DE102014108999A1

DE102014108999A1 - Method for operating a battery cooler system and battery cooler system

Info

Publication number: DE102014108999A1
Application number: DE102014108999.5A
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-01-14
Also published as: WO2015197613A1

Abstract

Ein Batteriekühlersystem umfasst einen Kältemittelkreislauf (10) mit einem Verdichter (12), einem Gaskühler (14), einem Druckminderer (40) und einem Batteriekühlkreislauf (30) mit wenigstens einem Kühlzweig (34, 36), wobei der Druckminderer (40) ein mit einer Steuerung (46) verbundenes Abschaltventil (42) und zumindest eine Drosselstufe mit einer Drosselstelle mit einem fest vorgegebenen Strömungsquerschnitt hat. Das Abschaltventil (42) und die Steuerung (46 sind für einen pulsweitenmodulierten Betrieb ausgelegt. Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Batteriekühlersystems ist der Druckabfall über den Druckminderer (40) für eine minimale Betriebstemperatur ausgelegt, und das Abschaltventil (42) wird in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gepulst betrieben.A battery cooling system comprises a refrigerant circuit (10) having a compressor (12), a gas cooler (14), a pressure reducer (40) and a battery cooling circuit (30) with at least one cooling branch (34, 36), wherein the pressure reducer (40) with a a control (46) connected shut-off valve (42) and at least one throttle stage having a throttle point with a fixed predetermined flow cross-section. The shutoff valve (42) and controller (46) are configured for pulse width modulated operation In a method of operating a battery cooler system, the pressure drop across the pressure reducer (40) is designed for a minimum operating temperature, and the shutoff valve (42) becomes dependent on the Ambient temperature pulsed operated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriekühlersystems und ein Batteriekühlersystem. The invention relates to a method for operating a battery cooler system and a battery cooler system.

Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen oder bei Hybridfahrzeugen entwickeln die Batteriemodule im Betrieb Wärme, die oft über einen Kühlkreislauf abgeführt wird. Hier bietet es sich an, einen Teilkreislauf einer bereits im Fahrzeug vorgesehenen Fahrzeugklimaanlage zur Kühlung der Batteriemodule zu verwenden. In electrically powered vehicles or in hybrid vehicles, the battery modules develop heat during operation, which is often dissipated via a cooling circuit. Here it makes sense to use a partial circuit of an already provided in the vehicle vehicle air conditioning system for cooling the battery modules.

Da meist mehrere Batteriezellen zu getrennten Batteriemodulen zusammengefasst sind, die thermisch voneinander entkoppelt sind, sodass kein Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Batteriemodulen erfolgt, wird oft der Batteriekühlkreislauf in mehrere Kühlzweige aufgeteilt, die jeweils einem oder mehreren der Batteriemodule zugeordnet sind. Die Kühlzweige sollen dabei parallel vom Kältemittel durchströmt werden. Since most of the battery cells are combined into separate battery modules, which are thermally decoupled from each other, so that no heat exchange between the battery modules, the battery cooling circuit is often divided into several cooling branches, which are each associated with one or more of the battery modules. The cooling branches should be flowed through in parallel by the refrigerant.

Es ist bekannt, dem Batteriekühlkreislauf eine eigene Expansionsvorrichtung zuzuordnen, die zwischen einem Ausgang des Gaskühlers und einem Eingang in einen Verzweiger, der das Kältemittel auf die einzelnen Kühlzweige aufteilt, vorgesehen ist. Als Expansionsvorrichtung wird dabei ein bekanntes thermostatisches Expansionsventil (TXV) genutzt, das den Kältemitteldurchfluss gemäß den Gegebenheiten im Batteriekühlkreislauf steuert, oder es wird bei einem mit R744 betriebenen Kältemittelkreislauf eine Festdrossel verwendet. Der Druckabfall im thermostatischen Expansionsventil liegt dabei bei etwa 60 bis 95 % der Gesamtdruckdifferenz, während der Druckabfall im Verzweiger lediglich 3 bis 10 % beträgt. Dies ist darin begründet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckzweig und dem Niederdruckzweig der Fahrzeug-Klimaanalage bei hohen Umgebungstemperaturen deutlich größer ist als bei niedrigen Temperaturen. Das thermostatische Expansionsventil bzw. die Festdrossel muss jedoch auch bei der minimalen Betriebstemperatur und somit einer minimalen Druckdifferenz den Verdampfer mit einer genügenden Menge an Kältemittel, also einem ausreichenden Kältemittelfluss versorgen, und dies ist nur möglich, wenn der Druckabfall im Verzweiger gering ist. Daher sind bekannte Verzweiger für einen geringen Druckabfall ausgelegt. It is known to associate the battery cooling circuit with its own expansion device, which is provided between an outlet of the gas cooler and an inlet into a branching device, which divides the refrigerant into the individual cooling branches. As expansion device while a known thermostatic expansion valve (TXV) is used, which controls the refrigerant flow according to the conditions in the battery cooling circuit, or it is used in a operated with R744 refrigerant circuit, a fixed throttle. The pressure drop in the thermostatic expansion valve is about 60 to 95% of the total pressure difference, while the pressure drop in the branching is only 3 to 10%. This is due to the fact that the pressure difference between the high-pressure branch and the low-pressure branch of the vehicle air-conditioning system is significantly greater at high ambient temperatures than at low temperatures. However, even at the minimum operating temperature and thus a minimum pressure difference, the thermostatic expansion valve or the fixed throttle must provide the evaporator with a sufficient amount of refrigerant, ie a sufficient refrigerant flow, and this is only possible if the pressure drop in the branch is low. Therefore, known branchers are designed for a low pressure drop.

Um eine möglichst hohe Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen zu gewährleisten, darf nur eine sehr geringe Temperaturdifferenz von nicht mehr als 5 K zwischen den einzelnen Batteriezellen herrschen. Der geringe Druckabfall über den Verzweiger erschwert jedoch eine homogene Verteilung des Kältemittels, das vor dem Verzweiger bei höheren Temperaturen stets in einer flüssig-gasförmigen Mischung vorliegt, auf die verschiedenen Kühlzweige. In order to ensure the longest possible service life of the individual battery cells, only a very small temperature difference of not more than 5 K between the individual battery cells may prevail. However, the low pressure drop across the splitter makes it difficult to homogeneously distribute the refrigerant, which is always present in a liquid-gaseous mixture before the splitter at higher temperatures, to the various cooling branches.

Aufgrund des Phasengemisches im Verzweiger ist es auch notwendig, die bekannten Verzweiger in exakter vertikaler Ausrichtung zu verbauen, um auch bei einem geringen Durchfluss eine möglichst homogene Verteilung des Zweiphasengemischs auf die verschiedenen Auslassleitungen zu erreichen. Due to the phase mixture in the branching it is also necessary to install the known branching in exact vertical orientation, in order to achieve a homogeneous distribution of the two-phase mixture on the various outlet pipes even at a low flow.

Bei der Kühlung von Batteriemodulen kommt hinzu, dass eine Kühlung auch bei tiefen Umgebungstemperaturen von z.B. bis zu –10 °C oder weniger funktionieren muss, im Gegensatz zu einer Fahrgastraumkühlung, die bei diesen Temperaturen normalerweise abgeschaltet ist. In the cooling of battery modules is added that cooling even at low ambient temperatures of e.g. down to -10 ° C or less, unlike passenger compartment cooling, which is normally off at these temperatures.

