-
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugkühlmittelsystem, umfassend zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare Kühlmittelkreisläufe, wobei zumindest ein erster Kühlmittelkreislauf auf einem ersten Temperaturniveau und zumindest ein zweiter Kühlmittelkreislauf auf einem zweiten, im Vergleich zu dem ersten Temperaturniveau niedrigeren Temperaturniveau arbeitet und wobei der erste Kühlmittelkreislauf insbesondere zum Temperieren eines Verbrennungsmotors oder einer elektrischen Maschine und der zweite Kühlkreislauf zum Temperieren eines Energiespeichers vorgesehen ist, sowie ein Fahrzeug mit zumindest einem Energiespeicher, insbesondere zumindest einem Verbrennungsmotor und zumindest einer elektrischen Maschine sowie einem Fahrzeugkühlmittelsystem, umfassend zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare Kühlmittelkreisläufe.
-
Fahrzeuge mit zumindest einem Energiespeicher in Form einer Traktionsbatterie, zumindest einem Verbrennungsmotor, zumindest einer elektrischen Maschine und zumindest einem Fahrzeugkühlsystem sowie Fahrzeugkühlsysteme, die zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare Kühlmittelkreisläufe umfassen, von denen zumindest ein erster Kühlmittelkreislauf auf einem ersten Temperaturniveau und zumindest ein zweiter Kühlmittelkreislauf auf einem zweiten, im Vergleich zu den ersten Temperaturniveau niedrigeren Temperaturniveau arbeitet, sind im Stand der Technik bekannt. Der erste Kühlmittelkreislauf dient dabei insbesondere zum Temperieren des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder der elektrischen Maschine von diesem. Der zweite Kühlkreislauf dient zum Temperieren der Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Unter einer Traktionsbatterie wird ein Energiespeicher zum Antrieb von Fahrzeugen mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb, umfassend einen Elektroantrieb und einen Verbrennungsmotor, verstanden. Da die Traktionsbatterie zyklischen Lade- und Endladeprozessen ausgesetzt ist, werden üblicherweise Akumulatoren verwendet, insbesondere eine Zusammenschaltung von einzelnen Akkumultorzellen oder -blocken. Im Vergleich zu Gerätebatterien weisen die Zellen einer Traktionsbatterie eine vielfach höhere Kapazität auf. Durch serielles Zusammenschalten von Einzelzellen ergibt sich die Fahrspannung bzw. Traktionsspannung. Durch eine Erhöhung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen können die Speicherkapazität und die Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Traktionsspannung und elektrischer Ladung oder galvanischer Kapazität der Einzelzellen bzw. parallel geschalteten Zellen ergibt den Energiegehalt der Traktionsbatterie. Die Zellen einer Traktionsbatterie weisen fertigungsbedingt sowie durch Nutzungseinflüsse Unterschiede in der Kapazität und Stromabgabe aufgrund variierenden inneren Widerstands auf. Mit sinkenden Temperaturen verringert sich die Beweglichkeit der Elektronen, was dazu führt, dass sich auch die Fähigkeit der Traktionsbatterie zur Abgabe hoher Ströme verringert. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und da verschiedene Akkutechnologien bei tieferen Temperaturen unbrauchbar werden, ist es bekannt, Traktionsbatterien eine Heizeinrichtung zuzuordnen. Bei dem Betrieb von Traktionsbatterien sind somit sowohl zu hohe als auch zu niedrige Temperaturen problematisch, da im einen Falle ein Kühlen und im anderen ein Heizen erforderlich ist.
-
Fahrzeuge, die mit einem Traktionsbatterie-Temperierungssystem bzw. einem Batteriekreislauf zum Temperieren der Traktionsbatterie versehen sind, sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2009 060 860 A1 ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug, das zumindest einen Kältemittelkreislauf und zumindest einen Temperierkreislauf zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums und zumindest einer Fahrzeugkomponente umfasst, wobei zumindest eine Einrichtung zur Wärmeaufnahme von dem Temperierkreislauf und zumindest eine Einrichtung zur Wärmeabgabe an den Temperierungskreislauf vorgesehen sind. Hierbei erfolgt die Temperierung der Traktionsbatterie durch einen Kühlwasserkreislauf unter Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr durch den Kältemittelkreislauf des Fahrzeugs. Für das Temperieren der Traktionsbatterie wird ein anderes Temperaturniveau benötigt als für Fahrzeugmotor und Aggregate sowie den Fahrzeuginnenraum. Durch das Klimatisierungssystem werden sowohl Kühl- als auch Temperieraufgaben übernommen, wodurch dessen Aufbau recht komplex ist.
-
Die
DE 10 2009 059 240 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug-Kühlsystem mit einem ersten Kühlkreislauf einer in diesen eingebundenen zu kühlenden elektrischen Komponente eines Fahrzeugs, einer Kälteanlage und einem Kältemittel-Kühlflüssigkeit-Wärmetauscher. In dem ersten Kühlkreislauf zirkuliert eine Kühlflüssigkeit zum Kühlen der elektrischen Komponente. Über den Wärmetauscher wird die von der Kälteanlage bereitgestellte Kühlleistung auf die Kühlflüssigkeit übertragen. In dem ersten Kühlkreislauf ist ferner ein erster Kühlflüssigkeit-Luft-Wärmetauscher zum Kühlen von Luft für den Fahrzeuginnenraum vorgesehen. Die Fahrzeugheizvorrichtung weist ein brennstoffbetriebenes Heizgerät und/oder einen elektrischen Widerstandsheizer auf. Die Temperierung der Traktionsbatterie erfolgt somit durch Integration von Heiz- und Kühleinrichtungen in den Kühlkreislauf, wobei der Batteriekreislauf recht komplex ist. Die Kreisläufe können nur bedingt voneinander entkoppelt, d. h. unabhängig voneinander, betrieben werden.
-
Einige bekannte Fahrzeuge mit Hybrid- oder auch Elektroantrieb umfassen einen Kältekreislauf, einen Heiz- und Kühlkreislauf für den Fahrzeuginnenraum bzw. die Fahrgastzelle, einen Kühlkreislauf für die Elektronikkomponenten, die Leistungselektronik, den Elektromotor bzw. die elektrische Maschine etc. und einen Batteriekreislauf für die Traktionsbatterie. Ein Beispiel für ein solches Fahrzeug ist der Opel Ampera, der einen Kältekreislauf, umfassend einen Verdichter, einen Kondensator, einen Verdampfer und einen Chiller, einen Heiz- und Kühlkreislauf zum Temperieren des Fahrzeuginnenraumes, einen Elektronik-Kühlkreislauf und einen Batterietemperierkreislauf umfasst. Es sind somit ein Kältekreislauf und drei Kühlmittelkreisläufe bei diesem Fahrzeug vorgesehen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugkühlmittelsystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen dahingehend fortzubilden, dass eine sehr effektive Temperierung des Energiespeichers, insbesondere der Traktionsbatterie, ermöglicht wird, wobei ein Arbeiten auf unterschiedlichen Temperaturniveaus möglich ist.
