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Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für ein elektrisches System nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Kühlkreislaufs.
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Fahrzeuge, welche zumindest teilweise elektrisch angetrieben werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich dabei insbesondere um so genannte Hybridfahrzeuge handeln, welche einen Verbrennungsmotor und einen elektrischen Antrieb parallel aufweisen, oder es kann sich um reine Elektrofahrzeuge oder beispielsweise um auch über eine Brennstoffzellenanlage elektrisch angetriebene Fahrzeuge handeln. Bei all diesen Fahrzeugen ist es nun so, dass diese typischerweise mit einer Batterie und entsprechenden elektronischen Komponenten ausgebildet sind, welche mit einer vergleichsweise hohen Spannung betrieben werden. Diese in Fachkreisen als Hochvoltkomponenten bezeichnete Komponenten, beispielsweise die Batterie, eine Brennstoffzelle, die Leistungselektronik und dgl. bedürfen während des regulären Betriebs typischerweise der Kühlung. Nun ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, derartige Hochvoltkomponenten über ein flüssiges Kühlmittel zu kühlen und die Abwärme so über einen Kühlkreislauf, in welchem das flüssige Kühlmedium über eine Kühlmittelfördereinrichtung umgepumpt wird, beispielsweise in die Umgebung abzuführen. Alternativ dazu kann die Abwärme beispielsweise auch durch eine Klimaanlage des Fahrzeugs weggekühlt werden oder dgl.
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Je mehr derartige zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug mit gekühlten Hochvoltkomponenten im Straßenverkehr unterwegs sind, desto häufiger werden diese, rein statistisch gesehen, in Unfälle verwickelt. Nun ist es so, dass beispielsweise bei einem schweren Fahrzeug-Crash sehr hohe Beschleunigungen und eventuell auch Deformationen auf das Fahrzeug einwirken. Hierdurch können beispielsweise Kühlkomponenten und/oder Hochvoltkomponenten geschädigt werden. Unter Umständen kann es dazu kommen, dass Teile der Hochvoltkomponenten oder der Hochvoltbatterie, welche insbesondere strom- bzw. spannungsführend sind, mit dem Kühlmittel, beispielsweise einem Wasser/Glycol-Gemisch benetzt werden oder sogar in dieses eintauchen. Dadurch kann das Hochvoltpotenzial von üblicherweise 130 bis 700 V überall dort auftreten, wo dieses Kühlmittel in Kontakt mit dem restlichen Kühlmittel des Kühlkreislaufs steht. Dies stellt eine erhebliche Gefährdung beispielsweise für die Insassen und insbesondere für Unfallhelfer, welche verletzte Insassen bergen wollen dar. Ferner kann es dadurch, dass elektrische Spannung mit den elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, welche typischerweise als Kühlmittel eingesetzt werden, in Berührung kommen, zu elektrochemischen Reaktionen kommen, insbesondere zu starker Korrosion und Elektrolyse. Bei der Elektrolyse von Wasser entsteht dann Knallgas, also eine zündfähige Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Im Falle einer Entzündung ist hier mit Auswirkungen bis hin zu einer Explosion zu rechnen. Speziell innerhalb der Hochvoltbatterie stellt dies eine erhebliche, von außen nicht festzustellende Gefahrenquelle dar, da die Spannung der Batterie und ihre Ladung mit mehreren Kilowattstunden elektrischem Energieinhalt typischerweise sehr lange erhalten bleibt. Der obligatorische Isolationswächter, welcher in jeder Batterie vorhanden ist, kann, sofern er überhaupt noch funktioniert, nur Isolationsfehler anzeigen. Der eventuell kritische Zustand kann daher von außen unter Umständen nicht festgestellt werden.
