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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem in einem Elektrofahrzeug.
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Fahrzeuge, wie beispielsweise batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV für engl. battery-electric vehicles), Plug-in-Elektrofahrzeuge (für engl. plug-in electric vehicles) oder Hybridelektrofahrzeuge (HEV für engl. hybrid-electric vehicles), enthalten eine Batterie, wie beispielsweise eine Hochspannungsbatterie, die als eine Energiequelle für das Fahrzeug fungiert. Die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie können je nach der Betriebstemperatur der Batterie variieren. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die Batterie innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereichs zu halten, während das Fahrzeug in Betrieb ist oder während das Fahrzeug lädt.
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Die Fahrzeuge mit Batterien können ein Kühlsystem zum Bereitstellen von Temperaturregelung der Batterie umfassen, um dadurch die Ladekapazität aufrechtzuerhalten, die Batterielebensdauer zu verlängern und andere Leistungsmerkmale der Batterie zu verbessern.
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In einer Ausführungsform wird ein Thermomanagementsystem für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt. Das Thermomanagementsystem umfasst eine Batterieschleife zum Regeln der Temperatur einer Traktionsbatterie. Die Batterieschleife umfasst eine Kältemaschine, die zum Kühlen von Fluid in der Batterieschleife ausgelegt ist, und eine Batteriepumpe zum Umwälzen von Fluid in der Batterieschleife. Eine Motorschleife ist zum Regeln der Temperatur eines Traktionsmotors vorgesehen und steht mit der Batterieschleife in Verbindung. Die Motorschleife umfasst eine Motorpumpe zum Umwälzen von Fluid in der Motorschleife. Die Motorpumpe und die Batteriepumpe sind parallel angeordnet. Ein Kühler steht in Fluidverbindung mit der Batterieschleife und der Motorschleife. Ein Kühlerventil steuert selektiv den Fluidstrom durch den Kühler. Wenn das Kühlerventil in einer ersten Position ist, strömt Fluid durch den Kühler. Wenn das Kühlerventil in einer zweiten Position ist, umgeht das Fluid den Kühler. Ein Batterieventil koppelt selektiv die Batterieschleife und die Motorschleife. Wenn das Batterieventil in einer ersten Position ist, strömt Fluid parallel durch die Batterieschleife und die Motorschleife. Die Traktionsbatterie wird durch den Kühler ohne die Kältemaschine gekühlt, wenn sowohl das Kühlerventil als auch das Batterieventil jeweils in die erste Position gestellt sind.
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In einer Ausführungsform wird ein Thermomanagementsystem für eine Traktionsbatterie bereitgestellt. Das Thermomanagementsystem umfasst eine Batterieschleife zum Regeln der Temperatur der Traktionsbatterie. Eine Motorschleife ist zum Regeln einer Motortemperatur vorgesehen. Das Thermomanagementsystem umfasst außerdem einen Kühler. Ein Kühlerventil steuert selektiv den Fluidstrom durch den Kühler. Ein Batterieventil koppelt selektiv die Batterieschleife und die Motorschleife. Die Batterieschleife und die Motorschleife sind in Fluidverbindung und parallel angeordnet, um durch den Kühler gekühlt zu werden.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Thermomanagementverfahren für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Steuern eines Kühlerventils in eine erste Position, um Fluidstrom durch den Kühler zu ermöglichen. Ein Batterieventil wird in eine erste Position gesteuert, um Fluidstrom parallel durch eine Batterieschleife und eine Motorschleife zu ermöglichen. Der Kühler kühlt parallel die Batterie und den Traktionsmotor.
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1 ist eine schematische Darstellung eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Thermomanagementsystems, die einen Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Thermomanagementsystems und des Betriebsmodus von 2;
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4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Thermomanagementsystems von 2 und eines anderen Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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5 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Thermomanagementsystems von 2 und eines anderen Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Thermomanagementsystems von 2 und eines anderen Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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7 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Thermomanagementsystems von 2 und eines anderen Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
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8 ist ein Diagramm, das die Betriebsmodi des Thermomanagementsystems von 2 veranschaulicht.
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Wie erforderlich, werden hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch von selbst, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele der Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten darzustellen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen Struktur- und Funktionsdetails nicht als einschränkend, sondern lediglich als repräsentative Basis für die Belehrung von Fachleuten über verschiedene Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung auszulegen.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Elektrofahrzeug 20, wie beispielsweise ein batteriebetriebenes Fahrzeug (BEV), gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht. 1 stellt nur einen Typ einer BEV-Architektur dar und ist nicht als Einschränkung gedacht. Die vorliegende Offenbarung kann auf jedes geeignete BEV angewendet werden.