-
Die Aufgabe wird für ein Fahrzeugkühlmittelsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest eine Rekuperationseinrichtung vorgesehen ist zum thermischen Koppeln des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten Kühlmittelkreislaufs. Für ein Fahrzeug mit zumindest einem Energiespeicher, zumindest einem Antriebsaggregat, insbesondere zumindest einer elektrischen Maschine bei einem Elektrofahrzeug oder zumindest einem Verbrennungsmotor und zumindest einer elektrischen Maschine bei einem Hybridfahrzeug, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest ein solches Fahrzeugkühlmittelsystem, enthaltend zumindest eine Rekuperationseinrichtung, vorgesehen ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Dadurch wird ein Fahrzeug in Form eines Elektrofahrzeugs oder Hybrid-Fahrzeugs mit einem Fahrzeugkühlmittelsystem bzw. ein Fahrzeugkühlmittelsystem für ein solches Fahrzeug geschaffen, das zumindest einen ersten und zumindest einen zweiten Kühlmittelkreislauf, die auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten, umfasst, wobei der erste Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der elektrischen Maschine oder des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs (bei einem Hybridfahrzeug) vorgesehen ist und der zweite Kühlkreislauf zum Temperieren des Energiespeichers insbesondere einer Traktionsbatterie oder eines Energiespeichers einer Brennstoffzelle des Fahrzeugs. Zum Erfüllen der verschiedenen Temperieraufgaben kann der erste Kühlmittelkreislauf auch aus mehreren Kreisläufen bestehen. Der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Kühlmittelkreislauf werden über die zumindest eine Rekuperationseinrichtung thermisch miteinander gekoppelt. Die Rekuperationseinrichtung, insbesondere in Ausbildung als Kühlwasser-Rekuperationswärmetauscher dient dazu, Wärme aus dem ersten Kühlmittelkreislauf in den zweiten Kühlmittelkreislauf einzukoppeln. Ferner können im ersten Kühlmittelkreislauf anfallende Kühlaufgaben erfüllt werden. Bei Nichtvorliegen eines Wärmebedarfs seitens des Energiespeichers kann bei Vorsehen einer Abschaltbarkeit oder Überbrückbarkeit der Rekuperationseinrichtung dafür gesorgt werden, dass keine Wärmeleistung in den zweiten Kühlmittelkreislauf übertragen wird.
-
Durch die thermische Kopplung der beiden Kühlmittelkreisläufe über die Rekuperationseinrichtung ist eine Energierückgewinnung von einem der beiden Kühlmittelkreisläufe und Verwertung in dem anderen möglich. Es kann somit eine Wärmeübertragung von einem Kühlmittelkreislauf auf den anderen erfolgen, wobei sich der Betrieb der Rekuperationseinrichtung nach dem Wärmebedarf des Energiespeichers bzw. des zweiten Kühlmittelkreislaufs richten wird.
-
Das Fahrzeug ist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Bei diesem sind für den jeweiligen elektrischen Antriebsstrang von dem Energiespeicher insbesondere in Form einer Traktionsbatterie, bis zur elektrischen Maschine unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. Auch bei einem Brennstoffzellen-Fahrzeug kann die Rekuperationseinrichtung vorteilhaft vorgesehen werden, wobei auch dieses einen Energiespeicher sowie einen Kühlmittelkreislauf für die elektrische Maschine umfasst. Bei der Stromerzeugung produziert die Brennstoffzelle Abwärme, ähnlich wie ein Verbrennungsmotor, allerdings auf vergleichsweise deutlich geringerem Temperaturniveau. Üblicherweise ist zwischen dem Energiespeicher, der Gleichspannung zur Verfügung stellt, und einer elektrischen Maschine in Form insbesondere einer Drehstrom-Elektro-Maschine ein Inverter vorgesehen, wie ein DC/AC-Wandler. In Abhängigkeit von der Art des Energiespeichers, wie einer Brennstoffzelle oder Traktionsbatterie, variiert der betriebsbedingte Abfall der Speicherspannung in Form der Gleichspannung. Hierdurch kann zusätzlich eine Anpassung einer Zwischenkreisspannung zwischen dem Inverter und dem Energiespeicher erforderlich werden, wobei vorteilhaft ein DC/DC-Wandler hier verwendet werden kann. Eine Anpassung der Zwischenkreisspannung kann als zusätzlicher Freiheitsgrad beim Optimieren des Wirkungsgrades genutzt werden. Der Energiespeicher in Form einer Brennstoffzelle oder Traktionsbatterie wird temperiert, wie vorstehend bereits erwähnt, durch den zweiten Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugkühlmittelsystems, wohingegen die Komponenten der elektrischen Maschine, des Inverters und des DC/DC-Wandlers lediglich gekühlt werden, da diese sich im Betrieb üblicherweise so weit erwärmen, dass für einen reibungsfreien Betrieb ein Kühlen erforderlich ist. Dies geschieht mittels des ersten Kühlmittelkreislaufs.
-
Um einen reibungsfreien Betrieb des Energiespeichers in Form einer Traktionsbatterie vorsehen zu können, sollte dieser in einem engen Temperaturbereich von insbesondere etwa 15°C bis 25°C betrieben werden. Hierdurch ergeben sich in Abhängigkeit vom Fahrzustand und den Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, Heiz- und Kühlaufgaben bezüglich des Energiespeichers. Der zweite Kühlmittelkreislauf als Temperierkreislauf für den Energiespeicher umfasst daher vorteilhaft zumindest eine Kühleinrichtung, insbesondere eine luftgekühlte Kühleinrichtung, zumindest einen Chiller zum Zukühlen aus einem Kältekreislauf, wie einen Wärmetauscher einer Kälteanlage, zumindest eine Heizeinrichtung, insbesondere einen Widerstands-Zuheizer (PTC-Zuheizer), zumindest eine Pumpeinrichtung zum Transportieren des Kühlmittels durch den zweiten Kühlmittelkreislauf und den Energiespeicher insbesondere in Form einer Traktionsbatterie. Ferner umfasst der zweite Kühlmittelkreislauf die Rekuperationseinrichtung und Ventile oder andere Einrichtungen zum Zu- und Abschalten der zumindest einen Kühleinrichtung, des zumindest einen Chillers und der zumindest einen Heizeinrichtung. In einer Ausführungsvariante kann die Rekuperationseinrichtung im zweiten Kühlmittelkreislauf in Reihe mit der Heizeinrichtung angeordnet sein. Die einzelnen Kühl- und Heizeinrichtungen, insbesondere die zumindest eine Kühleinrichtung und die zumindest eine Heizeinrichtung, sind vorteilhaft parallel zueinander geschaltet, um wahlweise die eine oder andere zuschalten zu können und dementsprechend jeweils nur eine Komponente, um die thermische Masse des Kreislaufs so gering wie möglich zu halten.