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Ein weiteres Gefahrenszenario für zukünftige Fahrzeuge mit elektrischen Hochvoltsystemen betrifft alte Fahrzeuge, welche über etliche Jahre ungenutzt oder ungewartet abgestellt stehen. Durch Alterung und durch die Nichtwartung besteht die Gefahr, dass beispielsweise durch Korrosion und/oder brüchig gewordene oder alternde Bauteile des Kühlkreislaufs, beispielsweise Schläuche, Anschlussstücke usw. Leckagen im Kühlsystem entstehen und das Kühlmedium an das Hochspannungspotenzial, welches in der Batterie über lange Zeit vorhanden sein kann, gelangt. Dies stellt selbst bei als ”Defekt” deklarierten Hochvoltbatterien eine Gefahr dar, da nach heutigem Stand der Kenntnis, immer noch genügend Batterieeinzelzellen eine so hohe Spannung haben werden, dass in der üblichen Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen in der Summe immer noch eine vergleichsweise hohe Spannung entstehen kann. Dies ist unabhängig davon, ob die Hochvoltbatterie noch zugeschaltet werden kann und über ihren Datenbus noch ansprechbar ist oder nicht.
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Die Notwendigkeit Hochvoltkomponenten zu kühlen, kann also unter bestimmten Umständen beispielsweise ausgelöst durch Alterung, eine unfallbedingte Deformation oder dgl. zu erheblichen Sicherheitsproblemen führen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Kühlkreislauf für ein elektrisches System in einem Fahrzeug anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, und welches insbesondere die genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung des Kühlkreislaufs gemäß der Erfindung ist im Anspruch 9 angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf ist es nun vorgesehen, dass ein Ablassventil für das flüssige Kühlmedium vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit einer Fehlersensorik auslösbar ist. Die Fehlersensorik kann insbesondere einen Crashsensor umfassen bzw. die Daten eines in einem mit dem Kühlkreislauf ausgestatteten Fahrzeug ohnehin vorhandenen Crashsensor nutzen. Auch andere Sensoren, beispielsweise Deformationssensoren im Bereich des Kühlkreislaufs selbst und/oder Leckagesensoren im Bereich des Kühlkreislaufs selbst sind als Fehlersensorik für die Auslösung des Ablassventils denkbar. Durch diesen Aufbau ist es möglich im Fehlerfall das Ablassventil zu öffnen, sodass das Kühlmittel an die Umgebung gelangt. Da der Kühlkreislauf von Hochvoltkomponenten typischerweise auf einem eher niedrigen Temperaturniveau betrieben wird, kann das Ablassventil problemlos geöffnet werden, ohne dass hierdurch die Gefahr einer Verbrühung von in der Nähe befindlichen Personen oder dgl. einhergeht. Die übliche Temperatur wird unter normalen Umständen ca. 40 bis 50°C nicht überschreiten, sodass dies für Personen in der Umgebung vollkommen unkritisch ist. Andererseits wird durch das Ablassen des flüssigen Kühlmittels verhindert, dass das Kühlmittel mit spannungsführenden Teilen der Hochvoltkomponenten in Kontakt kommt und die Spannung aufgrund der typischerweise durch das Frostschutzmittel vorhandenen Leitfähigkeit in dem als Kühlmittel genutzten Kühlwasser, an unerwünschte Orte leitet, wo sie eine erhebliche Gefahr beispielsweise für Ersthelfer, Verletzte oder Fahrzeugnutzer darstellen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs kann es vorgesehen sein, dass das Ablassventil als eigenständige Komponente oder als Teil einer der Komponenten des Kühlkreislaufs oder als Teil einer der zu kühlenden Komponenten ausgebildet ist. Das Ablassventil kann insbesondere direkt in dem Kühlkreislauf angeordnet sein oder an einer anderen hydraulisch angekoppelten Hochvoltkomponente vorhanden sein. Bei einem schweren Unfall oder im Falle einer auftretenden Leckage des Kühlsystems wird dann über die Fehlersensorik die automatische Notentleerung des Kühlkreislaufs in diesem Bereich initiiert.
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Das Ablassventil kann dabei mechanisch, elektrisch oder insbesondere auch pyrotechnisch ausgelöst werden, um ein schnelles und zügiges Ablaufen des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf zu erreichen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es nun vorgesehen sein, dass das Ablassventil im bestimmungsgemäßen Gebrauch unten in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Das Ablassen wird dann normalerweise durch die Schwerkraft unterstützt, sodass keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden müssen.