Bei derartig tiefen Temperaturen liegt jedoch der Anteil an flüssigem Kältemittel vor dem Verzweiger bei im Wesentlichen 100 %, worauf die bekannten Verzweiger nicht ausgelegt sind. At such low temperatures, however, the proportion of liquid refrigerant before the branching agent is substantially 100%, after which the known branching agents are not designed.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine homogene Kühlleistung in einem Batteriekühlerkreislauf über den gesamten Bereich der Umgebungstemperaturen sommers wie winters sicherzustellen. The object of the invention is to ensure a homogeneous cooling performance in a battery cooling circuit over the entire range of ambient temperatures summer and winter.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betrieb eines Batteriekühlersystems gelöst, wobei das Batteriekühlersystem einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Druckminderer und einem Batteriekühlerkreislauf, der wenigstens einen Kühlzweig aufweist, hat. Der Druckminderer weist ein mit einer Steuerung verbundenes Abschaltventil und zumindest eine Drosselstufe mit einer Drosselstelle mit einem fest vorgegebenen Strömungsquerschnitt auf. Der Druckabfall über den Druckminderer ist für eine minimale Betriebstemperatur ausgelegt, und das Abschaltventil wird in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gepulst betrieben. This object is achieved with a method for operating a battery cooling system, wherein the battery cooling system has a refrigerant circuit with a compressor, a gas cooler, a pressure reducer and a battery cooler circuit having at least one cooling branch. The pressure reducer has a shut-off valve connected to a control and at least one throttle stage with a throttle point with a fixed predetermined flow cross-section. The pressure drop across the reducer is designed for a minimum operating temperature and the shut-off valve is pulsed depending on the ambient temperature.

Bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise unter winterlichen Wetterverhältnissen, liegt der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs deutlich niedriger als bei hohen Umgebungstemperaturen, beispielsweise an einem heißen Sommertag. Erfindungsgemäß ist der Druckminderer so ausgelegt, dass der Batteriekühlkreislauf bei niedrigen Umgebungstemperaturen optimal betrieben wird. Höhere Umgebungstemperaturen würden bei diesem Betriebsmodus zu einem zu hohen Kältemittelfluss durch den Druckminderer führen, sodass das Kältemittel im Batteriekühler nicht mehr komplett verdampft werden könnte und diesen größtenteils in noch flüssigem Zustand wieder verlassen würde, wodurch die Kühlfunktion negativ beeinträchtigt werden könnte. At low ambient temperatures, for example in winter weather conditions, the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the refrigerant circuit is significantly lower than at high ambient temperatures, for example on a hot summer day. According to the pressure reducer is designed so that the battery cooling circuit is optimally operated at low ambient temperatures. Higher ambient temperatures in this mode of operation would result in too high a refrigerant flow through the pressure reducer, so that the refrigerant in the battery cooler could not be completely evaporated and would leave it largely in a still liquid state, which could adversely affect the cooling function.

Um dies zu vermeiden, wird bei höheren Umgebungstemperaturen das Abschaltventil gepulst zeitweise in seinen geschlossenen Zustand geschaltet und eine Durchströmung des Batteriekühlerkreislaufs, insbesondere eines Batterieverdampfers, unterbunden. To avoid this, the shut-off valve is switched pulsed temporarily at higher ambient temperatures in its closed state and a flow through the battery cooler circuit, in particular a battery evaporator, prevented.

Durch einen pulsweitenmodulierten Betrieb des Abschaltventils kann so mit einfachen Mitteln über den gesamten Temperaturbereich, bei dem das Fahrzeug bzw. das Batteriesystem betrieben werden soll, eine optimale Zuführung von flüssigem Kältemittel erreicht werden, die einerseits eine ausreichend homogene Beaufschlagung z.B. der inneren Verdampferfläche des Batterieverdampfers mit flüssigem Kältemittel sicherstellt und andererseits eine Überdosierung von flüssigem Kältemittel vermeidet. Da der Strömungsquerschnitt der Drosselstelle für tiefe Betriebstemperaturen ausgelegt ist, steht auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen stets ein genügend hoher Kältemittelstrom durch den Druckminderer zum Erzielen einer ausreichenden Kühlleistung für die Batteriemodule bereit und die Batteriezellen sämtlicher Batteriemodule können sehr homogen auf derselben Betriebstemperatur gehalten werden. Durch den Pulsbetrieb wird verhindert, dass zu viel flüssiges Kältemittel in den oder die Kühlzweige gelangt, das nicht vollständig verdampft und somit die Kühlleistung verringert. By a pulse width modulated operation of the shut-off valve can be achieved with simple means over the entire temperature range at which the vehicle or the battery system is to be operated, an optimal supply of liquid refrigerant, on the one hand, a sufficiently homogeneous loading, for. ensures the inner evaporator surface of the battery evaporator with liquid refrigerant and on the other hand avoids overdose of liquid refrigerant. Since the flow cross section of the throttle is designed for low operating temperatures, even at low ambient temperatures is always a sufficiently high refrigerant flow through the pressure reducer to achieve sufficient cooling capacity for the battery modules ready and the battery cells of all battery modules can be kept very homogeneous at the same operating temperature. Pulsed operation prevents too much liquid refrigerant from entering the cooling branch or branches, which does not evaporate completely and thus reduces the cooling capacity.

Die minimale Betriebstemperatur entspricht beispielsweise einer Umgebungstemperatur von etwa –10–0 °C. Bei der minimalen Betriebstemperatur kann das Abschaltventil durchgehend geöffnet betrieben werden, um den maximalen Kältemitteldurchfluss zu erzielen. The minimum operating temperature corresponds for example to an ambient temperature of about -10-0 ° C. At the minimum operating temperature, the shut-off valve can be operated continuously open to achieve the maximum refrigerant flow.

Die Geometrie des Kühlzweigs, der als Verdampfer im Bereich eines Batteriemoduls dient, kann als standardmäßige U-Form ausgelegt werden, anstelle einer ansonsten verwendeten, hochpreisigen Mäanderform. The geometry of the cooling branch, which serves as an evaporator in the region of a battery module, can be designed as a standard U-shape, instead of an otherwise used, high-priced meander shape.

Bei höheren Umgebungstemperaturen, beispielsweise von etwa 30–40 °C, wird hingegen das Abschaltventil vorzugsweise so betrieben, dass es etwa 40–90 % der Zeit geschlossen ist. Vergleiche der Betriebsparameter des Batteriekühlersystems und des Kältemittelkreislaufs bei niedrigen Betriebstemperaturen von etwa –10 °C und hohen Betriebstemperaturen von etwa +40 °C zeigen, dass die Kühlleistung bei tiefen Umgebungstemperaturen um etwa 40 % reduziert ist. Durch die Schließzeiten des Abschaltventils wird die höhere Leistung bei hohen Umgebungstemperaturen kompensiert. At higher ambient temperatures, for example from about 30-40 ° C, however, the shut-off valve is preferably operated so that it is closed about 40-90% of the time. Comparisons of the operating parameters of the battery cooler system and the refrigerant circuit at low operating temperatures of about -10 ° C and high operating temperatures of about + 40 ° C show that the cooling performance at low ambient temperatures is reduced by about 40%. The closing times of the shut-off valve compensate for the higher performance at high ambient temperatures.

Vorzugsweise wird das Abschaltventil so betrieben, dass das Abschaltventil etwa 10 bis 60 Sekunden, insbesondere etwa 25 bis 40 Sekunden am Stück geöffnet oder geschlossen ist, um ein zu häufiges Schalten des Ventils zu vermeiden. Es hat sich herausgestellt, dass aufgrund der hohen thermisch aktiven Masse der Batteriemodule auch bei derartig langen Schaltzeiten eine gleichmäßige und ausreichende Kühlleistung erreicht wird. Preferably, the shut-off valve is operated so that the shut-off valve is open or closed for about 10 to 60 seconds, in particular about 25 to 40 seconds at a time to avoid too frequent switching of the valve. It has been found that due to the high thermally active mass of the battery modules even with such long switching times a uniform and sufficient cooling capacity is achieved.