-
Vorteilhaft besteht die Möglichkeit, die Rekuperationseinrichtung zu- bzw. abzuschalten, bspw. dann aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf auszuschalten, wenn dieser zum Kühlen des Energiespeichers dient bzw. dann, wenn kein Wärmebedarf im zweiten Kühlmittelkreislauf bezüglich des Energiespeichers besteht, keine Wärmeleistung über die Rekuperationseinrichtung in den zweiten Kühlmittelkreislauf hinein zu übertragen. Da die Rekuperationseinrichtung eine thermische Masse aufweist, erweist es sich als vorteilhaft, zumindest eine Überbrückungseinrichtung, insbesondere eine Bypassleitung, zum Überbrücken der Rekuperationseinrichtung vorzusehen, so dass deren thermische Masse ohne Einfluss auf den Energiespeicher bzw. bei dessen Kühlen bleibt.
-
Um die Möglichkeit eines Abschaltens der Rekuperationseinrichtung zu haben, kann diese ebenfalls parallel zu der Heizeinrichtung des zweiten Kühlmittelkreislaufs angeordnet werden. Hierbei wird weiter vorteilhaft ein Ventil, insbesondere Proportionalventil, zum Zu- und Abschalten der Rekuperationseinrichtung vorgesehen.
-
Als Ventil können bspw. 3/2-Wegeventile vorgesehen sein. Ferner kann der zweite Kühlmittelkreislauf zumindest einen Volumenausgleichsbehälter umfassen, um bei wechselnden Kühl- und Heizaufgaben einen Volumenausgleich bezüglich des im zweiten Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittels vornehmen zu können.
-
Wie bereits erwähnt, wird über den ersten Kühlmittelkreislauf die elektrische Maschine und weitere elektrische Komponenten, wie der bereits genannte Inverter und DC/DC-Wandler gekühlt. Hierfür ist eine weitere Kühleinrichtung vorgesehen. Ferner ist zum Laden des Energiespeichers ein Ladegerät vorgesehen, das während des Ladens des Energiespeichers ebenfalls vermittels des ersten Kühlmittelkreislaufs gekühlt wird. Zu diesem Zweck wird das Ladegerät parallel zu der elektrischen Maschine und dem Inverter im ersten Kühlmittelkreislauf geschaltet. Der erste Kühlmittelkreislauf wird auf einem deutlich höheren Temperaturniveau betrieben als der zweite Kühlmittelkreislauf, da die Komponenten des ersten Kühlmittelkreislaufs auf einem Temperaturniveau von insbesondere 50 bis 70°C, bspw. 60°C, betrieben werden, die des zweiten auf einem Temperaturniveau von insbesondere 15 bis 25°C. Je nach Fahrzustand und Umgebungsbedingungen ist es aber auch hierbei erforderlich, die Komponenten des ersten Kühlmittelkreislaufs zu kühlen. Zu diesem Zweck wird neben der Kühleinrichtung ebenfalls die Rekuperationseinrichtung mit in den ersten Kühlmittelkreislauf eingekoppelt. Über die Rekuperationseinrichtung wird dabei dem ersten Kühlmittelkreislauf Wärme entzogen, die zum Beheizen des Energiespeichers im zweiten Kühlmittelkreislauf dient oder dienen kann. Die Rekuperationseinrichtung kann in Reihe zwischen der elektrischen Maschine und der Kühleinrichtung angeordnet werden. Ebenfalls ist es möglich, die Rekuperationseinrichtung parallel in einen separaten Zweig des ersten Kühlmittelkreislaufs zu schalten, parallel zur elektrischen Maschine und ebenfalls zum Ladegerät.
-
Die Rekuperationseinrichtung kann, wie erwähnt, in Reihe zwischen der elektrischen Maschine und der Kühlmitteleinrichtung im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordnet werden. Ebenfalls ist es möglich, sie im mittleren Bereich des Fahrzeugs anzuordnen, insbesondere in einem Längsträger des Fahrzeugs und/oder einem Tunnel, der sich durch das Fahrzeug hindurch erstreckt, und/oder im Fahrzeugunterboden. Gerade beim Anordnen in einem Längsträger, dem Unterboden oder einem Tunnel des Fahrzeugs ist ein Anordnen der Rekuperationseinrichtung in der Nähe des Energiespeichers, insbesondere der Traktionsbatterie, möglich. Gerade bei Anordnen der Rekuperationseinrichtung in einem Längsträger des Fahrzeugs erweist es sich als vorteilhaft, die Rekuperationseinrichtung als Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher oder als Wärmetauscher mit dicht nebeneinander entlang geführten Rohren auszubilden. Bei Vorsehen eines solchen Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers eignet sich nicht nur die Anordnung im Längsträger eines Fahrzeugs, sondern auch in dessen Unterboden oder Tunnel, also an Stellen, an denen eine länglich schmale Bauform sich als vorteilhaft erweist. Das jeweilige Kühlmittel des ersten und zweiten Kühlmittelkreislaufs wird in den Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher in ineinander gefügten Rohren im Gegenstrom geführt, so dass ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel des einen Kühlmittelkreislaufs in den anderen Kühlmittelkreislauf möglich ist.
-
Die Rekuperationseinrichtung weist bei der Rohr-in-Rohr-Ausbildung zumindest ein Innenrohr und zumindest ein Außenrohr auf, durch die das jeweilige Kühlmittel des ersten und zweiten Kühlmittelkreislaufs strömt. Das Innenrohr kann dabei aus Metall und das Außenrohr aus Kunststoff bestehen. Vorteilhaft ist das Außenrohr stoffschlüssig mit zumindest einem endseitig vorgesehenen Anschlussteil verbunden, insbesondere durch Laserschweißen. Das Innenrohr kann mit dem Anschlussteil insbesondere durch Stecken gefügt sein. Auch eine andere Art des Fügens kann hier vorgesehen werden. Bei Durchströmen des Außen- und des Innenrohres mit gleichem Medium, dann also, wenn das im ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel dasselbe oder ein entsprechendes ist, reicht ein Stecken aus, da bei Leckage es zu keinen Komplikationen im Hinblick auf ein mögliches Reagieren der beiden Kühlmittel miteinander kommt. Werden demgegenüber unterschiedliche Kühlmittel verwendet, erweist sich ein stoffschlüssiges Verbinden oder zumindest Abdichten auch des Innenrohres mit bzw. gegenüber dem Anschlussteil als vorteilhaft. Durch das Ausbilden des Innenrohres aus einem Material mit einer höheren Leitfähigkeit als das Außenrohr, insbesondere Vorsehen eines Innenrohres aus Metall, wie bspw. Aluminium oder einem wärmeleitfähigen Kunststoff, ist ein besonders guter Wärmeübergang von dem im Innenrohr strömenden Kühlmittel zu dem im das Innenrohr koaxial umgebenden Außenrohr strömenden Kühlmittel möglich.