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In einer weiteren sehr günstigen ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass eine Druckgaspatrone vorhanden ist, welche zusammen mit oder zeitverzögert nach dem Auslösen des Ablassventils auslöst. Über eine solche Druckgaspatrone, welche insbesondere zeitverzögert nach dem Auslösen des Ablassventils ihrerseits ausgelöst wird, kann ein Herauspressen des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf auch dann erreicht werden, wenn beispielsweise durch ein Umkippen des Fahrzeugs aufgrund des Crashs die Ablassöffnung des Ablassventils in einer sehr ungünstigen Position, beispielsweise in Richtung der Schwerkraft seitlich oder nach oben liegt.
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In einer weiteren sehr günstigen Variante kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass ein Lagesensor vorhanden ist, durch welchen das Auslösen des Ablassventils und/oder der Druckgaspatrone beeinflussbar ist. Insbesondere über einen solchen Lagesensor kann beispielsweise festgestellt werden, dass das Fahrzeug gekippt ist. Wenn dann erkannt wird, dass das Ablassventil nicht mehr unten ist, kann die Druckpatrone ausgelöst werden. Ist dies nicht der Fall, kann auf das Auslösen der Druckgaspatrone und das damit verbundene Auswerfen des Kühlmittels verzichtet werden, da dieses aufgrund der Schwerkraft ohnehin abläuft.
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Der Aufbau stellt für einen Kühlkreislauf einen erheblichen Sicherheitsvorteil dar. Ein solcher Sicherheitsvorteil ist insbesondere beim Einsatz des Kühlkreislaufs in Fahrzeugen wichtig, da hier ein Crash, eine Unfallbeteiligung oder Ähnliches grundsätzlich nicht ausgeschlossen werden kann. Die bevorzugte Verwendung des Kühlkreislaufs gemäß der Erfindung liegt daher in ihrem Einsatz in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug, in welchem der Kühlkreislauf die Hochvoltkomponenten kühlt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt einen sehr stark schematisiert angedeuteten Kühlkreislauf in einem Fahrzeug, welcher in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung realisiert ist.
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In der Figur ist sehr stark schematisiert ein Kühlkreislauf 1 angedeutet, welcher in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein soll. In dem Kühlkreislauf 1 wird ein flüssiges Kühlmedium 3 durch eine Kühlmittelfördereinrichtung 4 umgewälzt. Über einen Kühlwärmetauscher 5 wird das Kühlmittel 3 beispielsweise von durch den Kühlwärmetauscher 5 strömende Umgebungsluft wieder abgekühlt. In der Darstellung der Figur in Strömungsrichtung nach der Kühlmittelfördereinrichtung 4 folgt ein später noch näher beschriebener Aufbau, bevor das Kühlmittel 3 durch eine Batterie bzw. Hochvoltbatterie 6 strömt und diese entsprechend kühlt. In Strömungsrichtung nach der Hochvoltbatterie 6 ist ein Ausgleichsbehälter 7 angedeutet. In Strömungsrichtung des Kühlmittels 3 nach dem Ausgleichsbehälter 7 ist eine weitere Hochvoltkomponente 8 angedeutet, welche hier mit dem Zeichen eines Transistors versehen ist und dementsprechend beispielsweise als Teil der Leistungselektronik ausgebildet sein kann. Es kann sich beispielsweise um ein Ladegerät, einen DC/DC-Wandler, einen Umrichter oder dgl. handeln. In Strömungsrichtung des Kühlmittels 3 nach dieser Hochvoltkomponente 8 ist eine weitere Hochvoltkomponente 9 in dem Kühlkreislauf 1 angedeutet. Hierbei kann es sich beispielsweise um den Fahrumrichter, den Fahrmotor oder Ähnliches handeln. Das Kühlmittel 3 strömt danach zurück zum Kühlwärmetauscher 5, wird entsprechend abgekühlt und gelangt erneut in den Kreislauf. Weitere Komponenten in dem Kühlkreislauf 1 sind selbstverständlich denkbar und dem Fachmann an sich bekannt. So kann beispielsweise ein Bypass um den Kühlwärmetauscher 5 vorgesehen sein, um gegebenenfalls zusammen mit einer Drehzahlregelung der Kühlmittelfördereinrichtung 4 die Temperatur des Kühlmittels 3 zu steuern.