Die Drosselstelle kann so ausgelegt sein und das Abschaltventil so betrieben werden, dass stromabwärts der Drosselstufe das Kältemittel im Wesentlichen im flüssigen Zustand vorliegt. Bei hohen Umgebungstemperaturen ist es auch möglich, dass das Kältemittel stromabwärts der Drosselstufe vollständig im überkritischen Zustand vorliegt. In beiden Fällen hat das Kältemittel vorzugsweise nur eine einzige Phase, sodass eine Aufteilung auf verschiedene Kühlzweige auf einfache Weise möglich ist. The throttle point may be designed and the shut-off valve operated so that downstream of the throttle stage, the refrigerant is present substantially in the liquid state. At high ambient temperatures, it is also possible that the refrigerant downstream of the throttle stage is completely in the supercritical state. In both cases, the refrigerant preferably has only a single phase, so that a division into different cooling branches is possible in a simple manner.

Der Strömungsdurchmesser der Drosselstelle ist für eine Optimierung für winterliche Verhältnisse bei tiefen Umgebungstemperaturen beispielsweise auf eine Druckdifferenz von 10 bar (1 MPa) und eine Enthalpiedifferenz in den Kühlzweigen von 240 kJoule/kg ausgelegt. The flow diameter of the orifice is designed for optimization of winter conditions at low ambient temperatures, for example, to a pressure difference of 10 bar (1 MPa) and an enthalpy difference in the cooling branches of 240 kJoule / kg.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Batteriekühlersystem gelöst, mit dem insbesondere ein oben beschriebenes Verfahren durchgeführt werden kann, wobei das Batteriekühlersystem einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Druckminderer und einem Batteriekühlkreislauf aufweist, der wenigstens einen Kühlzweig hat. Der Druckminderer weist ein mit einer Steuerung verbundenes Abschaltventil und zumindest eine Drosselstufe mit einer Drosselstelle mit einem fest vorgegebenen Strömungsquerschnitt auf, die für eine minimale Betriebstemperatur ausgelegt ist. Die Steuerung und das Abschaltventil sind für einen pulsweitenmodulierten Betrieb ausgelegt. Ein derartiges Batteriekühlsystem liefert wie oben beschrieben eine optimale Kühlleistung über den gesamten Bereich von Umgebungstemperaturen, von winterlichen Bedingungen bis hin zu hohen Umgebungstemperaturen im Sommer, von etwa –10 bis +40 °C. The object of the invention is also achieved by a battery cooling system, with which in particular a method described above can be performed, wherein the battery cooling system comprises a refrigerant circuit with a compressor, a gas cooler, a pressure reducer and a battery cooling circuit having at least one cooling branch. The pressure reducer has a shut-off valve connected to a control and at least one throttle stage with a throttle point with a fixed predetermined flow cross-section, which is designed for a minimum operating temperature. The controller and the shut-off valve are designed for a pulse width modulated operation. Such a battery cooling system, as described above, provides optimum cooling performance over the full range of ambient temperatures, from winter conditions to high ambient summer temperatures, from about -10 to + 40 ° C.

Das Absperrventil ist vorzugsweise durch einen Elektromagneten geschaltet, der von der Steuerung kontrolliert und angesteuert wird. The shut-off valve is preferably connected by an electromagnet, which is controlled and controlled by the controller.

Der Druckminderer hat vorzugsweise einen Verzweiger zur Aufteilung des Kühlmittelstroms auf wenigstens zwei Kühlzweige, sodass mehrere Batteriemodule, die räumlich und thermisch voneinander getrennt angeordnet sind, gleichzeitig mit denselben Bedingungen gleichmäßig gekühlt werden können. The pressure reducer preferably has a branching device for dividing the coolant flow into at least two cooling branches, so that a plurality of battery modules, which are spatially and thermally separated from each other, can be uniformly cooled simultaneously with the same conditions.

Die Drosselstelle ist vorzugsweise in das Abschaltventil integriert, um die Anzahl separater Bauteile zu verringern. The throttle point is preferably integrated in the shut-off valve to reduce the number of separate components.

Anstatt im Abschaltventil könnte die Drosselstelle auch im Verzweiger angeordnet sein, beispielsweise im Bereich eines Einlasses oder einer Hauptleitung des Verzweigers vor dem Verzweigungspunkt auf die einzelnen Kühlzweige. Instead of the shut-off valve, the throttle point could also be arranged in the branch, for example in the region of an inlet or a main line of the branching device before the branching point on the individual cooling branches.

Im Druckminderer ist bevorzugt eine zweite Drosselstufe vorgesehen, die insbesondere im Verzweiger, beispielsweise nach einem Verzweigungspunkt in den Auslassleitungen, die zu den beiden Kühlzweigen führen, angeordnet sein kann. In the pressure reducer, a second throttle stage is preferably provided, which can be arranged in particular in the branch, for example, after a branch point in the outlet lines leading to the two cooling branches.

Es ist auch möglich, die Drosselstufe direkt vor dem Verzweigungspunkt anzuordnen. Auch dann ist eine homogene Verteilung auf die einzelnen Kühlzweige gegeben, selbst wenn nach der Drosselstelle das Kältemittel ein Gas-Flüssigkeitsgemisch aufweist, da die Gasphase und die flüssige Phase aufgrund der kurzen Wegstrecke noch so gut durchmischt sind, dass eine homogene Verteilung vor allem der Flüssigkeitsanteile des Kältemittels auf die einzelnen Kühlzweige erfolgt. It is also possible to arrange the throttle stage directly in front of the branch point. Even then, a homogeneous distribution is given to the individual cooling branches, even if after the throttle point, the refrigerant has a gas-liquid mixture, since the gas phase and the liquid phase are mixed so well due to the short distance that a homogeneous distribution, especially of the liquid components of the refrigerant takes place on the individual cooling branches.

Die Vermischung von Gasphase und flüssiger Phase lässt sich durch einen Filter direkt stromabwärts der Drosselstelle unterstützen. The mixing of gas phase and liquid phase can be assisted by a filter directly downstream of the throttle point.

Jeder der Drosselstellen kann beispielsweise durch eine kalibrierte Bohrung im Körper des Abschaltventils realisiert sein, aber auch durch ein vorgefertigtes Rohr mit kalibriertem Innendurchmesser, das in den Strömungsweg des Kältemittels im Abschaltventil eingesetzt ist. Each of the throttling points can be realized for example by a calibrated bore in the body of the shut-off valve, but also by a prefabricated tube with calibrated inner diameter, which is inserted into the flow path of the refrigerant in the shut-off valve.

Im Kältemittelkreislauf ist bevorzugt ein Verdampfer einer Fahrzeugklimaanlage vorgesehen, dem ein Abschaltventil vorgeschaltet ist, welches über einen Bypass mit einem Sicherheitsventil überbrückt ist. Das Sicherheitsventil sorgt dafür, dass bei einem Überdruck im Hochdruckzweig des Kältemittelkreises (etwa 12 bis 15 MPa) ein Druckausgleich zur Niederdruckseite stattfinden kann. In diesem Fall ist im Batteriekühlkreislauf kein eigenes Sicherheitsventil vonnöten, sodass das Absperrventil vereinfacht werden kann. In the refrigerant circuit, an evaporator of a vehicle air conditioning system is preferably provided, which is preceded by a shut-off valve, which is bypassed via a bypass with a safety valve. The safety valve ensures that at an overpressure in the high pressure branch of the refrigerant circuit (about 12 to 15 MPa) a pressure equalization can take place to the low pressure side. In this case, no separate safety valve is required in the battery cooling circuit, so that the shut-off valve can be simplified.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: The invention will be described in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying figures. In the drawings show:

1 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugklimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Batteriekühlersystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a schematic representation of a vehicle air conditioner with a battery cooler system according to the invention for carrying out a method according to the invention;

2 eine schematische Schnittansicht eines Verzweigers eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in einer ersten Ausführungsform; 2 a schematic sectional view of a splitter of a battery cooler system according to the invention in a first embodiment;

3 eine schematische Schnittansicht eines Verzweigers eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in einer zweiten Ausführungsform; 3 a schematic sectional view of a splitter of a battery cooler system according to the invention in a second embodiment;

4 eine schematische Schnittansicht eines Druckminderers eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in einer dritten Ausführungsform; 4 a schematic sectional view of a pressure reducer of a battery cooler system according to the invention in a third embodiment;

5 einen schematische Darstellung eines Schaltzyklus eines Abschaltventil eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems; 5 a schematic representation of a switching cycle of a shut-off valve of a battery cooler system according to the invention;

6 eine diagrammatische Darstellung der maximalen Druckdifferenz am Druckminderer des erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur; 6 a diagrammatic representation of the maximum pressure difference at the pressure reducer of the battery cooling system according to the invention as a function of the ambient temperature;

7 eine diagrammatische Darstellung der Enthalpiedifferenz für die Verdampfung von R744 abhängig von der Umgebungstemperatur; und 7 a diagrammatic representation of the enthalpy difference for the evaporation of R744 depending on the ambient temperature; and

8 ein Mollierdiagramm des Kältemittels R744 mit dem Arbeitsbereich des Batteriekühlersystems bei niedrigen und bei hohen Umgebungstemperaturen. 8th a Mollier diagram of the refrigerant R744 with the operating range of the battery cooler system at low and high ambient temperatures.