-
Um den Wärmeaustausch noch weiter zu verbessern, kann das Innenrohr mit außenseitigen Rippen und/oder einer Rippenstruktur versehen werden. Hierdurch wird die für den Wärmeaustausch verfügbare Fläche vergrößert und hierdurch entsprechend der Wärmeaustausch verbessert. Die außenseitigen Rippen bzw. Rippenstruktur des Innenrohres erstrecken sich vorteilhaft nicht im endseitigen Bereich des Innenrohres, der zum Verbinden mit den endseitig angeordneten Anschlussteilen vorgesehen ist, um ein problemloses Verbinden mit diesen zu ermöglichen. Je nach Ausgestaltung der Anschlussteile ist es jedoch grundsätzlich möglich, die außenseitigen Rippen bzw. Rippenstruktur sich auch in die Anschlussteile hinein erstrecken zu lassen, wenn dort entsprechende Aufnahmeöffnungen und/oder Nuten vorgesehen sind, um die Rippen bzw. Rippenstruktur darin aufzunehmen.
-
Das Kühlmittel wird somit insbesondere bei Ausbilden der Rekuperationseinrichtung in Form eines Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers im Gegenstrom geführt, um einen optimalen Wärmeaustausch zwischen dem ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf zu ermöglichen.
-
Als Kühlmittel kann bspw. ein Kühlmittel auf Basis von Wasser und Glykol, bspw. ein Kühlmittel mit einem hohen Glykolanteil von ungefähr 50% verwendet werden. Das durch den ersten Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel ist stets auf einem höheren Temperaturniveau als das durch den zweiten Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel. Anstelle lediglich eines ersten Kühlmittelkreislaufs können auch mehr als einer vorgesehen werden. Bspw. können in einem Fahrzeug zwei oder drei Kühlmittelkreisläufe vorgesehen werden und insbesondere bei einem Elektrofahrzeug auch ein Heizkreislauf, der dem Bereitstellen von Wärme zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums dient, also zu Komfortzwecken zugeschaltet werden kann, und auf einem anderen Temperaturniveau betrieben wird als der erste Kühlmittelkreislauf, der zum Kühlen insbesondere der elektrischen Maschine, wie vorstehend beschrieben, vorgesehen ist. Ein solcher Heizkreislauf kann zumindest eine Heizeinrichtung, zumindest eine Pumpeinrichtung und zumindest einen Heizungswärmetauscher umfassen, wobei der Heizungswärmetauscher zum Beheizen des Fahrzeugsinnenraums vorgesehen und Teil eines Klimageräts zu Beheizen und Kühlen des Fahrzeuginnenraums sein kann. Der Heizungswärmetauscher kann ferner zum Entziehen von Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum dienen. Die zumindest eine Heizeinrichtung kann in Form eines Widerstands-Zuheizers (PTC-Zuheizers) ausgebildet sein.
-
Ein bei einem Hybridfahrzeug vorgesehener Verbrennungsmotor-Kühlmittelkreislauf dient einerseits dem Kühlen des Verbrennungsmotors und andererseits dem Beaufschlagen des Heizungswärmetauschers des Klimageräts zur Innenraumbeheizung. Für die unterschiedlichen Varianten von Hybridfahrzeugen kann der Verbrennungsmotor eine ausreichende Menge an Wärme bzw. Energie für alle erforderlichen Heizmaßnahmen der anderen Komponenten bereitstellen durch die von ihm abgegebene Abwärme. Die unterschiedlichen Varianten von Hybridfahrzeugen sind sogenannte Vollhybridfahrzeuge, Mildhybridfahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge bzw. sogenannte Range-Extender-Fahrzeuge. Ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug, bei dem über zwei Energiewandler und zwei Energiespeichersysteme der Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt wird. Einer der Energiewandler ist der Verbrennungsmotor und der andere ein Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine. Als Energiespeicher können die bereits genannten Traktionsbatterien und Brennstoffzellen einerseits und andererseits ein Kraftstofftank (für den Verbrennungsmotor) dienen. Voll- bzw. Fullhybridfahrzeuge ebenso wie Mildhybridfahrzeuge sind mit Verbrennungsmotor und Elektromotor und Traktionsbatterie versehen. Ein Vollhybridfahrzeug ist ein Parallelhybrid, bei dem sowohl Verbrennungsmotor als auch Elektromotor vollwertig parallel vorhanden sind. Ein Vollhybridfahrzeug umfasst eine Start-Automatik und eine Bremsenergierückgewinnung. Beide Motoren, der Verbrennungsmotor und der Elektromotor, tragen zum Antrieb des Fahrzeugs vollwertig bei. Dies gilt auch für den sogenannten Mildhybrid. Sowohl beim Vollhybrid als auch beim Mildhybridfahrzeug ist die Leistung des Verbrennungsmotors im niedrigen Drehzahlbereich sehr gering, so dass ein Anlasser benötigt wird. Der Elektromotor kann hohe Leistungen im niedrigen Drehzahlbereich erbringen und daher zur Beschleunigungsunterstützung dienen.
-
Beim Mildhybridfahrzeug ist der Elektromotor deutlich schwächer als der Verbrennungsmotor, beim Vollhybridfahrzeug im Vergleich zum Mildhybrid stärker, so dass mit einem Vollhybridfahrzeug auch kurze Stecken elektrisch gefahren werden können. Die Reichweite des Vollhybridfahrzeugs ist dabei abhängig von der Speicherkapazität der Traktionsbatterie. Mit einem Mildhybrid ist ein elektrisches Fahren nicht möglich, da der Elektromotor hierfür zu schwach ist.
-
Bei einem sogenannten Plug-in-Hybrid-Fahrzeug handelt es sich um ein Fahrzeug, dessen Traktionsbatterie durch Anschließen an eine Steckdose eines Stromnetzes geladen werden kann. Ein Plug-in-Hybrid-Fahrzeug kann als Parallelhybrid oder Seriellhybrid betrieben werden. Beim Seriellhybrid treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der die Energie für den Elektromotor zur Verfügung stellt. Das Fahrzeug wird somit nur durch den Elektromotor angetrieben. Der Verbrennungsmotor wird hierbei auch als sogenannter Range-Extender bezeichnet, da dieser die Reichweite des Elektromotors vergrößert. Bei einem Plug-in-Hybrid-Fahrzeug können drei Betriebsmodi unterschieden werden, der sogenannten Charge Sustaining Mode, der Charge Depleting Mode und der Elend Mode. Beim Charge Sustaining Mode wird das Fahrzeug so betrieben, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie nicht sinkt. Dementsprechend ist der Modus vergleichbar mit der Antriebstechnik eines Vollhybridfahrzeugs. Das Fahrzeug wird dabei vom Verbrennungsmotor angetrieben und der Elektromotor dient dazu, den Verbrennungsmotor zu unterstützen. Im Charge Depleting Mode wird das Fahrzeug so lange durch den Elektromotor angetrieben, bis die Traktionsbatterie des Elektromotors auf einen vorgegebenen Ladezustand entladen ist. Zu diesem Zeitpunkt schaltet das Fahrzeug automatisch um auf den Antrieb durch den Verbrennungsmotor. Im sogenannten Blend Mode wird vom Fahrzeug selbst ein für die Fahrsituation angepasster Modus ausgesucht. Vor Fahrtbeginn werden dabei genaue Informationen über die Länge der Stecke, erlaubte Geschwindigkeiten etc. definiert, um eine ideale Fahrstrategie wählen zu können.
