kühleinrichtung 5, wo es erneut abgekühlt wird.
Bei der mindestens einen ersten Komponente 2 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugvortrieb erzeugende elektrische Maschine, einen Generator, einen Hochvoltspeicher, einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) oder eine Leistungselektronik oder um Kombinationen solcher Komponenten handeln. Bei der mindestens einen zweiten Komponente 3 kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor, einen Getriebeölkühler oder um einen Abgasturbolader oder um Kombinationen solcher Komponenten handeln.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist die Kühleinrichtung 5 durch mehrere einzelne Kühleinheiten (Einzelkühler 5a, 5b, 5c) gebildet. In Strömungsrichtung betrachtet strömt das von der mindestens einen zweiten Komponente 3 kommende heiße Kühlmittel zunächst durch den Kühler 5a. In Reihe zu dem Kühler 5a geschaltet sind die beiden parallel zueinander angeordneten Kühler 5b, 5c. Nach Durchströmen der beiden parallel angeordneten Kühler 5b, 5c strömt das Kühlmittel weiter zur Saugseite der Kühlmittelpumpe 4. Die Kühleinrichtung 5 kann also durch mehrere in Reihe oder teilweise parallel zueinander geschaltete Kühler gebildet sein.
3 zeigt eine Erweiterung des in 2 dargestellten Kühlmittelkreislaufs. Zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel der 2 ist hier eine Abzweigleitung 6 vorgesehen, über die ein Teilvolumenstrom des von der ersten Komponente kommenden Kühlmittelvolumenstroms unter Umgehung der zweiten Komponente 3 in die Kühleinrichtung 5 geleitet wird. Konkret wird bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel über die Abzweigleitung 6 ein Teilvolumenstrom des von der ersten Komponente 2 kommenden Kühlmittelvolumenstroms an einer Stelle zwischen dem ersten Kühler 5a und den beiden parallel zueinander angeordneten Kühlern 5b, 5c in die Kühleinrichtung 5 eingespeist. Je nach Druckverhältnissen kann die Strömungsrichtung des Kühlmittels in der Abzweigleitung 6 auch umgekehrt sein, d. h. bei entsprechenden Druckverhältnissen kann auch Kühlmittel nach dem ersten Kühler 5a abgezweigt und unter Umgehung der ersten Komponente 2 zur zweiten Komponente 3 geleitet werden.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 ist in der Abzweigleitung 6 zusätzlich ein z. B. elektrisch ansteuerbares Absperr- oder Regelventil 7 und eine weitere Kühlmittelpumpe 8 angeordnet. Die Kühlmittelpumpe 8 ist dazu vorgesehen, einen Teilvolumenstrom des in die Kühleinrichtung 5 einströmenden Kühlmittelvolumenstroms unter Umgehung der Kühler 5b, 5c, der (Haupt-)Kühlmittelpumpe 4 und der ersten Komponente 2 zum Eingang der zweiten Komponente 3 zu pumpen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem parallel zur Kühleinrichtung 5 ein Heizkreis 9 geschaltet ist. Der Heizkreis 9 weist bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Heizeinrichtung, die z. B. durch einen elektrisch betriebenen Durchlauferhitzer 10 gebildet sein kann, einen Heizwärmetauscher 11 und eine Kühlmittelpumpe 12 auf. Bei dem Heizwärmetauscher kann es sich beispielsweise um einen Kühlmittel-/Luftwärmetauscher handeln, über den Wärme an eine in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmende Luft abgegeben wird. Der Heizkreis 9 ist über eine Kühlmittelleitung 13 als geschlossener Kreislauf ausgebildet, der über eine Zulaufleitung 14, in der ein elektrisch ansteuerbares Absperr- bzw. Regelventil 15 angeordnet ist, mit der Eingangsseite der Kühleinrichtung 5 verbunden ist. Über eine Rücklaufleitung 16, in der ein elektrisch ansteuerbares Absperr- bzw. Regelventil 17 angeordnet ist, ist die Druckseite der Kühlmittelpumpe 12 mit dem Ausgang der Kühleinrichtung 5 verbunden.