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Das Fahrzeug 20 oder BEV ist ein vollelektrisches Fahrzeug, das durch elektrische Leistung, wie beispielsweise durch einen Elektromotor 24, und ohne Unterstützung von einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung angetrieben wird. Der Motor 24 empfängt elektrische Leistung und stellt mechanische Ausgangsdrehleistung bereit. Der Motor 24 ist zum Anpassen des Ausgangsdrehmoments und der Drehzahl des Motors 24 durch ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis mit einem Getriebe 38 verbunden. Das Getriebe 38 ist durch eine Abtriebswelle 42 mit einem Satz von Antriebsrädern 40 verbunden. Andere Ausführungsformen des Fahrzeugs 20 umfassen mehrere Motoren (nicht dargestellt) zum Antreiben des Fahrzeugs 20. Der Motor 24 kann auch als ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Leistung fungieren. Ein Hochspannungsbus 44 verbindet den Motor 24 durch einen Wechselrichter 48 elektrisch mit einem Energiespeichersystem 46.
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Das Energiespeichersystem 46 umfasst gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine Hauptbatterie 50 und ein Batterieenergieüberwachungsmodul (BECM für engl. battery energy control module) 52. Das BECM ist so ausgelegt, dass es das Fahrzeug 20 mit einer Stromquelle 78, wie beispielsweise einer 110-V-Quelle oder einer 220-V-Quelle, verbindet und den empfangenen Strom an die Batterie 50 oder das Getriebesteuerungssystem 30 sendet.
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Die Hauptbatterie 50 ist eine Hochspannungsbatterie oder Traktionsbatterie, die elektrische Leistung zum Betreiben des Motors 24 ausgeben kann. Die Hauptbatterie 50 ist ein Batteriepack, das aus einem oder mehreren Batteriemodulen besteht. Jedes Batteriemodul kann eine Batteriezelle oder eine Mehrzahl von Batteriezellen enthalten. Die Batteriezellen werden unter Verwendung eines Fluidkühlsystems, Luftkühlsystems oder eines anderen Kühlverfahrens, das auf dem Fachgebiet bekannt ist, erwärmt und gekühlt. Das BECM 52 fungiert als eine Steuerung für die Hauptbatterie 50. Das BECM 52 umfasst außerdem ein elektronisches Überwachungssystem, das die Temperatur und den Ladezustand jeder der Batteriezellen steuert. Die Batterie 50 weist mindestens einen Temperatursensor 51, wie beispielsweise einen Thermistor oder dergleichen, auf. Der Sensor 51 ist mit dem BECM 52 in Kommunikation, um Temperaturdaten bezüglich der Batterie 50 bereitzustellen.
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Der Motor 24, das Getriebesteuerungsmodul (TCM für engl. transmission control modul) 30, das Getriebe 38 und der Wechselrichter 48 werden zusammen als Kraftübertragung 54 bezeichnet. Die Fahrzeugsteuerung 26 kommuniziert mit der Kraftübertragung 54, um die Funktion der Kraftübertragung 54 mit anderen Fahrzeugsystemen zu koordinieren. Die Steuerung 26, das BECM 52 und das TCM 30 sind als getrennte Steuermodule dargestellt. Das Steuersystem für das Fahrzeug 20 kann eine beliebige Anzahl von Steuerungen umfassen und in eine einzige Steuerung integriert sein oder verschiedene Module aufweisen. Einige oder alle der Steuerungen können durch ein lokales Netzwerk für Fahrzeug-Überwachungscomputer (CAN für engl. Controller Area Network) oder ein anderes System verbunden sein. Das Steuersystem kann so konfiguriert sein, dass es den Betrieb der verschiedenen Komponenten der Kraftübertragung 54 und die Batterie 50 unter jeder einer Anzahl von verschiedenen Bedingungen steuert, einschließlich in einer Weise, welche die Temperatur in der Batterie 50 und der Fahrzeugkabine oder dem Fahrgastraum thermisch regelt, und für Lade- und Entladevorgänge der Batterie 50.
