DE102013226813A1

DE102013226813A1 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102013226813A1
Application number: DE102013226813.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Einoegg; Robert Lustig; Sebastian Siering; Daniel Loos
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Objekt, insbesondere für Hochvoltspeicher, umfassend einen Kühlkörper, der von einem Kältemittel durchströmbar ist, wobei der Kühlkörper ausgebildet ist, Wärme von dem Objekt aufzunehmen und an das durchströmende Kältemittel abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkörper das Kältemittel mit einem maximalen Druck von 250 bar führbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Objekt. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Hochvoltspeicher, der mit der genannten Kühlvorrichtung ausgestattet ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das einen zuvor genannten Hochvoltspeicher aufweist.
Als Fahrzeuge sind insbesondere Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge bekannt. Zur Sicherung der Reichweite, Lebensdauer und abrufbarer Leistung von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ist ein vordefiniertes Temperaturmanagement der Hochvoltspeicher der Fahrzeuge erforderlich. Hierzu ist entscheidend, dass zwischen einzelnen Zellen der Hochvoltspeicher eine Temperaturspreizung so gering wie möglich gehalten wird. Dazu werden Kältemittel eingesetzt, die insbesondere durch einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs die Hochvoltspeicher sicher und zuverlässig kühlen.
Es ist jedoch eine Vielzahl von Kältemitteln aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Kältemittel weisen oftmals sehr unterschiedliche Charakteristiken auf, so dass eine Kühlvorrichtung für jedes Kältemittel eigens entwickelt werden muss. Daher ist die Entwicklung von Kühlvorrichtungen und damit die Kühlvorrichtung selbst sehr teuer.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung für ein Objekt anzugeben, die bei einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage eine breite Verwendbarkeit aufweist und dabei eine sichere und zuverlässige Kühlung des Objekts gewährleistet.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Kühlvorrichtung für ein Objekt, die einen Kühlkörper umfasst. Das Objekt ist insbesondere ein Hochvoltspeicher. Der Kühlkörper ist von einem Kältemittel durchströmbar und derart ausgebildet, dass dieser Wärme von dem Objekt aufnimmt und an das durchströmende Kältemittel abgibt. Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass in den Kühlkörper das Kältemittel mit einem maximalen Druck von 250 bar führbar ist. Dies ermöglicht eine breite Anwendung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, da bei unterschiedlichen Kältemitteln unterschiedliche Drücke auftreten. Da die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen Kühlkörper aufweist, der bei Betrieb mit unterschiedlichen Kältemitteln nicht strukturell versagt, ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung sehr breit einsetzbar. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Kältemitteln betreibbar.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Bevorzugt ist der Kühlkörper ausgebildet, dass dieser sowohl von dem Kältemittel R744, als auch von dem Kältemittel R134a, sowie von dem Kältemittel R1234yf durchströmbar ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Kühlkörper ausgebildet ist, von den genannten Kältemitteln einzeln durchströmt zu werden. Allerdings ist insbesondere eine gleichzeitige Verwendung der genannten Kältemittel nicht vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind die Wandstärken des Kühlkörpers derart ausgebildet, dass diese einen Wert von 1 mm nicht unterschreiten. Insbesondere unterschreiten die Wandstärken des Kühlkörpers einen Wert von 1,25 mm nicht. Besonders bevorzugt wird ein Wert von 2 mm nicht unterschritten. Mit derartigen Werten weist die Kühlvorrichtung ausreichend Stabilität auf, um Kältemittel oder Fluide mit dem zuvor genannten maximalen Druck zu führen. Somit ist die breite Anwendbarkeit der Kühlvorrichtung gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Kühlvorrichtung weist eine Fläche eines Querschnitts eines Strömungskanals des Kühlkörpers zumindest einen Wert von 1 mm² auf. Insbesondere weist die Fläche einen Wert von zumindest 2 mm² auf. Besonders bevorzugt weist die Fläche einen Wert von zumindest 3 mm² auf. Durch derartige Querschnitte des Strömungskanals ist eine sichere und zuverlässige sowie eine ausreichende Kühlung des Objekts gewährleistet, da insbesondere ein Druckverlust innerhalb des Kühlers minimiert wird. Daher ist ein ausreichender Massenstrom an Kältemittel innerhalb des Kühlkörpers der Kühlvorrichtung realisierbar.