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der in 5 gezeigten Anordnung. Hier ist zusätzlich eine zu kühlende elektrische Speichereinrichtung 18 vorgesehen, die parallel zu dem Heizkreis 9 und parallel zu der Kühleinrichtung 5 geschaltet ist. Ein erster Fluidanschluss der elektrischen Speichereinrichtung 18 ist über ein Ventil 19 mit der Zulaufleitung 14 verbunden. Ein zweiter Fluidanschluss der elektrischen Speichereinrichtung 18 ist über ein Ventil 20 mit der Rücklaufleitung 16 verbunden. Bei der elektrischen Speichereinrichtung 18 kann es sich beispielsweise um einen Hochvoltspeicher handeln. Bei den Ventilen 19, 20 kann es sich analog zu den oben erwähnten Ventilen um elektrisch ansteuerbare Absperr- bzw. Regelventile handeln. Zusätzlich zu dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch in der Verbindungsleitung 13, welche die Druckseite der Kühlmittelpumpe 12 mit der elektrischen Heizeinrichtung 10 verbindet, ein Ventil 21 vorgesehen.
7 zeigt eine alternative Anordnungsmöglichkeit eines elektrischen Energiespeichers 18. Ausgehend vom Ausführungsbeispiel der 1 ist die Kühlmittelpumpe 4 über eine Hauptkühlmittelleitung 22 mit den stromabwärts in Bezug auf die Kühlmittelpumpe angeordneten Komponenten 2 bzw. 3 verbunden. In der Hauptkühlmittelleitung 22 ist hier ein elektrisch ansteuerbares Absperr- bzw. Regelventil 23 angeordnet. Parallel zu dem Ventil 23 ist die elektrische Speichereinrichtung 18 geschaltet, die über die Ventile 19, 20 mit der Hauptleitung in Fluidverbindung steht. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Speichereinrichtung also stromabwärts in Bezug auf die Kühlmittelpumpe 4 und stromaufwärts in Bezug auf die erste und/oder die zweite Komponente 2 bzw. 3 in den Kühlmittelkreislauf 1 integriert.
Ein Teil des von der Kühleinrichtung 5 kommenden gekühlten Kühlmittels wird nach der Kühlmittelpumpe somit unmittelbar durch die elektrische Speichereinrichtung 18 geleitet.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der eine der beiden Komponenten (hier die Komponente 3) mit einem „internen Kühlkreis 24” ausgestattet ist. Der interne Kühlkreis 24 ist hier gebildet durch einen Fluidkreis, welcher eine Kühlmittelpumpe 25 aufweist, die Kühlmittel durch eine Absperr- bzw. Regeleinrichtung 26 und weiter durch die Komponente 3 pumpt. Bei der Absperr- bzw. Regeleinrichtung 26 kann es sich beispielsweise um ein Kennfeldthermostatventil handeln. Der interne Kühlkreislauf 24 ist über Verbindungsleitungen 27, 28 mit einer Hauptleitung 22 des Kühlmittelkreislaufs 1 verbunden. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Verbindungsleitung 28 ein weiteres Absperr- bzw. Regelventil 29 angeordnet.
9 zeigt eine Variante der in 8 gezeigten Anordnung eines internen Kühlkreislaufs 24, jedoch mit erhöhtem Kühlmitteldruck. Der interne Kühlkreislauf 24 ist hier durch das Ventil 26, ein weiteres Ventil 30 und die zu kühlende Komponente 3 gebildet. Parallel zu dem Ventil 30 ist die Kühlmittelpumpe 25 geschaltet. Bei dem Ventil 30 kann es sich beispielsweise um ein Rückschlagventil handeln, wodurch sich in der Komponente 3 insgesamt ein höherer Kühlmitteldruck ergibt als bei der in 8 gezeigten Anordnung ergibt.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kühlmittelkreislaufs für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung. Aufbau und Funktionsweise des dort gezeigten Kühlmittelkreislaufs sind in Zusammenhang mit der Legende der 10 selbsterklärend.