1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 einer nicht näher dargestellten Fahrzeug-Klimaanlage. Ein Kältemittel, hier R744, strömt durch mehrere Teilkühlkreisläufe. Es wird in einem Verdichter 12 verdichtet, bevor es in einem Gaskühler 14 abgekühlt wird, beispielsweise mittels Kühlung durch Umgebungsluft. Das gasförmige, unter hohem Druck stehende Kältemittel passiert anschließend einen inneren Wärmetauscher 16, in dem es einen Teil seiner Wärmeenergie an rückströmendes entspanntes Kältemittel abgibt. 1 shows a refrigerant circuit 10 a non-illustrated vehicle air conditioning. A refrigerant, here R744, flows through several partial cooling circuits. It is in a compressor 12 compacted before being in a gas cooler 14 is cooled, for example by means of cooling by ambient air. The gaseous, high pressure refrigerant then passes through an internal heat exchanger 16 in which it gives off part of its heat energy to back-flowing, expanded refrigerant.

In einem ersten Teilkühlkreislauf 18 durchströmt das Kältemittel einen Verdampfer 20 der Fahrzeug-Klimaanlage, mit dem beispielsweise ein Fahrzeuginnenraum gekühlt wird. In a first partial cooling circuit 18 the refrigerant flows through an evaporator 20 the vehicle air conditioner with which, for example, a vehicle interior is cooled.

Stromaufwärts des Verdampfers 20 ist ein Abschaltventil 22 angeordnet, über das der Teilkühlkreislauf 18 abgesperrt werden kann, wenn eine Kühlung nicht benötigt wird. In diesem Beispiel enthält das Abschaltventil 22 eine Druckminderstufe in Form einer Öffnung mit verringertem Querschnitt, die als Drosselstelle wirkt und über die Druckminderung eine teilweise Entspannung des Kältemittels bewirkt. Upstream of the evaporator 20 is a shut-off valve 22 arranged over which the partial cooling circuit 18 can be shut off when cooling is not needed. In this example, the shut-off valve contains 22 a pressure reducing stage in the form of an opening with a reduced cross section, which acts as a throttle point and causes a partial relaxation of the refrigerant via the pressure reduction.

Die Druckminderung von der Hochdruck- zur Niederdruckseite erfolgt hier wie für R744-Kältemittelkreisläufe bekannt mit einer fest vorgegebenen Querschnittsverengung. Der Durchmesser dieser Drosselstelle wird u.a. in Abhängigkeit von der geforderten Leistung des Verdampfers gewählt. The pressure reduction from the high pressure to the low pressure side takes place here as for R744 refrigerant circuits known with a fixed predetermined cross-sectional constriction. The diameter of this restriction is u.a. selected depending on the required power of the evaporator.

Das Abschaltventil 22 ist über eine Bypassleitung 24 mit einem Sicherheitsventil 26 überbrückt. Das Sicherheitsventil 26 ist so ausgelegt, das es einen Kältemittelstrom durch den Teilkühlkreislauf 18 ermöglicht, wenn am Sicherheitsventil 26 eine kritische Druckschwelle erreicht wird, die beispielsweise bei etwa 120–150 bar (12–15 MPa) liegen kann. The shut-off valve 22 is via a bypass line 24 with a safety valve 26 bridged. The safety valve 26 is designed so that there is a refrigerant flow through the partial cooling circuit 18 allows when at the safety valve 26 a critical pressure threshold is reached, which may for example be about 120-150 bar (12-15 MPa).

Generell gilt, dass der Kältemittelkreislauf bei einer Verwendung von R744 als Kältemittel vor einem Überdruck geschützt werden muss. Dies wird hier durch das Sicherheitsventil 26 erreicht, das im Fall einer plötzlichen Druckerhöhung eine Strömungsverbindung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes öffnet. Diese Bypassfunktion hier steht in allen Betriebsbedingungen zur Verfügung. Ein derartiger Druckanstieg kann beispielsweise bei einer starken Fahrzeugbeschleunigung auftreten, bei der der Verdichterdurchsatz nicht schnell genug herunter geregelt werden kann, sodass eine große Gasmenge in den Gaskühler 14 geleitet wird. In general, when using R744 as a refrigerant, the refrigerant circuit must be protected against overpressure. This is done through the safety valve 26 achieved, which opens in the case of a sudden pressure increase a flow connection from the high pressure side to the low pressure side of the refrigerant circuit. This bypass function is available in all operating conditions. Such a pressure increase can occur, for example, at a strong vehicle acceleration, in which the compressor flow rate can not be regulated down fast enough, so that a large amount of gas in the gas cooler 14 is directed.

Das vom Verdampfer 20 zurückströmende Kältemittel passiert erneut den inneren Wärmetauscher 16 sowie einen Akkumulator 28, in dem etwaiges vorhandenes flüssiges Kältemittel abgeschieden wird, bevor das Kältemittel zum Verdichter 12 zurückströmt. That from the evaporator 20 Backflowing refrigerant passes through the inner heat exchanger again 16 as well as an accumulator 28 in which any existing liquid refrigerant is separated before the refrigerant to the compressor 12 flowing back.

Parallel zum ersten Teilkühlkreislauf 18 durchströmt das Kältemittel einen Batteriekühlerkreislauf 30, der Teil eines Batteriekühlersystems 32 ist. Der Batteriekühlerkreislauf kann eine Kühlleistung von etwa 0,5 bis 2 kW haben. Batteriezellen eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (nicht näher dargestellt) sind hier in mehreren Modulen angeordnet, die von zwei parallel geschalteten Kühlzweigen 34, 36 gekühlt werden. Der Batteriekühlerkreislauf 30 teilt sich also hier in zwei Kühlzweige 34, 36 auf, die nach Durchlaufen der Batteriemodule in eine gemeinsame Rückführ-Saugleitung 38 münden. Die Kühlzweige 34, 36 dienen als Verdampfer, in dem das in ihnen befindliche flüssige Kältemittel die Wärme der Batteriezellen aufnimmt und dadurch in den gasförmigen Zustand übergeht. Parallel to the first partial cooling circuit 18 the refrigerant flows through a battery cooler circuit 30 , the part of a battery cooler system 32 is. The battery cooler circuit can have a cooling capacity of about 0.5 to 2 kW. Battery cells of a hybrid or electric vehicle (not shown in detail) are arranged here in several modules, of two parallel cooling branches 34 . 36 be cooled. The battery cooler circuit 30 So it divides here into two cooling branches 34 . 36 after passing through the battery modules in a common return suction line 38 lead. The cooling branches 34 . 36 serve as an evaporator, in which the liquid refrigerant contained in them absorbs the heat of the battery cells and thereby passes into the gaseous state.