-
Der Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf beim Hybridfahrzeug kann bspw. auf einem Temperaturniveau von etwa 90°C betrieben werden. Der Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf kann eine Kühleinrichtung eines inneren Kühlkreislaufs für den Start des Verbrennungsmotors umfassen. Parallel hierzu kann der bereits genannte Wärmetauscher im Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf angeordnet sein. Wiederum parallel hierzu kann die Rekuperationseinrichtung geschaltet werden, um dem zweiten Kühlmittelkreislauf zum Temperieren des Energiespeichers in Form insbesondere einer Traktionsbatterie Wärme zur Verfügung zu stellen. Dies erweist sich als besonders sinnvoll, da die Temperaturdifferenz der beiden Kreisläufe, also des Verbrennungsmotor-Kühlkreislaufs und des zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren insbesondere der Traktionsbatterie bzw. allgemein des Energiespeichers besonders groß ist. Die Wärmetauscherfläche kann dementsprechend vergleichsweise klein sein, wobei eine gute Wärmeübertragung möglich ist.
-
Mit dem ersten Kühlmittelkreislauf der elektrischen Maschine kann der vorstehend genannte Heizkreislauf verknüpft sein, um insbesondere im Winterbetrieb eines Elektrofahrzeugs, in dem die Verlustwärme der elektrischen Maschine zum Heizen nicht ausreichen wird, die zusätzlichen Komponenten des Heizkreislaufs als Wärmequelle nutzen zu können. Bei rein elektrischem Fahren kann der Heizkreislauf in den ersten Kühlmittelkreislauf integriert werden. Über den kombinierten hierdurch entstehenden Kreislauf ist ein Kühlen der elektrischen Maschine und der weiteren elektrischen Komponenten, wie des DC/DC-Wandlers und des Inverters, über die Kühleinrichtung für die elektrischen Komponenten möglich, wobei ferner die Wärme aus dem Heizkreislauf genutzt werden kann, um ggf. auch die elektrische Maschine zu beheizen. Auch der Heizungswärmetauscher des Klimageräts, mittels dessen der Fahrzeuginnenraum temperiert wird, ist hier vorteilhaft vorgesehen, um Wärme an den Fahrzeuginnenraum abzugeben. In den kombinierten Kreislauf kann in Reihe oder parallel die Rekuperationseinrichtung geschaltet werden. Beim Parallelschalten der Rekuperationseinrichtung ist nur ein wahlweiser Heiz- oder Kühlbetrieb möglich. Insbesondere ist bei sehr niedrigen Temperaturen ein ausschließliches Heizen, ggf. lediglich ein sehr geringes Kühlen durch Konvektion möglich. Bei hohen Temperaturen erfolgt demgegenüber ein ausschließliches Kühlen. Das Temperaturniveau des kombinierten Kreislaufs kann bspw. im Temperaturbereich von 50 bis 70°C, insbesondere bei 60°C liegen. Bei Vorsehen eines Hybridfahrzeugs unter Verwendung eines Verbrennungsmotors erweist sich das Integrieren des Heizkreislaufs in den ersten Kühlmittelkreislauf nicht als vorteilhaft. Hierbei wird das Vorsehen zweier separater Kreisläufe bevorzugt, um Kühl- und Heizaufgaben voneinander getrennt erfüllen zu können.
-
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von dieser näher anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
-
1 eine Prinzipskizze eines als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf zum Temperieren einer Traktionsbatterie als Energiespeicher,
-
2 eine Prinzipskizze eines als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer elektrischen Maschine und weiterer elektrischer Komponenten,
-
3 eine Prinzipskizze eines Hybridfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf für eine Verbrennungsmaschine,
-
4 eine Prinzipskizze eines Elektrofahrzeugs mit Heizkreislauf,
-
5 eine Prinzipskizze eines Elektrofahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer elektrischen Maschine, wobei in den Kühlmittelkreislauf ein Heizkreislauf integriert ist,
-
6 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Rekuperationseinrichtung in Form eines Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers,
-
7 eine Querschnittsansicht einer mit Rippen versehenen Rekuperationseinrichtung, und
-
8 eine perspektivische Detailansicht des mit Rippen versehenen Innenrohres der Rekuperationseinrichtung gemäß 7.
-
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs 1, das ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug sein kann. Das Fahrzeug umfasst einen Energiespeicher 2, der in Form einer Traktionsbatterie ausgebildet sein kann. Ein solcher Energiespeicher wird in einem engen Temperaturbereich von insbesondere 15 bis 25 C° betrieben. Um dies sicherzustellen, wird der Energiespeicher entsprechend temperiert. Dies erfolgt durch einen Kühlmittelkreislauf 3. Dieser umfasst, wie in 1 zu sehen ist, eine Kühleinrichtung 30, einen Chiller 31 und eine Heizeinrichtung 32. Der Chiller 31 ist insbesondere ein Wärmetauscher einer Kälteanlage, die Heizeinrichtung 32 kann beispielsweise ein Widerstands-Zuheizer (PTC-Zuheizer) sein. Der Chiller 31 und die Heizeinrichtung 32 sind parallel zueinander geschaltet, wobei zum Zu- und Abschalten des Chillers und der Heizeinrichtung zwei Ventile 33, 34, die hier als 3/2-Ventile ausgebildet sind, vorgesehen sind. Der Kühlmittelkreislauf 3 umfasst ferner eine Pumpeinrichtung 35 zum Fördern des durch die Leitungen des Kühlmittelkreislaufs 3 strömenden Kühlmittels. Ferner ist ein Volumenausgleichsbehälter 36 vorgesehen, um für einen Volumenausgleich sorgen zu können bei Volumenschwankungen aufgrund eines Kühl- oder Heizbetriebs.
-
Der Kühlmittelkreislauf 3 umfasst ferner eine Rekuperationseinrichtung 37, die in Form eines Rekuperationswärmetauscher ausgebildet ist. Diese ist in Reihe hinter der Heizeinrichtung 32 angeordnet. Da die Rekuperationseinrichtung 37 eine thermische Masse aufweist, die bei einem erforderlichen Kühlen des Energiespeichers 2 hinderlich wirken kann, wenn sie mitgekühlt werden müsste, da ihr Kühlen mit einem unnötig hohen Energiebedarf verbunden wäre, ist es möglich, die Rekuperationseinrichtung 37 zu überbrücken. Hierzu ist eine Bypassleitung 38 vorgesehen. Der die Rekuperationseinrichtung 37 umfassende Leitungszweig 39 und die Bypassleitung 38 sind über Anschlussstellen 40, 41 (ein Ventil) in den Kühlmittelkreislauf 3 eingebunden. Alternativ zum Vorsehen einer Bypassleitung 38 bei Reihenschaltung der Rekuperationseinrichtung 37 mit der Heizeinrichtung 32 kann die Rekuperationseinrichtung 37 parallel zu der Heizeinrichtung 32 geschaltet werden. Hierbei entfällt das Erfordernis der Bypassleitung 38, da über ein dann vorgesehenes Ventil die Rekuperationseinrichtung 37 zu- oder abgeschaltet werden kann.