Vorteilhafterweise ist der Kühlkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung gefertigt. Alternativ oder zusätzlich ist der Kühlkörper aus einem Stahl, insbesondere aus einem hochfesten Stahl, gefertigt. Daher weist die Kühlvorrichtung eine ausreichende Stabilität auf, um die zuvor genannten Druckwerte der Kältemittel zu erreichen. Der Kühlkörper erlaubt daher bevorzugt eine sehr breite Einsetzbarkeit der Kühlvorrichtung, da Kältemittel mit sehr hohen Drücken führbar sind. Somit ist eine große Bandbreite an Kältemitteln in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform einsetzbar.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Hochvoltspeicher, der eine zuvor beschriebene Kühlvorrichtung umfasst. Durch die zuvor beschriebene Kühlvorrichtung ist der Hochvoltspeicher sicher und zuverlässig kühlbar, wobei durch die Kühlvorrichtung zumindest eine Batteriezelle des Hochvoltspeichers kühlbar ist. Durch die breite Anwendbarkeit und Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist auch der Hochvoltspeicher sehr flexibel einsetzbar, da sehr wenig Anforderungen an das zu verwendende Kältemittel gestellt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug, das den zuvor genannten Hochvoltspeicher umfasst. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Fahrzeug eine zuvor beschriebene Kühlvorrichtung. Insbesondere ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug, das den Hochvoltspeicher zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie an einen Antriebsmotor des Fahrzeugs bereitstellt. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient somit zum Sicherstellen einer hohen Reichweite, sowie einer hohen Lebensdauer und einer hohen abrufbaren Leistung des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine erste schematische Ansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine zweite schematische Ansicht der Kühlvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Ansicht des Hochvoltspeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
5 einen Überblick über Charakteristika verschiedener Kältemittel.
1 zeigt eine Kühlvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine weitere Ansicht der Kühlvorrichtung 1 ist aus 2 ersichtlich. Sowohl aus 1 als auch aus 2 ist ersichtlich, die Kühlvorrichtung einen Kühlkörper 2 umfasst, der eine vordefinierte Wandstärke 3 sowie eine Vielzahl von Strömungskanälen 4 aufweist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wandstärken 3 einen Wert von 1,25 mm nicht unterschreiten. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die Strömungskanäle 4 einen Querschnitt aufweisen, dessen Fläche zumindest einen Wert von 2 mm² umfasst. Somit ist eine ausreichende Kühlleistung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel realisierbar, wobei durch die Wandstärken 3 eine Stabilität des Kühlkörpers 2 zur Aufnahme unterschiedlicher Kältemittel gewährleistet ist.
Die Charakteristika unterschiedlicher Kältemittel 8, 9, 10 sind in 5 gezeigt. 5 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm, bei dem die Abszisse eine spezifische Enthalpie des jeweiligen Kältemittels 8, 9, 10 zeigt, während auf der Ordinate ein zugehöriger Druck des Kältemittels in logarithmischer Skalierung aufgetragen ist. Dabei ist schematisch eine Phasengrenzlinie für ein erstes Kältemittel 8, eine Phasengrenzlinie für ein zweites Kältemittel 9 und eine Phasengrenzlinie für ein drittes Kältemittel 10 aufgebracht. Zusätzlich ist schematisch ein erster thermodynamischer Kältekreisprozess 11 für das erste Kältemittel 8, ein zweiter thermodynamischer Kältekreisprozess 12 für das zweite Kältemittel 9 und ein dritter thermodynamischer Kältekreisprozess 13 für das dritte Kältemittel 10 eingezeichnet. Dabei ist das erste Kältemittel 8 insbesondere das Kältemittel R744, das zweite Kältemittel 9 das Kältemittel R134a und das dritte Kältemittel 10 das Kältemittel R1234yf.
Es ist ersichtlich, dass das erste Kältemittel 8, das zweite Kältemittel 9 und das dritte Kältemittel 10 unterschiedliche Kältekreisprozesses 11, 12, 13 aufweisen. Diese verlaufen insbesondere in unterschiedlichen Druckbereichen und weisen verschiedene spezifische Enthalpiebereiche auf. Daher sind Kühlvorrichtungen nach dem Stand der Technik jeweils genau für einen der dargestellten Kältekreisprozesse 11, 12, 13 ausgelegt. Der erfindungsgemäße Kühlkörper 2 ist hingegen ausgelegt, jedes der Kältemittel, d. h. das erste Kältemittel 8 und das zweite Kältemittel 9 und das dritte Kältemittel 10, alternativ zu führen. Somit ist die Kühlvorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung sehr flexibel einsetzbar. Dies bedeutet, dass nicht für jedes der vorgenannten Kältemittel ein eigens vorgesehener, d. h. auf das jeweilige Kältemittel angepasster Kühlkörper und somit Kühlvorrichtung verwendet werden muss, sondern ein Kühlkörper bzw. eine Kühlvorrichtung zur Verfügung steht, der bzw. die für jedes der vorgenannten Kältemittel verwendet werden kann. Somit kann der Kühlkörper bzw. die Kühlvorrichtung mit größeren Stückzahlen hergestellt werden, wodurch sich günstigere Fertigungskosten erreichen lassen. Gleichsam reduziert sich der Aufwand hinsichtlich Absicherung, Logistik, Montage und Service.