Stromabwärts des Ausgangs des Verdampfers 20 mündet der erste Teilkühlkreislauf 18 in die Rückführ-Saugleitung 38. Downstream of the evaporator outlet 20 opens the first partial cooling circuit 18 in the return suction line 38 ,

Stromaufwärts der beiden Kühlzweige 34, 36 ist ein Druckminderer 40 angeordnet. In der hier dargestellten Variante weist der Druckminderer 40 ein Abschaltventil 42 auf, dass stromaufwärts eines Verzweigers 44 angeordnet ist. Upstream of the two cooling branches 34 . 36 is a pressure reducer 40 arranged. In the variant shown here, the pressure reducer 40 a shut-off valve 42 on that upstream of a splitter 44 is arranged.

In einer möglichen Ausführungsform, die später beschrieben wird (siehe 4), sind das Abschaltventil 42 und der Verzweiger 44 in einem einzigen Bauteil kombiniert. Sie können aber auch als separate Bauteile ausgebildet sein. Es wäre auch möglich, auf das Abschaltventil 42 zu verzichten und die Druckminderung vollständig über den Verzweiger 44 durchzuführen. In a possible embodiment, which will be described later (see 4 ), are the shut-off valve 42 and the branching 44 combined in a single component. But they can also be designed as separate components. It would also be possible on the shut-off valve 42 to dispense and the pressure reduction completely over the branching 44 perform.

Das Abschaltventil 42 ist mit einer Steuerung 46 verbunden, die den Öffnungszustand des Abschaltventils 42 bestimmen kann. In diesem Beispiel kann das Abschaltventil 42 nur die beiden Steuerzustände „offen“ und „geschlossen“ einnehmen. The shut-off valve 42 is with a controller 46 connected to the opening state of the shut-off valve 42 can determine. In this example, the shut-off valve 42 take only the two control states "open" and "closed".

Direkt stromabwärts des Abschaltventils 42 ist in diesem Beispiel ein Temperatursensor T₁ angeordnet, der ebenfalls mit der Steuerung 46 verbunden ist. Unmittelbar an der Verbindungsstelle 48 der beiden Kühlzweige 34, 36 ist hier ein zweiter Temperatursensor T₂ vorgesehen, der ebenfalls mit der Steuerung 46 verbunden ist. Immediately downstream of the shut-off valve 42 In this example, a temperature sensor T _{1 is} arranged, which is also connected to the controller 46 connected is. Immediately at the junction 48 the two cooling branches 34 . 36 Here is a second temperature sensor T _{2 is} provided, which also with the controller 46 connected is.

In den 2 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen des Verzweigers 44 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird für alle drei Ausführungsformen das Bezugszeichen 44 verwendet. In the 2 to 4 are different embodiments of the splitter 44 shown. For reasons of clarity, the reference numeral is used for all three embodiments 44 used.

Der in 2 dargestellte Verzweiger 44 weist einen Körper 50 auf, in dem ein Einlass 52 ausgespart ist, der in eine Hauptleitung 54 übergeht. Am Ende der Hauptleitung 54 befindet sich ein Verzweigungspunkt 56, ab dem sich die Hauptleitung 54 in zwei Auslassleitungen 58 aufteilt, die in diesen Beispielen jeweils gleich ausgebildet sind. Jede der Auslassleitungen 58 geht in einen Auslass 60 über, über den die jeweilige Auslassleitung 58 mit einem der beiden Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislauf 30 verbunden ist. The in 2 illustrated branching 44 has a body 50 in which an inlet 52 left out in a main line 54 passes. At the end of the main line 54 there is a branch point 56 from which the main line 54 in two outlet lines 58 divides, which are each formed the same in these examples. Each of the outlet pipes 58 goes into an outlet 60 over, over which the respective outlet line 58 with one of the two cooling branches 34 . 36 the battery cooler circuit 30 connected is.

In den Verzweiger 44 ist eine Drosselstufe integriert, die eine als Drosselstelle wirkende Verengung aufweist und somit eine Druckminderung stromabwärts der Drosselstelle bewirkt. In the branch 44 a throttle stage is integrated, which has a constriction acting as throttle point and thus causes a pressure reduction downstream of the throttle point.

In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Drosselstufe durch jeweils eine kalibrierte Bohrung 62 mit fest vorgegebenem Durchmesser und Läge in jeder der Auslassleitungen 58 realisiert. In diesem Fall schließt die kalibrierte Bohrung 62 direkt an die Verzweigung. 56 an und liegt somit direkt stromabwärts der Hauptleitung 54. In the in 2 The example shown is the throttle stage by a respective calibrated hole 62 with fixed diameter and length in each of the outlet lines 58 realized. In this case, the calibrated hole closes 62 directly to the junction. 56 and thus lies directly downstream of the main line 54 ,

Anstelle einer Verzweigung in zwei Auslassleitungen 58 könnte auch eine Verzweigung in mehr als zwei Auslassleitungen 58 vorgesehen sein. Genauso wäre es möglich, mehrere Verteiler 44 in weiteren, zum Batteriekühlerkreislauf 30 parallel geschalteten Batteriekühlerkreisläufen vorzusehen (nicht gezeigt). Instead of a branch in two outlet lines 58 could also have a branch in more than two outlet lines 58 be provided. In the same way it would be possible to have several distributors 44 in further, to the battery cooler circuit 30 to provide parallel battery cooling circuits (not shown).

In diesem Beispiel ist die Drosselstufe erst nach dem Verzweigungspunkt 56 vorgesehen. Das führt dazu, dass das Kältemittel, das in der Hauptleitung 54 vollständig oder im Wesentlichen vollständig eine einzige Phase aufweist (in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur überkritisch oder flüssig, wie nachfolgend noch beschrieben wird), gleichmäßig auf die beiden Auslassleitungen 58 aufgeteilt wird. Aufgrund des gleichförmigen Aggregatszustands ist auch eine von der vertikalen abweichende Einbaulage der Verzweigers 44 unproblematisch. In this example, the throttle level is after the branch point 56 intended. This causes the refrigerant to be in the main line 54 completely or substantially completely a single phase (depending on the ambient temperature supercritical or liquid, as will be described below) evenly on the two outlet lines 58 is split. Due to the uniform state of aggregation is also a deviating from the vertical mounting position of the splitter 44 unproblematic.

Innerhalb des Einlasses 52 ist hier ein Filter 64 vorgesehen, der ein Verschmutzen des Verzweigers 44 verhindert. Inside the inlet 52 here is a filter 64 provided, a contamination of the splitter 44 prevented.

Der Einlass 52 ist in diesen Beispielen in einem Anschlussstutzen 66 ausgebildet, über den der Verzweiger 44 mit den Rohrleitungen des Batteriekühlerkreislauf 30 oder mit dem Abschaltventil 42 verbunden werden kann (siehe 4). The inlet 52 is in these examples in a spigot 66 formed over which the branching 44 with the piping of the battery cooler circuit 30 or with the shut-off valve 42 can be connected (see 4 ).

Die kalibrierte Bohrung 62 hat beispielsweise einen Durchmesser von 0,2–1,0 mm und einer Länge von 10–40 mm, wobei mit zunehmender Länge der Drosselstelle die Strömung stabiler wird und sich auch die Tendenz zum Aufbau von Schwingungen in der Strömung reduziert. The calibrated bore 62 For example, has a diameter of 0.2-1.0 mm and a length of 10-40 mm, with increasing length of the throttle point, the flow is more stable and also reduces the tendency to build up oscillations in the flow.

3 zeigt eine Ausführungsform eines Verzweigers 44, bei der die Drosselstufe im Bereich der Hauptleitung 54 vorgesehen ist. In diesem Fall erfolgt die Druckreduzierung bereits vor dem Verzweigungspunkt 56. 3 shows an embodiment of a splitter 44 , in which the throttle stage in the area of the main line 54 is provided. In this case, the pressure reduction takes place before the branch point 56 ,

Nach der Drosselstelle ist ein Filter 68 angeordnet, der das Kältemittel nach der Drosselstelle homogenisiert, indem die flüssigen und gasförmigen Anteile durchmischt werden, sodass eine homogene Verteilung auf die beiden Auslassleitungen 58 erfolgt. After the throttle is a filter 68 arranged, which homogenizes the refrigerant after the throttle point by the liquid and gaseous components are mixed, so that a homogeneous distribution on the two outlet lines 58 he follows.