-
Die zum Kühlen und zum Heizen vorgesehenen Einrichtungen des Kühlmittelkreislaufs 3 sind ansonsten parallel zueinander geschaltet, um diese wahlweise zu- und abschalten zu können, je nach dem, ob ein Kühl- oder Heizbetrieb zum ordnungsgemäßen Temperieren des Energiespeichers 2 vorgesehen sein soll.
-
2 zeigt eine Prinzipskizze des Fahrzeugs 1, das in Form eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgebildet sein kann. Dieses umfasst eine elektrische Maschine 5 sowie weitere elektrische Komponenten, wie einen Inverter (DC/AC-Wandler) 50, einen DC/DC-Wandler 51 und gegebenenfalls weitere elektrische Komponenten. Zum Kühlen der elektrischen Maschine 5 sowie der elektrischen Komponenten, insbesondere des Inverters 50 und des DC/DC-Wandlers 51, ist ein Kühlmittelkreislauf 6 vorgesehen, der u. a. eine Kühleinrichtung 60 umfasst. Im Kühlmittelkreislauf 6 ist ferner eine Pumpeinrichtung 61 vorgesehen ebenso wie ein Volumenausgleichsbehälter 62, um einen Kühlmittel-Volumenausgleich bei unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen, und ein Ventil 63.
-
Der Kühlmittelkreislauf 6 dient ferner dem Kühlen eines Ladegeräts 52 zum Laden des Energiespeichers 2. Das Ladegerät 52 wird vorteilhaft während des Ladens des Energiespeichers 2 gekühlt. In dem Kühlmittelkreislauf 6 ist das Ladegerät 52 in einem parallelen Zweig des Kühlmittelkreislaufs, also parallel zu der elektrischen Maschine 5 und dem Inverter 50 angeordnet bzw. geschaltet.
-
Ferner umfasst der Kühlmittelkreislauf 6 ebenfalls die Rekuperationseinrichtung 37. Der Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 ist somit thermisch mit dem Kühlmittelkreislauf 6 zum Kühlen der elektrischen Maschine 5 sowie der weiteren elektrischen Komponenten des Fahrzeugs 1 über die Rekuperationseinrichtung 37 gekoppelt. Da der Kühlmittelkreislauf 6 aufgrund des höheren Temperaturniveaus, in dem die elektrische Maschine 5 und die elektrischen Komponenten betrieben werden, beispielsweise auf einem Temperaturniveau von 50 bis 60 C°, insbesondere 60 C°, arbeitet als der Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2, kann über die Rekuperationseinrichtung 37 Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 6, der hier nachfolgend als erster Kühlmittelkreislauf bezeichnet wird, in den Kühlmittelkreislauf 3, der nachfolgend als zweiter Kühlmittelkreislauf bezeichnet wird, eingekoppelt werden, zum Temperieren, hier Erwärmen, des Energiespeichers 2.
-
Wie in 2 angedeutet, kann der Rekuperationswärmetauscher in Reihe zwischen die elektrische Maschine 5 und die Kühleinrichtung 60 geschaltet werden. Hierbei ist die Rekuperationseinrichtung 37 im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordnet. Ebenfalls ist es möglich, die Rekuperationseinrichtung 37 in dem mittleren Bereich des Fahrzeugs zu positionieren, insbesondere in den Längsträgern des Fahrzeugs und/oder im Fahrzeugunterboden und/oder in einem Fahrzeugtunnel. Die Positionierung in einem Fahrzeuglängsträger 10 ist in gestrichelten Linien in 2 ebenfalls angedeutet. Gestrichelt ist hier auch der Fahrzeuglängsträger 10 angedeutet. Bei Anordnen der Rekuperationseinrichtung 37 im mittleren Bereich des Fahrzeugs bzw. in einem Längsträger und/oder Tunnel des Fahrzeugs und/oder im Fahrzeugunterboden ist eine Orientierung in Richtung des Energiespeichers 2, der üblicherweise eher im hinteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist, möglich. Bei Anordnen der Rekuperationseinrichtung 37 im Längsträger 10 des Fahrzeugs 1 eignet sich insbesondere eine sogenannte Rohr-in-Rohr-Ausbildung der Rekuperationseinrichtung 37 in Form eines sogenannten Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers bzw. Koaxial-Wärmetauschers. Ferner ist das Aneinanderfügen von Rohren, die nicht ineinander gefügt sind, sondern nebeneinander aneinander anliegen, möglich, um einen Wärmeaustausch der in diesen Rohren strömenden Kühlmittel zu ermöglichen.
-
Ein Beispiel eines Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers 37 ist in 6 gezeigt. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsvariante der Rekuperationseinrichtung 37 sind ein Innenrohr 137 und ein Außenrohr 138 vorgesehen. Das Innenrohr 137 liegt dabei etwa mittig in dem Außenrohr 138, so dass durch das Außenrohr 138 des Rekuperationswärmetauschers bzw. der Rekuperationseinrichtung 37 Kühlmittel vollständig um das Innenrohr 137 herum strömen kann. Das durch das Innenrohr 137 strömende Kühlmittel kann dabei im Gegenstrom zu dem durch das Außenrohr 138 strömenden Kühlmittel geführt werden. Dies ist durch die Pfeile 139, 140 in 6 angedeutet. Zum Anschließen der Rekuperationseinrichtung 37 in Form des Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers an die beiden Kühlmittelkreisläufe 3, 6 sind endseitig an der Rekuperationseinrichtung 37 zwei Anschlussteile 141, 142 angeordnet. Das erste Anschlussteil 141 und das zweite Anschlussteil 142 sind jeweils stoffschlüssig mit dem Außenrohr 138 verbunden, um einen Austritt von Kühlmittel an den Fügestellen zu vermeiden. Mit dem Innenrohr 137 können die beiden Anschlussteile 141, 142 durch Stecken formschlüssig gefügt sein, sofern das durch das Innenrohr hindurchgeleitete Kühlmittel dem entspricht, das durch das Außenrohr hindurch strömt. Bei einer Leckage treten dann keine Unverträglichkeitsproblematiken bezüglich der Kühlmittel auf. Es ist daher ausreichend, eine sogenannte technisch dichte Verbindung zwischen dem Innenrohr und den beiden Anschlussteilen 141, 142 vorzusehen. Werden jedoch unterschiedliche Kühlmittel durch das Innenrohr 137 und das Außenrohr 138 der Rekuperationseinrichtung 37 geleitet, erweist es sich als vorteilhaft, eine stoffschlüssige Verbindung auch zwischen dem Innenrohr 137 und dem beiden Anschlussteilen 141, 142 vorzusehen oder zumindest eine sichere Abdichtung. Grundsätzlich kann zum Abdichten der Steckverbindung auch bei gleichen durch beide Rohre hindurch geleiteten Kühlmitteln eine Dichtung vorgesehen werden.