Claims

Kühlmittelkreislauf (1) für Fahrzeuge, mit mindestens einer in einem niedrigen Temperaturbereich wärmeabgebenden ersten Komponente (2) und mindestens einer in einem höheren Temperaturbereich wärmeabgebenden zweiten Komponente (3), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Komponente (3), in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet, nach der ersten Komponente (2) angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen ersten Komponente (2) um eine elektrisch betriebene Komponente, insbesondere um – eine Fahrzeugvortrieb erzeugende elektrische Maschine und/oder – einen Generator und/oder – einen Hochvoltspeicher und/oder – einen Gleichspannungswandler und/oder – eine Leistungselektronik handelt.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen zweiten Komponente (3) um – einen Verbrennungsmotor und/oder – einen Getriebeölkühler und/oder – einen Abgasturbolader handelt.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteltemperatur an einem Eintritt in die mindestens eine erste Komponente (2) in einem Bereich zwischen 55°C und 80°C liegt.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteltemperatur an einem Eintritt in die mindestens eine zweite Komponente in einem Bereich zwischen 90°C und 125°C liegt.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet, vor der ersten zu kühlenden Komponente (2) eine von Kühlmittel durchströmte Kühleinrichtung (5) vorgesehen ist, über die das Kühlmittel Wärme abgibt.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) mindestens zwei Kühleinheiten (5a, 5b, 5c) aufweist, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass, in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet, zwischen der Kühleinrichtung (5) und der ersten Komponente eine Kühlmittelpumpe (4) angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigleitung (6) vorgesehen ist, über die zumindest ein Teilvolumenstrom des den Kühlmittelkreislauf (1) durchströmenden gesamten Kühlmittelvolumenstroms unter Umgehung der ersten Komponente (2) zur zweiten Komponente (3) strömt.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (6) zwischen zwei in Reihe angeordneten Kühleinheiten (5a; 5b, 5c) von der Kühleinrichtung (5) abzweigt.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abzweigleitung (6) eine Kühlmittelpumpe (8) und/oder ein Absperrventil- oder Regelventil (7) angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Kühleinrichtung (5) oder parallel zu mindestens einer Kühleinheit (5a, 5b, 5c) der Kühleinrichtung (5) ein Heizkreis (9) geschaltet ist, welcher über eine Zuleitung (14) und eine Rückleitung (16) mit dem Kühlmittelkreislauf (1) verbunden ist, wobei der Heizkreis (9) einen Heizwärmetauscher (11) aufweist, der dazu vorgesehen ist, Luft zu beheizen.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreis eine elektrische Heizeinrichtung (10) und/oder eine zusätzliche Kühlmittelpumpe (12) aufweist.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (14) und/oder in der Rückleitung (16) ein steuerbares oder regelbares Ventil (15, 17) angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine kühlmitteldurchströmte elektrische Speichereinrichtung (18), insbesondere ein Hochvoltspeicher, vorgesehen ist, die in dem Heizkreis (9) oder parallel zu dem Heizkreis (9) angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Speichereinrichtung (18) und der Zuleitung (14) und/oder der Rückleitung (16) ein steuerbares oder regelbares Ventil (19, 20) angeordnet ist.
Kühlmittelkreislauf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von Kühlmittel durchströmter elektrischer Energiespeicher (18) vorgesehen ist, der parallel zu einer Hauptleitung (22) des Kühlmittelkreislaufs (1) geschaltet ist und der zwischen einer in der Hauptleitung (22) angeordneten Kühlmittelpumpe (4) und der ersten oder zweiten Komponente (2, 3) angeordnet ist.