Im Beispiel der 3 ist die Drosselstelle durch ein separates, eingesetztes Rohr 70 mit einem kalibrierten Innendurchmesser gebildet. Innendurchmesser und Länge können wie bei der kalibrierten Bohrung 62 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels gewählt werden. In the example of 3 is the throttle point through a separate, inserted tube 70 formed with a calibrated inner diameter. Inner diameter and length can be as with the calibrated bore 62 of the previous embodiment can be selected.

Zur Befestigung des Rohrs 70 im Körper 50 des Verzweigers 44 ist eine Schraubmuffe 72 vorgesehen, die in den Anschlussstutzen 66 des Einlasses 52 eingeschraubt ist. Anstelle der Schraubmuffe 72 könnte auch eine Steckmuffe verwendet werden, die in den Anschlussstutzen 66 eingesteckt ist. For fixing the pipe 70 in the body 50 of the splitter 44 is a screw socket 72 provided in the connecting piece 66 of the inlet 52 is screwed. Instead of the screw sleeve 72 could also be used a plug-in sleeve, which in the connecting piece 66 is plugged in.

Die Schraubmuffe 72 weist einen Endanschlag 74 auf, der für eine genaue Positionierung des Rohrs 70 in der Hauptleitung 54 sorgt. The screw sleeve 72 has an end stop 74 on, for an accurate positioning of the pipe 70 in the main 54 provides.

Einlassseitig ist das Rohr 70 von einem Filter 64 abgedeckt, der ein Verschmutzen des Verzweigers 44 verhindert. Inlet side is the tube 70 from a filter 64 covered, a fouling of the splitter 44 prevented.

Der kalibrierte Innendurchmesser des eingesetzten Rohrs 70 lässt sich mit hoher Präzision als Bohrung herstellen. The calibrated inside diameter of the inserted pipe 70 can be produced with high precision as a bore.

Anstelle des eingesetzten Rohrs 70 könnte in der Hauptleitung auch eine kalibrierte Bohrung im Körper 50 ausgebildet sein, wie es im Beispiel der 2 für die Auslassleitungen 58 beschrieben ist. Analog könnte auch in der in 2 dargestellten Ausführungsform anstelle der kalibrierten Bohrungen 62 in den Auslassleitungen 58 jeweils ein Rohr 70 mit kalibriertem Innendurchmesser eingesetzt sein. Instead of the inserted tube 70 could also have a calibrated hole in the body in the main 50 be trained, as in the example of the 2 for the outlet pipes 58 is described. Analog could also be found in the 2 illustrated embodiment instead of the calibrated holes 62 in the outlet pipes 58 one pipe each 70 be used with calibrated inner diameter.

Außerdem ist es möglich, nicht nur eine Drosselstelle im Verzweiger 44 vorzusehen, sondern zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstellen, wobei die erste Drosselstelle in der Hauptleitung 54 angeordnet ist und die zweite Drosselstelle durch jeweils eine Verengung in jeder der Auslassleitungen 58 gebildet ist. It is also possible, not just a throttle point in the branch 44 provide, but two flow consecutive throttle points, wherein the first throttle point in the main line 54 is arranged and the second throttle point by a respective restriction in each of the outlet lines 58 is formed.

4 zeigt einen Druckminderer 40, der zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstufen aufweisen. 4 shows a pressure reducer 40 having two flow-sequential throttle stages.

Der Druckminderer 40 ist hier aus einem Verzweiger 44 und einem Abschaltventil 42 zusammengesetzt, die über den Anschlussstutzen 66 des Verzweigers 44 miteinander verschraubt sind. Der Verzweiger 44 entspricht in diesem Beispiel dem in 2 dargestellten Verzweiger 44. Es könnte aber auch ein Verzweiger nach der in 3 dargestellten Ausführungsform oder ein anderer geeigneter Verzweiger 44 eingesetzt werden. The pressure reducer 40 is here from a branch 44 and a shut-off valve 42 assembled over the connecting piece 66 of the splitter 44 screwed together. The branching 44 corresponds in this example to the in 2 illustrated branching 44 , But it could also be a branching after the in 3 illustrated embodiment or another suitable branching 44 be used.

Das Abschaltventil 42 wird in diesem Beispiel durch einen Elektromagneten 76 geschaltet, der mit der Steuerung 46 des Batteriekühlersystems 32 verbunden ist. Über den Elektromagnet 76 wird das Abschaltventil 42 zwischen seinen beiden Schaltzuständen „offen“ und „geschlossen“ umgeschaltet, wobei die Kältemittelströmung durch den Einlass 78 des Abschaltventils 42 entweder in vollem Umfang zugelassen oder aber komplett unterbunden wird. The shut-off valve 42 is in this example by an electromagnet 76 switched with the controller 46 of the battery cooler system 32 connected is. About the electromagnet 76 becomes the shut-off valve 42 switched between its two switching states "open" and "closed", wherein the flow of refrigerant through the inlet 78 the shut-off valve 42 either fully authorized or completely stopped.

Direkt stromabwärts eines Ventilsitzes 80 des Abschaltventils 42 ist eine erste Drosselstufe realisiert, in diesem Fall durch eine kalibrierte Bohrung 82, die eine Verengung des Durchflussquerschnitts für das Kältemittel darstellt. Der Querschnitt der kalibrierten Bohrung 82 ist gegenüber dem Querschnitt des Einlasses 78 und auch gegenüber dem Querschnitt des anschließenden Einlasses 52 des Verzweigers 44 verringert. Auf diese Weise wird in der kalibrierten Bohrung 82 eine erste Entspannung des Kältemittels und eine erste Druckminderung bewirkt. Directly downstream of a valve seat 80 the shut-off valve 42 is realized a first throttle stage, in this case by a calibrated bore 82 which represents a restriction of the flow cross section for the refrigerant. The cross section of the calibrated bore 82 is opposite the cross section of the inlet 78 and also opposite the cross section of the subsequent inlet 52 of the splitter 44 reduced. This way, in the calibrated bore 82 causes a first relaxation of the refrigerant and a first pressure reduction.

Im Verzweiger 44 ist eine zweite Drosselstufe ausgebildet, in diesem Fall durch die durch die kalibrierten Bohrungen 62 in den Auslassleitungen 58 gebildeten Verengungen, die eine zweite Druckminderung und eine weitere Entspannung des Kältemittels bewirken. In the branch 44 is formed a second throttle stage, in this case by the through the calibrated holes 62 in the outlet pipes 58 formed constrictions, which cause a second pressure reduction and further relaxation of the refrigerant.

Anstelle der kalibrierten Bohrung 82 im Körper des Abschaltventils 42 könnte auch im Einlass 52 der Verzweigers 44 eine kalibrierte Bohrung oder ein Rohr 70 mit kalibriertem Innendurchmesser vorgesehen sein. So ließe sich der Aufbau des Abschaltventils 42 weiter vereinfachen. Instead of the calibrated hole 82 in the body of the shut-off valve 42 could also be in the inlet 52 the splitter 44 a calibrated hole or pipe 70 be provided with calibrated inner diameter. This would be the structure of the shut-off valve 42 further simplify.