-
Um einen besonders guten Wärmeübergang des durch das Innenrohr geleiteten Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 in das durch das Außenrohr 138 strömende Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3 zu ermöglichen, weist das Innenrohr 137 vorteilhaft eine höhere Leitfähigkeit als das Außenrohr 138 auf. Insbesondere besteht das Innenrohr 137 aus einem Metall, wie Aluminium, und/oder einem wärmeleitfähigen Kunststoff. Auch das Außenrohr 138 kann aus einem Kunststoff bestehen.
-
Um einen noch besseren Wärmeübergang von dem durch das Innenrohr 137 strömenden Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 6 in das durch das Außenrohr 138 strömende Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 3 zu ermöglichen, können auf der Außenseite des Innenrohres 137 Rippen 237 angeordnet sein. Dies ist in den 7 und 8 angedeutet. Die Rippen erstrecken sich in der in 7 gezeigten Querschnittsansicht radial von dem Innenrohr 137 weg in Richtung des Außenrohres 138. Es kann auch eine andere Art einer außenseitigen Rippenstruktur auf dem Innenrohr 137 angeordnet sein. Wie insbesondere der Detailansicht des Innenrohres 137 in 8 entnommen werden kann, erstrecken sich die außenseitig angeordneten Rippen 237 nicht bis zu den Enden des Innenrohres 137, sondern enden mit Abstand zu diesen. Es verbleibt somit ein rippenfreier Anschlussbereich 238 endseitig am Innenrohr 137, um das Innenrohr 137 problemlos an die beiden Anschlussteile 141, 142 anschließen zu können. Je nach Ausbildung der Anschlussteile 141, 142 können jedoch die Rippen 237 auch bis zum jeweiligen Ende des Innenrohres 137 geführt sein. Dies ist in 6 jedoch nicht gezeigt.
-
3 zeigt eine Prinzipskizze des Fahrzeugs 1 in Ausbildung als Hybridfahrzeug. Dieses kann als Vollhybrid, Mildhybrid oder Range-Extender-Hybrid Fahrzeug ausbildet sein. Charakteristikum eines Hybridfahrzeugs ist es, dass eine Kombination aus zwei Energiewandlern, von denen der eine ein Verbrennungsmotor 8 und der andere ein Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine 5 ist, vorgesehen sind. Ebenfalls sind zwei Energiespeicher vorgesehen, einerseits eine Traktionsbatterie oder Brennstoffzelle und andererseits ein Kraftstofftank. In 3 ist ein Kühlkreislauf 7 für den Verbrennungsmotor 8 gezeigt. Der Kühlkreislauf für den Verbrennungsmotor 8 umfasst eine Kühleinrichtung 70 und eine Pumpeinrichtung 71 zum Fördern des Kühlmittels durch die Leitungen des Kühlkreislaufs 7. In dem Kühlkreislauf 7 ist ferner ein Heizungswärmetauscher 72 eines Klimagerätes (HVAC) vorgesehen, der der Innenraumbeheizung des Fahrzeugs dient. Der Heizungswärmetauscher des Klimagerätes, das selbst in 3 nicht gezeigt ist, ist parallelgeschaltet zu dem Verbrennungsmotor 8 und der Pumpeinrichtung 71 sowie der Kühleinrichtung 70. Zum wahlweisen Umschalten der Strömungsverbindung zum Heizungswärmetauscher 72 bzw. der Kühleinrichtung 70 ist ein Ventil 73 vorgesehen. Ferner ist ein Volumenausgleichsbehälter 75 zum Volumenausgleich vorgesehen.
-
Um einen inneren Kühlkreislauf beim Start des Verbrennungsmotors 8 vorsehen zu können, ist eine überbrückende Leitung 74 ebenfalls mit dem Ventil 73 verbunden, parallelgeschaltet zu dem Heizungswärmetauscher 72. Um die von dem Verbrennungsmotor bereitgestellte Abwärme auch für Heizaufgaben verwenden zu können, die im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren der oder des Energiespeichers 2 benötigt werden, kann die Rekuperationseinrichtung 37 in Parallelschaltung zum Heizungswärmetauscher 72 in den Kreislauf 7 zugeschaltet werden. Die hier zur Verfügung gestellte Wärme gelangt als Kühlmittelstrom durch das Innenrohr 137 der in 6 gezeigten Rekuperationseinrichtung 37. Es ist somit durch entsprechendes Umschalten im Bereich des Ventils 73 ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel des Kühlkreislaufs 7, das durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 8 erwärmt ist, an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 möglich. Da der Kühlkreislauf 7 für den Verbrennungsmotor auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau aufgrund der vom Verbrennungsmotor 8 abgegebenen Abwärme betrieben wird, beispielsweise auf einem Temperaturniveau von etwa 90 C°, entsteht genügend Energie, die für Heizausgaben in anderen Kreisläufen, wie insbesondere dem Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 zur Verfügung gestellt werden kann. Da die Temperaturdifferenz im Kühlkreislauf 7 für den Verbrennungsmotor im Vergleich zur Temperatur im Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 vergleichsweise groß ist, ist eine vergleichsweise kleine Wärmetauscherfläche bereits ausreichend, um eine gute Wärmeübertragung zu ermöglichen.
-
In 4 ist ein Heizkreislauf 9 des Fahrzeugs 1 in der Ausbildung als Elektrofahrzeug gezeigt. Dieser umfasst einen Heizungswärmetauscher 90, der Teil eines nicht gezeigten Klimagerätes (HVAC) zur Innenraumbeheizung des Fahrzeugs ist. Wäre das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug, wäre der Heizungswärmetauscher 90 identisch mit dem Heizungswärmetauscher 72, der in 3 gezeigt ist. Da es sich bei dem in 4 gezeigten Fahrzeug jedoch um ein reines Elektrofahrzeug handelt, ist dementsprechend kein Verbrennungsmotor vorgesehen, dessen Abwärme zum Temperieren des Fahrzeuginnenraumes verwendet werden kann. Demgemäß ist bei einem Elektrofahrzeug eine Heizeinrichtung 91 im Heizkreislauf 9 angeordnet. Ferner umfasst der Heizkreislauf 9 eine Pumpeinrichtung 92 und einen Volumenausgleichsbehälter 93. Die Heizeinrichtung 91 kann beispielsweise ein Widerstands-Zuheizer (PCT-Zuheizer) sein. Das Temperaturniveau des Heizkreislaufs 9 liegt etwa auf dem des Kühlmittelkreislaufs 6 zum Kühlen der elektrischen Maschine 5.