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Der Kern der Erfindung ist nun in dem Aufbau in Strömungsrichtung zwischen der Kühlmittelfördereinrichtung 4 und der angedeuteten Hochvoltbatterie 6 zu sehen. Dieser Aufbau besteht im Wesentlichen aus einem Ablassventil 10, welches über einen Sperrkörper 11 eine Öffnung 12 in dem Kühlkreislauf 1 im normalen Zustand verschließt. Über eine Auslöseeinheit 13 kann das Sperrelement 11 nun, wie durch den Pfeil angedeutet, so bewegt werden, dass das Kühlmittel 3, wie durch die drei geschwungenen Pfeile angedeutet, aus dem Kühlkreislauf 1 austreten kann. Dies ist immer dann sinnvoll, wenn beispielsweise aufgrund eines Unfalls des Fahrzeugs 2 die Gefahr besteht, dass spannungsführende Teile mit dem Kühlmittel 3 in Berührung kommen und dadurch die Spannung sich im gesamten Kühlkreislauf und allen mit Kühlmittel benetzten Komponenten ausbreitet. Dies könnte eine erhebliche Gefahr beispielsweise für Rettungspersonal darstellen.
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In diesem Fall kann also über die Auslöseeinrichtung 13 das Ablassventil 10 entsprechend ausgelöst werden, sodass das Kühlmittel 3 in die Umgebung gelangt. Zur Ansteuerung der Auslöseeinheit 13 sind beispielhaft zwei Sensoren als Fehlersensorik in der Darstellung der Figur angedeutet. Einer der Sensoren, welcher mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist, soll als Crashsensor 14 ausgebildet sein. Ein solcher Crashsensor 14 ist typischerweise in dem Fahrzeug 2 ohnehin vorhanden, beispielsweise zum Auslösen von Gurtstraffern, Airbags und Ähnlichem. Spricht dieser Sensor 14 an, dann kann das Signal auch an die Auslöseeinheit 13 weitergereicht werden, welche entsprechend auslöst und das Ablassventil 10 öffnet. Dies kann beispielsweise elektrisch, mechanisch oder pyrotechnisch erfolgen. Ein weiterer Sensor 15 ist im Rahmen der Fehlersensorik optional angedeutet. Dieser Sensor 15 kann beispielsweise ein eigener innerhalb des Kühlkreislaufs angeordneter Crashsensor, ein Leckagesensor oder auch ein Lagesensor für das Fahrzeug 2 sein. Gegebenenfalls kann die Auswerteeinrichtung 13 so ausgebildet sein, dass sie eine logische Verknüpfung zwischen den Daten der Sensoren 14, 15 vornimmt und dementsprechend das Ablassventil 10 auslöst, idealerweise immer nur dann, wenn dies auch tatsächlich notwendig ist. Ist der Sensor 15 als Lagesensor ausgebildet, dann kann auch erkannt werden, ob die Öffnung des Ablassventils 10 nach unten gerichtet ist, oder beispielsweise, weil das Fahrzeug 2 umgestürzt ist, seitlich oder oben in dem Fahrzeug 2 angeordnet ist. In diesem speziellen Fall, oder falls eine gesamte Entleerung des Kühlmittels 3 aus dem Kühlkreislauf 1 nicht oder nur schwer möglich ist, kann über eine weitere Auslöseeinheit 16 eine Druckgaspatrone 17 ausgelöst werden, sodass beispielsweise zusammen mit der Auslösung des Ablassventils 10 oder insbesondere zeitverzögert kurz nach dem Auslösen des Ablassventils 10 Druckgas aus der Druckgaspatrone 17 in den Kühlkreislauf 1 gelangt und das Kühlmittel 3 aus dem Kühlkreislauf 1 ausbläst bzw. dessen Austrag aus dem Kühlkreislauf 1 unterstützt.