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Das TCM 30 ist so konfiguriert, dass es spezifische Komponenten innerhalb der Kraftübertragung 54, wie beispielsweise den Motor 24 und/oder den Wechselrichter 48, steuert. Die Fahrzeugsteuerung 26 überwacht die Temperatur des Motors 24 und empfängt eine Drosselklappenanforderung (oder eine Anforderung eines gewünschten Motordrehmoments) vom Fahrer. Unter Verwendung dieser Informationen liefert die Fahrzeugsteuerung 26 eine Motordrehmomentanforderung an das TCM 30. Das TCM 30 und der Wechselrichter 48 wandeln die Gleichstrom(GS)-Spannungsversorgung durch die Hauptbatterie 50 in Signale um, die verwendet werden, um den Motor 24 entsprechend der Motordrehmomentanforderung zu steuern.
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Die Fahrzeugsteuerung 26 liefert Informationen durch eine Benutzerschnittstelle 60 an den Fahrer. Die Benutzerschnittstelle 60 kann Merkmale umfassen, die es einem Benutzer ermöglichen, Anforderungen oder gewünschte Betriebs- oder Ladeparameter des Fahrzeugs oder andere Fahrzeugbetriebsparameter in die Steuerung 26 einzugeben. Die Benutzerschnittstelle 60 kann eine Touchscreen-Oberfläche, eine drahtlose Verbindung zu einer abgesetzten Station, wie beispielsweise einem Mobilgerät oder einem Computer, und andere Eingabeschnittstellen umfassen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Die Fahrzeugsteuerung 26 kann außerdem Eingangssignale empfangen, die aktuelle Betriebsbedingungen der Fahrzeugsysteme anzeigen. Zum Beispiel kann die Fahrzeugsteuerung 26 Eingangssignale vom BCEM 52, die Zustände der Batterie 50 darstellen, und Eingangssignale von der Kraftübertragung 54 empfangen, die Zustände des Motors 24 und des Wechselrichters 48 darstellen. Die Fahrzeugsteuerung 26 liefert eine Ausgabe, wie beispielsweise einen Motorstatus oder Ladungszustandsstatus, an die Benutzerschnittstelle 60, welche dem Fahrer optisch mitgeteilt wird. Die Steuerung 26 vermittelt zwischen den verschiedenen Benutzeranforderungen, um das Fahrzeug 20 sowohl bei Ladung als auch während des Betriebs thermisch zu steuern.
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Das Fahrzeug 20 umfasst ein Klimaregelsystem 62 zum Erwärmen und Kühlen verschiedener Fahrzeugkomponenten. Das Klimaregelsystem 62 umfasst gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine elektrische Hochspannungsheizung 64 und einen elektrischen HLK-Hochspannungskompressor 66. Die Heizung 64 wird zum Erwärmen von Kühlmittel verwendet, das durch den Heizungskern zirkuliert, und der Kompressor 66 wird zum Kühlen des Kältemittels verwendet, welches den Fahrgastraum und in einigen Situationen die Batterie kühlt. Sowohl die Heizung 64 als auch der Kompressor 66 können elektrische Energie direkt von der Hauptbatterie 50 beziehen. Das Klimaregelsystem 62 kann eine Steuerung (nicht dargestellt) zum Kommunizieren mit der Fahrzeugsteuerung 26 über den CAN-Bus 56 umfassen oder in die Steuerung 26 integriert sein. Der Ein-/Aus-Status des Klimaregelsystems 62 wird der Fahrzeugsteuerung 26 kommuniziert und kann zum Beispiel auf dem Status eines durch den Bediener betätigten Schalters oder der automatischen Steuerung des Klimaregelsystems 62 basierend auf damit verbundenen Funktionen, wie beispielsweise Scheibenentfrostung, beruhen. Das Klimaregelsystem 62 kann mit der Benutzerschnittstelle 60 verbunden sein, um es einem Benutzer zu ermöglichen, eine Temperatur für den Fahrgastraum einzustellen oder eine Temperatur für einen zukünftigen Betriebszyklus des Fahrzeugs umzuprogrammieren.
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Das Fahrzeug 20 umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Sekundärbatterie 68, wie beispielsweise eine 12-Volt-Batterie. Die Sekundärbatterie 68 kann verwendet werden, um verschiedene Nebenverbraucher des Fahrzeugs, wie beispielsweise Fahrscheinwerfer und dergleichen, zu speisen, welche hierin zusammen als Nebenverbraucher 70 bezeichnet werden. Ein Gleichspannungswandler 72 kann elektrisch zwischen die Hauptbatterie 50 und die Sekundärbatterie 68 eingefügt sein. Der Gleichspannungswandler 72 passt den Spannungspegel an oder „transformiert“ ihn „herunter“, um der Hauptbatterie 50 zu ermöglichen, die Sekundärbatterie 68 zu laden.