Aus den Auslassleitungen 58 strömt das Kältemittel in die beiden Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30. From the outlet pipes 58 the refrigerant flows into the two cooling branches 34 . 36 of the battery cooler circuit 30 ,

In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Batteriekühlersystem 32 so ausgelegt, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter „Winterbedingungen“, also bei Temperatur zwischen etwa –10 und 0 °C, über den Druckminderer eine Druckdifferenz von etwa 10 bar und eine Enthalpiedifferenz von etwa 240 kJ/kg erreicht wird. Die Druckdifferenz kann auch auf eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des gesamten Kältemittelkreislaufs 10 ausgelegt sein. Diese Parameter werden durch die spezifische Ausbildung der Drosselstufen des Druckminderers 40 erreicht. In the in 1 The illustrated embodiment is the battery cooler system 32 designed so that at low ambient temperatures under "winter conditions", ie at a temperature between about -10 and 0 ° C, a pressure difference of about 10 bar and an enthalpy difference of about 240 kJ / kg is achieved via the pressure reducer. The pressure difference can also be due to a pressure difference between the high pressure and the low pressure side of the entire refrigerant circuit 10 be designed. These parameters are determined by the specific design of the throttle stages of the pressure reducer 40 reached.

Wichtig ist, dass der durch die Querschnittsverringerungen in den Drosselstufen erreichte Kältemittelfluss groß genug ist, um eine ausreichende Kühlleistung für die Batteriemodule im Batteriekühlerkreislauf 30 auch bei den niedrigen Umgebungstemperaturen bereitzustellen. Unter diesen Umgebungsbedingungen wird die Phasengrenze zum überkritischen Zustand nur um etwa 1 bis 5 Kelvin überschritten (siehe auch 8). Importantly, the refrigerant flow achieved by the cross-sectional reductions in the throttle stages is large enough to provide sufficient cooling capacity for the battery modules in the battery cooler circuit 30 even at the low ambient temperatures. Under these environmental conditions, the phase boundary to the supercritical state is only exceeded by about 1 to 5 Kelvin (see also 8th ).

Bei den im Sommer herrschenden Umgebungstemperaturen, also Temperaturen bis ca. +40 °C, herrscht eine erheblich höhere Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 und auch des Batteriekühlerkreislaufs 30. Um zu verhindern, dass unter diesen Bedingungen eine zu große Menge an flüssigem Kältemittel den Verzweiger 44 passiert, welches nicht vollständig in den Kühlzweigen 34, 36 verdampft werden kann und so die Kühlleistung des Verdampfers 20 für die Klimatisierung des Fahrgastraums reduzieren würde, wird das Abschaltventil 42 gepulst betrieben. At the ambient temperatures prevailing in summer, ie temperatures up to approx. +40 ° C, there is a considerably higher pressure difference between the high-pressure side and the low-pressure side of the refrigerant circuit 10 and also the battery cooler circuit 30 , To prevent under these conditions an excessive amount of liquid refrigerant the branching 44 which does not happen completely in the cooling branches 34 . 36 can be evaporated and so the cooling capacity of the evaporator 20 would reduce for the air conditioning of the passenger compartment, the shut-off valve 42 operated pulsed.

Dies ist schematisch in 5 dargestellt. Die durchgezogene Kurve verdeutlicht, dass bei hohen Umgebungstemperaturen das Abschaltventil 42 über die Steuerung 46 über eine Pulsweitenmodulation so betrieben wird, dass die Kühlleistung optimiert wird. Die Öffnungsdauer des Abschaltventils 42 wird von der Steuerung 46 aus den von den Temperatursensoren T₁ und T₂ gemeldeten Werten berechnet, also aus der Kältemitteltemperatur am Einlass 52 des Verzweigers 44 sowie der Kältemitteltemperatur nach Durchlaufen der Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30. This is schematically in 5 shown. The solid curve illustrates that at high ambient temperatures, the shut-off valve 42 about the controller 46 is operated via a pulse width modulation so that the cooling performance is optimized. The opening time of the shut-off valve 42 is from the controller 46 calculated from the values reported by the temperature sensors T ₁ and T ₂ , ie from the refrigerant temperature at the inlet 52 of the splitter 44 and the refrigerant temperature after passing through the cooling branches 34 . 36 of the battery cooler circuit 30 ,

Die Zeitdauer, die das Abschaltventil 42 zwischen zwei Öffnungszuständen geschlossen bleibt, kann 30 Sekunden oder mehr betragen, genauso wie die Zeitdauer, die das Abschaltventil 42 zwischen den geschlossenen Phasen geöffnet ist. Dies ist möglich, da der Batteriekühlerkreislauf 30 mit den Batteriemodulen eine höhere thermisch wirksame Masse aufweist als beispielsweise der Verdampfer 20 der Fahrzeug-Klimaanlage. The length of time that the shut-off valve 42 between two opening states remains closed, can 30 Seconds or more, as well as the duration of the shutdown valve 42 between the closed phases is open. This is possible because the battery cooler circuit 30 with the battery modules has a higher thermal mass than, for example, the evaporator 20 the vehicle air conditioner.

Im Winter, also bei niedrigen Umgebungstemperaturen und einer kleinen Druckdifferenz, ist das Abschaltventil 42 hingegen durchgehend geöffnet (siehe gestrichelte Linie in 5). In winter, ie at low ambient temperatures and a small pressure difference, the shut-off valve 42 however, open continuously (see dashed line in 5 ).

Die 6 und 7 zeigen die auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 sowie auf dessen Niederdruckseite in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur herrschenden Drücke. Der Druckverlauf der Hochdruckseite ist durch Rauten gekennzeichnet, während der Druckverlauf auf der Niederdruckseite durch Quadrate gekennzeichnet ist. Aus 6 ist abzulesen, dass bei Winterbedingungen zwischen –10 und 0 °C eine Druckdifferenz zwischen 7 bis 9 bar (0,7 bis 0,9 MPa) zu erwarten ist, während bei Sommerverhältnissen zwischen 25 und 40 °C Umgebungstemperatur erheblich höhere Druckunterschiede auftreten, etwa 35 bis 65 bar (3,5 bis 6,5 MPa), wobei auch 90 bar Druckdifferenz auftreten können. The 6 and 7 show the on the high pressure side of the refrigerant circuit 10 and on its low-pressure side as a function of the ambient temperature prevailing pressures. The pressure curve of the high-pressure side is marked by diamonds, while the pressure curve on the low-pressure side is marked by squares. Out 6 can be read that in winter conditions between -10 and 0 ° C, a pressure difference between 7 to 9 bar (0.7 to 0.9 MPa) is expected, while in summer conditions between 25 and 40 ° C ambient temperature significantly higher pressure differences occur, for example 35 to 65 bar (3.5 to 6.5 MPa), whereby 90 bar pressure difference can occur.

Aus einer derartigen Messung lässt sich für ein bestehendes Batteriekühlersystem 32 in einem Kältemittelkreislauf 10 die optimale Ausbildung des Druckminderers 40 berechnen. Hierzu muss noch die Enthalpiedifferenz bei der Verdampfung des Kältemittels, hier R744, berücksichtigt werden, die in 7 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aufgetragen ist. From such a measurement can be for an existing battery cooler system 32 in a refrigerant circuit 10 the optimal design of the pressure reducer 40 to calculate. For this, the enthalpy difference in the evaporation of the refrigerant, here R744, must be taken into account 7 is plotted as a function of the ambient temperature.

Die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite nimmt mit steigender Umgebungstemperatur stark zu. Da sich der sich einstellende Massenstrom in etwa mit der Wurzel der Druckdifferenz ändert, ergibt sich beispielsweise, dass für eine Umgebungstemperatur von –10 °C die mögliche Kühlleistung des Batteriekühlerkreislaufs 30 um etwa 40 % gegenüber einer Umgebungstemperatur von +40 °C reduziert ist. Ist das Batteriekühlersystem 32 und insbesondere der Druckminderer 40 auf einen Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen optimiert, ergibt sich daraus, dass bei einem Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen das Abschaltventil 42 ungefähr 30–90 % der Zeit geschlossen sein sollte. The pressure difference between high and low pressure side increases strongly with increasing ambient temperature. Since the self-adjusting mass flow changes approximately with the root of the pressure difference, it follows, for example, that for an ambient temperature of -10 ° C, the possible cooling capacity of the battery cooler circuit 30 is reduced by about 40% compared to an ambient temperature of +40 ° C. Is the battery cooler system 32 and in particular the pressure reducer 40 optimized for operation at low ambient temperatures, it follows that when operating at high ambient temperatures, the shut-off valve 42 about 30-90% of the time should be closed.