3 zeigt einen Hochvoltspeicher 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Hochvoltspeicher 5 umfasst zumindest eine Batteriezelle 6 und eine Kühlvorrichtung 1, wobei die Kühlvorrichtung 1 insbesondere die in den 1 und 2 gezeigte Kühlvorrichtung 1 ist. Somit ist der Hochvoltspeicher 5 auch bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen sicher und zuverlässig betreibbar, wobei eine Leistungsfähigkeit des Hochvoltspeichers 5 maximiert ist.
4 zeigt schließlich ein Fahrzeug 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fahrzeug 7 ist insbesondere ein Elektrofahrzeugt. Daher umfasst das Fahrzeug 7 einen Elektromotor (nicht gezeigt), der zum Antrieb des Fahrzeugs 7 verwendbar ist. Um den Elektromotor mit Energie zu versorgen, ist ein Hochvoltspeicher 5 vorhanden. Dabei ist der Hochvoltspeicher 5 insbesondere der Hochvoltspeicher aus 3. Zur Sicherung von Reichweite, Lebensdauer und abrufbarer Leistung des Fahrzeugs 7 ist der Hochvoltspeicher 5 derart ausgebildet, dass dieser eine Kühlvorrichtung 1 umfasst. Somit wird eine Batteriezelle 6 des Hochvoltspeichers 5 stets optimal gekühlt. Durch die universelle und flexible Einsetzbarkeit der Kühlvorrichtung 1 ist dazu die Verwendung unterschiedlichster Kältemittel möglich.
Hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung des Kühlkörpers stehen im Wesentlichen drei Parameter zur Verfügung, die entsprechend vorgegebener Randbedingungen, wie beispielsweise dem Druckniveau des jeweiligen Kältemittels oder einer geforderten ausreichenden Kühlleistung unter Berücksichtigung der sich in dem Kühlkörper einstellenden Druckverlusten, wähl- bzw. einstellbar sind. Hierbei handelt es sich um die Wandstärke innerhalb des Kühlkörpers, die Fläche eines Querschnitts eines Strömungskanals des Kühlkörpers, und um das Material, aus dem der Kühlkörper aufgebaut ist. Da sich diese Parameter zum Teil gegenseitig beeinflussen, so kann sich beispielsweise die Wahl des verwendeten Materials auf die Wandstärke auswirken, ist es möglich, unter Variation der vorgenannten Parameter einen optimierten Kühlkörper und somit eine optimierte Kühlvorrichtung bereitzustellen, die für das Kältemittel R744 und das Kältemittel R134a und das Kältemittel R1234yf gleichermaßen einsetzbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Kühlvorrichtung
2: Kühlkörper
3: Wandstärke
4: Strömungskanal
5: Hochvoltspeicher
6: Batteriezelle
7: Fahrzeug
8: Erstes Kältemittel
9: Zweites Kältemittel
10: Drittes Kältemittel
11: Erster thermodynamischer Kältekreisprozess
12: Zweiter thermodynamischer Kältekreisprozess
13: Dritter thermodynamischer Kältekreisprozess

Claims

Kühlvorrichtung (1) für ein Objekt, insbesondere für Hochvoltspeicher (5), umfassend einen Kühlkörper (2), der von einem Kältemittel durchströmbar ist, wobei der Kühlkörper (2) ausgebildet ist, Wärme von dem Objekt aufzunehmen und an das durchströmende Kältemittel abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkörper (2) das Kältemittel mit einem maximalen Druck von 250 bar führbar ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörper (2) von dem Kältemittel R744 (8) und dem Kältemittel R134a (9) und dem Kältemittel R1234yf (10) durchströmbar ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wandstärken (3) innerhalb des Kühlkörpers (2) einen Wert von 1 mm, bevorzugt einen Wert von 1,25 mm, besonders bevorzugt einen Wert von 2 mm, nicht unterschreiten.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche eines Querschnitts eines Strömungskanals (4) des Kühlkörpers (2) zumindest einen Wert von 1 mm², bevorzugt zumindest einen Wert von 2 mm², besonders bevorzugt zumindest einen Wert von 3 mm², nicht unterschreitet.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) aus einer hochfesten Aluminiumlegierung und/oder aus einem Stahl, insbesondere aus einem hochfesten Stahl, gefertigt ist.
Hochvoltspeicher (5), umfassend eine Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (1) zumindest eine Batteriezelle (6) des Hochvoltspeichers (5) kühlt.
Fahrzeug (7), umfassend einen Hochvoltspeicher (5) nach Anspruch 6 und/oder eine Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.