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Ein Niederspannungsbus 74 verbindet den Gleichspannungswandler 72 elektrisch mit der Sekundärbatterie 68 und den Nebenverbrauchern 70.
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Das Fahrzeug 20 umfasst ein WS-Ladegerät 76 zum Laden der Hauptbatterie 50. Ein elektrischer Verbinder 78 verbindet das WS-Ladegerät 76 mit einer externen Leistungsversorgung (nicht dargestellt) zum Empfang von WS-Leistung. Das WS-Ladegerät 76 umfasst Leistungselektronik, die zum Umwandeln oder „Gleichrichten“ der von der externen Leistungsversorgung empfangenen WS-Leistung in GS-Leistung zum Laden der Hauptbatterie 50 verwendet wird. Das WS-Ladegerät 76 ist so konfiguriert, dass es eine oder mehrere herkömmliche Spannungsquellen von der externen Leistungsversorgung aufnimmt (z. B. 110 Volt, 220 Volt usw.). In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Leistungsversorgung eine Vorrichtung, die sich erneuerbare Energie zunutze macht, wie beispielsweise eine photovoltaische (PV) Solarzelle oder ein Windturbine (nicht dargestellt).
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In 1 sind außerdem vereinfachte schematische Darstellungen eines Fahrerbedienelemente-Systems 80, eines Servolenkungssystems 82 und eines Navigationssystems 84 veranschaulicht. Das Fahrerbedienelemente-System 80 umfasst Brems-, Beschleunigungs- und Gangwahl(Schalt)-Systeme. Das Bremssystem umfasst ein Bremspedal, Positionssensoren, Drucksensoren oder eine Kombination davon sowie eine mechanische Verbindung zu den Fahrzeugrädern, wie beispielsweise den Primärantriebsrädern 40, um Reibungsbremsung durchzuführen. Das Bremssystem kann außerdem für Regenerationsbremsung konfiguriert sein, wobei Bremsenergie erfasst und als elektrische Energie in der Hauptbatterie 50 gespeichert werden kann. Das Beschleunigungssystem umfasst ein Gaspedal mit einem oder mehreren Sensoren, die wie die Sensoren im Bremssystem Informationen, wie beispielsweise die Drosselklappenanforderung, an die Fahrzeugsteuerung 26 liefern. Das Gangwahlsystem umfasst einen Schalthebel zum manuellen Auswählen einer Gangeinstellung des Getriebes 38. Das Gangwahlsystem kann einen Schaltpositionssensor zum Liefern von Schalthebel-Auswahlinformationen (z. B. Parken, Fahren, Leerlauf) an die Fahrzeugsteuerung 26 umfassen.
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Das Navigationssystem 84 kann eine Navigationsanzeige, eine Einheit eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS), eine Navigationssteuerung und Eingänge (keiner dargestellt) zum Empfangen von Zielinformationen oder anderen Daten von einem Fahrer umfassen. Das Navigationssystem kann in einigen Ausführungsformen in die Benutzerschnittstelle 60 integriert sein. Das Navigationssystem 84 kann außerdem Entfernungs- und/oder Standortinformationen übermitteln, die mit dem Fahrzeug 20, seinen Reisezielen oder anderen relevanten GPS-Wegpunkten assoziiert sind.
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2 veranschaulicht eine Mehrzahl von integrierten Thermokreisen oder -schleifen, welche ein Thermomanagementsystem 100 zur Verwendung mit dem Fahrzeug 20 bilden, das in 1 dargestellt ist. Das Thermomanagementsystem 100 umfasst einen Batterie-Thermoschleife 110, eine Motorschleife 120 und eine Fahrgastraumschleife 130.
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Das Thermomanagementsystem 100 umfasst mehrere Ventile zum selektiven Verbinden der Schleifen in verschiedenen Betriebsmodi. Die Strömungspfeile, die in 2 veranschaulicht sind, stellen einen Betriebsmodus dar, der es einem Kühler 122 ermöglicht, den Traktionsmotor 124 der Motorschleife und die Batterie 50 in der Batterie-Thermoschleife 110 zu kühlen. Die Motorschleife 120 und die Batterie-Thermoschleife 110 sind parallel angeordnet, um es dem Kühler-Kühlmodus zu ermöglichen, sowohl Kühlung für den Motor 24 als auch die Batterie 50 bereitzustellen. Weitere Betriebsmodi werden in 3 bis 7 unter Rückbezugnahme auf 2 beschrieben.