Die Gestaltung des restlichen Kältemittelkreislaufs 10, insbesondere des Teilkühlkreislaufs 18, der den Fahrzeugklimaanlagenverdampfer 20 bedient, sind von diesen Überlegungen nicht betroffen, da allein der Druckminderer 40 im Batteriekühlerkreislauf 30 entsprechend ausgelegt werden muss. The design of the remaining refrigerant circuit 10 , in particular the partial cooling circuit 18 holding the vehicle air conditioner evaporator 20 are not affected by these considerations, since only the pressure reducer 40 in the battery cooler circuit 30 must be designed accordingly.

8 zeigt anhand eines Mollierdiagramms die durchlaufenen Zyklen für einen Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 unter Sommerbedingungen (hohe Umgebungstemperaturen) und Winterbedingungen (niedrige Umgebungstemperaturen). 8th shows on the basis of a Mollier diagram the cycles passed through for operation of the refrigerant circuit 10 under summer conditions (high ambient temperatures) and winter conditions (low ambient temperatures).

Der in der Grafik obere Zyklus mit den Punkten A bis G beschreibt den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen. The upper cycle in the graphic with the points A to G describes the operation at high ambient temperatures.

Die Hochdruckseite, die hier vorzugsweise zwischen 80 und 120 bar liegt, wird im überkritischen Bereich betrieben. Von Punkt A bis Punkt B erfolgt die Verdichtung des Kältemittels im Verdichter 12. Von Punkt B zu Punkt C wird das überkritische Kältemittel im Gaskühler 14 gekühlt. Von Punkt C bis Punkt D erfolgt eine weitere Kühlung auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 durch den inneren Wärmetauscher 16. Von Punkt D nach Punkt E erfolgt eine Druckminderung in der ersten Drosselstufe des Druckminderers 40, wobei die Druckminderung maximal bis zur Flüssigkeitsgrenze erfolgt, sodass das Kältemittel immer noch nur eine einzige Phase aufweist bzw. im überkritischen Zustand ist, wenn es in den Verzweiger 44 eintritt. Von Punkt E nach Punkt F erfolgt die weitere Druckminderung in der zweiten Drosselstufe des Druckminderers 40, hier in den Auslassleitungen 58 des Verzweigers 44. Von Punkt F nach Punkt G erfolgt die Kühlung der Batteriemodule in den Kühlzweigen 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30, wobei das Kältemittel verdampft und die Wärme aus den Batteriemodulen aufnimmt. Von Punkt G nach Punkt A schließlich strömt das Kältemittel über die Rückführ-Saugleitung 38 unter Passage des inneren Wärmetauschers 16 zurück zum Verdichter 12, wobei es Wärme aus dem Hochdruckzweig aufnimmt. The high pressure side, here preferably between 80 and 120 bar, is operated in the supercritical range. From point A to point B, the compression of the refrigerant in the compressor takes place 12 , From point B to point C, the supercritical refrigerant in the gas cooler 14 cooled. From point C to point D further cooling takes place on the high pressure side of the refrigerant circuit 10 through the inner heat exchanger 16 , From point D to point E, a pressure reduction takes place in the first throttle stage of the pressure reducer 40 , wherein the pressure reduction is maximum up to the liquid limit, so that the refrigerant is still only a single phase or is in the supercritical state when it is in the branching 44 entry. From point E to point F, the further pressure reduction takes place in the second throttle stage of the pressure reducer 40 , here in the outlet pipes 58 of the splitter 44 , From point F to point G, the cooling of the battery modules takes place in the cooling branches 34 . 36 of the battery cooler circuit 30 wherein the refrigerant vaporizes and absorbs the heat from the battery modules. From point G to point A, the refrigerant flows via the return suction line 38 under passage of the internal heat exchanger 16 back to the compressor 12 where it absorbs heat from the high pressure branch.

Im Winterbetrieb (unterer Zyklus in 8 mit den Punkten a–f) erfolgt der gesamte Zyklus unterhalb des kritischen Punkts. Von Punkt a nach Punkt b wird das Kältemittel verdichtet und von Punkt b nach Punkt d gekühlt. Nach der Entspannung des Kältemittels in der ersten Drosselstufe des Druckminderers 40 (Punkt d nach Punkt e) ist das Kältemittel vollständig in der flüssigen Phase. Erst beim Durchlaufen der zweiten Drosselstufe (Punkt e nach Punkt f) kann das Kältemittel gasförmige Anteile aufweisen. In winter operation (lower cycle in 8th with the points a-f) the entire cycle takes place below the critical point. From point a to point b, the refrigerant is compressed and cooled from point b to point d. After the expansion of the refrigerant in the first throttle stage of the pressure reducer 40 (Point d after point e), the refrigerant is completely in the liquid phase. Only when passing through the second throttle stage (point e after point f), the refrigerant may have gaseous components.

In dem hier beschriebenen Beispiel befindet sich das Kältemittel jedoch immer noch in nur einer einzigen Phase, wenn es den Verzweiger 44 erreicht. Auf diese Weise ist eine homogene Verteilung auf die beiden Kühlzweige 34, 36 einfacher möglich als bei einem Phasengemisch. However, in the example described here, the refrigerant is still in only a single phase when it is the splitter 44 reached. In this way, a homogeneous distribution to the two cooling branches 34 . 36 easier than possible with a phase mixture.

Claims

A method of operating a battery cooling system, wherein the battery cooling system includes a refrigerant circuit ( 10 ) with a compressor ( 12 ), a gas cooler ( 14 ), a pressure reducer ( 40 ) and a battery cooling circuit ( 30 ) with at least one cooling branch ( 34 . 36 ), wherein the pressure reducer ( 40 ) with a controller ( 46 ) connected shut-off valve ( 42 ) and at least one throttle stage having a throttle point with a fixed predetermined flow cross-section, wherein the pressure drop across the pressure reducer ( 40 ) is designed for a minimum operating temperature and the shut-off valve ( 42 ) is operated pulsed depending on the ambient temperature.

A method according to claim 1, characterized in that the minimum operating temperature corresponds to an ambient temperature of about -10-0 ° C.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at the minimum operating temperature, the shut-off valve ( 42 ) is operated continuously open.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at ambient temperatures of about 30-40 ° C, the shut-off valve ( 42 ) is operated so that it is closed about 40-90% of the time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the shut-off valve ( 42 ) is operated so that it is open or closed for about 10-60 seconds, in particular about 25-40 seconds at a time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the throttle point is designed so and the shut-off valve ( 42 ) is operated so that the refrigerant is substantially in the liquid or supercritical state downstream of the throttle stage.

Battery cooler system, in particular for operation with a method according to one of the preceding claims, with a refrigerant circuit ( 10 ) with a compressor ( 12 ), a gas cooler ( 14 ), a pressure reducer ( 40 ) and a battery cooling circuit ( 30 ) with at least one cooling branch ( 34 . 36 ), wherein the pressure reducer ( 40 ) with a controller ( 46 ) connected shut-off valve ( 42 ) and at least one throttle stage having a throttle point with a fixed predetermined flow cross-section, which is designed for a minimum operating temperature, wherein the controller ( 46 ) and the shut-off valve ( 42 ) are designed for a pulse width modulated operation.

Battery cooling system according to claim 7, characterized in that the throttle point in the shut-off valve ( 42 ) is integrated.

Battery cooling system according to one of claims 7 and 8, characterized in that the pressure reducer ( 40 ) a brancher ( 44 ) for dividing the coolant flow to at least two cooling branches ( 34 . 36 ) having.

Battery cooling system according to one of claims 7 to 9, characterized in that in the pressure reducer ( 40 ) A second throttle stage is provided.