-
In 5 ist ein gegenüber der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Kühlmittelkreislaufs 6 modifizierter Kühlmittelkreislauf 160 gezeigt. Dieser dient ebenfalls dem Kühlen der elektrischen Maschine 5 und ist für Elektrofahrzeuge vorgesehen. In den Kühlmittelkreislauf 160 ist ferner ein Heizkreislauf 161 integriert, der im Prinzip dem in 4 gezeigten entspricht. Dieser umfasst wiederum einen Heizungswärmetauscher 162 und eine Heizeinrichtung 163 sowie eine Pumpeinrichtung 164. Der Heizungswärmetauscher 162 kann über ein Ventil 165 zu- und abgeschaltet werden, die Heizeinrichtung 163 über ein Ventil 166. Der Heizungswärmetauscher 162 ist wiederum Teil eines Klimagerätes, das in 5 jedoch nicht gezeigt ist. Durch die beiden Komponenten des Heizungswärmetauschers und insbesondere der Heizeinrichtung ist es möglich, eine ausreichende Wärmemenge auch im Winterbetrieb des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, für den Fahrzeuginnenraum insbesondere über den Heizungswärmetauscher 162, da die Verlustwärme der elektrischen Maschine 5 im Winterbetrieb nicht zum Heizen ausreichen wird.
-
Um die entstehende Wärme in diesem kombinierten Kreislauf aus Kühlmittelkreislauf 160 und Heizkreislauf 161 auch im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 nutzen zu können, ist auch in den Kühlmittelkreislauf 160 wiederum die Rekuperationseinrichtung 37 mit eingekoppelt. Diese kann entweder in Reihe oder parallel zu der elektrischen Maschine 5 mit Inverter 50 beziehungsweise der Heizeinrichtung 163 geschaltet werden. Dies ist durch gestrichelte Linien in 5 angedeutet.
-
Der Kühlmittelkreislauf 160 wird etwa auf einem Temperaturniveau von 50 bis 70 C° betrieben, insbesondere von etwa 60 C°. Als sinnvoll erweist sich das Integrieren des Heizkreislaufs 161 in den Kühlmittelkreislauf 160 üblicherweise nur bei rein elektrischem Fahren. Die Aufgaben des kombinierten Kühl- und Heizkreislaufs zum Kühlen der elektrischen Komponenten und Beheizen insbesondere des Fahrzeuginnenraums, aber auch über die Rekuperationseinrichtung 37 des Energiespeichers 2, werden durch die Parallelschaltung des Heizkreislaufs 161 bzw. durch dessen Komponenten gelöst, wobei bei hohen Temperaturen nur ein Kühlen und bei niedrigen Temperaturen nur ein Heizen erfolgt.
-
Im zweiten Kühlmittelkreislauf 3 ist die Rekuperationseinrichtung 37, wie vorstehend bereits erwähnt, entweder in Reihe zu der Heizeinrichtung 32 geschaltet, die ein Vorheizen ermöglicht, oder parallel zu der Heizeinrichtung. Bei Parallelschaltung erfolgt eine Steuerung bzw. Ansteuerung über ein Ventil, insbesondere ein Proportionalventil. Bei Reihenschaltung der Rekuperationseinrichtung 37 erfolgt ein Zu- und Abschalten über die Bypassleitung 38. Um im Kühlbetrieb des Energiespeichers 2 die thermische Masse der Rekuperationseinrichtung 37 nicht mitkühlen zu müssen, kann diese durch die Bypassleitung 38 im Kühlbetrieb überbrückt werden. Ist ein Zuheizen in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 nicht erforderlich, wird die Rekuperationseinrichtung abgeschaltet bzw. überbrückt durch die Bypassleitung 38, bei Parallelschaltung über das Ventil aus dem Kreis heraus geschaltet.
-
Die Rekuperationseinrichtung 37 nutzt somit die Abwärme oder entstehende Wärme der anderen Kreisläufe, um diese dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 zur Verfügung zu stellen. Hierdurch ist ein sehr ökonomischer Betrieb möglich, da Abwärme aus anderen Kreisläufen zum Temperieren bzw. Erwärmen des Energiespeichers 2 verwendet wird, die thermische Masse der Rekuperationseinrichtung sich jedoch durch deren Überbrückbarkeit im Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren des Energiespeichers 2 nicht als negativ erweist, wenn lediglich ein Kühlen des Energiespeichers 2 erfolgen soll.
-
Das Fahrzeug 1 in Ausbildung als Elektrofahrzeug umfasst insbesondere die in den 1, 2 und 4 bzw. in den 1 und 5 gezeigten Kreisläufe und Komponenten, in Ausbildung als Hybridfahrzeug die in den 1, 2 und 3 gezeigten Kreisläufe und Komponenten.
-
Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Ausführungsbeispielen gezeigten Ausführungsvarianten von Fahrzeugkühlmittelsystemen, umfassend zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare Kühlmittelkreisläufe, können noch zahlreiche weitere Varianten gebildet werden, auch beliebige Kombinationen der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele und Merkmale, bei denen jeweils zumindest eine Rekuperationseinrichtung vorgesehen ist zum thermischen Koppeln des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten Kühlmittelkreislaufs.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeug
- 2
- Energiespeicher
- 3
- Kühlmittelkreislauf
- 5
- elektrische Maschine
- 6
- Kühlmittelkreislauf
- 7
- Kühlkreislauf Verbrennungsmotor
- 8
- Verbrennungsmotor
- 9
- Heizkreislauf
- 10
- Fahrzeuglängsträger
- 30
- Kühleinrichtung
- 31
- Chiller
- 32
- Heizeinrichtung
- 33
- Ventil/3/2-Ventil
- 34
- Ventil/3/2-Ventil
- 35
- Pumpeinrichtung
- 36
- Volumenausgleichsbehälter
- 37
- Rekuperationseinrichtung
- 38
- Bypassleitung
- 39
- Leitungszweig
- 40
- erste Anschlussstelle
- 41
- zweite Anschlussstelle
- 50
- Inverter
- 51
- DC/DC-Wandler
- 52
- Ladegerät
- 60
- Kühleinrichtung
- 61
- Pumpeinrichtung
- 62
- Volumenausgleichsbehälter
- 63
- Ventil
- 70
- Kühleinrichtung
- 71
- Pumpeinrichtung
- 72
- Heizungswärmetauscher
- 73
- Ventil
- 74
- Leitung
- 75
- Volumenausgleichsbehälter
- 90
- Heizungswärmetauscher
- 91
- Heizeinrichtung
- 92
- Pumpeinrichtung
- 93
- Volumenausgleichsbehälter
- 137
- Innenrohr
- 138
- Außenrohr
- 139
- Pfeil
- 140
- Pfeil
- 141
- erstes Anschlussteil
- 142
- zweites Anschlussteil
- 160
- Kühlmittelkreislauf
- 161
- Heizkreislauf
- 162
- Heizungswärmetauscher
- 163
- Heizeinrichtung
- 164
- Pumpeinrichtung
- 165
- Ventil
- 166
- Ventil
- 237
- Rippe
- 238
- rippenfreier Anschlussbereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009060860 A1 [0003]
- DE 102009059240 A1 [0004]