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Die Batterie-Thermoschleife 110 kann die Batterie 50 erwärmen und kühlen. Die Batterie 50 besteht aus einem oder mehreren Batteriepacks, und in 2 ist eine Batterie 50 mit einem Pack dargestellt. Jedes Batteriepack kann mehrere Zellen 104 aufweisen. Die Batterie 50 in 2 ist mit drei Zellen 104 veranschaulicht, obwohl eine beliebige Anzahl von Zellen mit einer Batterie 50 verwendet werden kann, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Batteriezellen 104 sind durch Wärmetauscherrippen getrennt, welche schmale Kühlkanäle aufweisen, durch welche ein Fluid strömt, um die Temperatur jeder der Batteriezellen 104 zu regeln.
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Die Steuerung 106, welche eine Fahrzeugsteuerung sein kann, die mit dem Batteriesteuerungsmodul in Kommunikation oder darin integriert ist, überwacht die Batterie 50, um den Ladezustand und die Kapazität der Batterie 50 zu bestimmen. Jede Zelle 104 kann einen zugehörigen Temperatursensor aufweisen, der zum Messen der Zellentemperatur konfiguriert ist. Der Temperatursensor ist mit der Steuerung 106 in Kommunikation, derart dass die Steuerung 106 durch Überwachen der Temperatur jeder Batteriezelle 104 auch die Batterietemperatur überwacht. Die Steuerung 106 bestimmt die Temperatur der Batterie 50 durch Messen oder Schätzen der Temperaturen der verschiedenen Batteriezellen 104.
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Die Steuerung 106 ist außerdem mit einem Umgebungstemperatursensor 102 am Fahrzeug in Kommunikation. Der Umgebungstemperatursensor 102 ist zum Messen der Temperatur der Außenumgebung konfiguriert. Ein Fahrgastraumtemperatursensor 112 ist ebenfalls in Kommunikation mit der Steuerung 106 und misst die Temperatur des Fahrgastraums, um eine Rückmeldung für das HLK-System zur Klimaregelung im Fahrgastraum bereitzustellen.
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Die Temperatur der Batterie 50 kann unter Verwendung der Batterie-Thermoschleife 110, die durch die Steuerung 106 gesteuert wird, aktiv geregelt werden. Die Temperatur der Batterie 50 und jeder Zelle 104 bestimmt die Menge der Ladung, welche die Batterie 50 annehmen kann, und die Menge der Ladung, welche verwendet werden kann, wenn in der Batterie 50 gespeichert.
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Die Batterie-Thermoschleife 110 steuert die Batterie 50 thermisch, um die Temperaturen der Zellen 104 zu regeln, um die Nutzungsdauer der Batterie 50 zu erhalten, eine angemessene Ladung zu ermöglichen und die Leistungsattribute des Fahrzeugs zu erfüllen. Die Batterie-Thermoschleife 110 sorgt durch konvektive Wärmeübertragung zwischen den Zellen 104 und dem Wärmetauschfluid für aktive Erwärmung oder aktive Kühlung der Batteriezellen 104. Die Batterie-Thermoschleife 110 kann in ein Fahrzeug-Thermosystem integriert sein, das sowohl Klimaregelungs-Heiz- und -Kühlelemente als auch Antriebsstrang-Kühlelemente aufweist.
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Die Batterie-Thermoschleife 110 enthält ein Fluid, das durch die Kühlkanäle benachbart zu den Zellen 104 in der Batterie zirkuliert, um die Batterie 50 in erster Linie unter Verwendung von konvektiver Wärmeübertragung zu erwärmen oder zu kühlen. Das Fluid ist ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Glykol oder Wasser oder eine Kombination davon, das beim Regeln der Temperatur der Batteriezellen 104 hilft. Eine Pumpe 114 wälzt Fluid in der Batterie-Thermoschleife 110 um. Ein Heizelement 116 fungiert als Wärmequelle für das Fluid, um das Fluid zu erwärmen, das wiederum die Batterie 50 aktiv erwärmt. Das Heizelement 116 kann ein Wärmetauscher mit einem anderen Thermosystem im Fahrzeug zum Rückgewinnen von Abwärme sein, oder es kann eine unabhängige Heizung sein, wie beispielsweise eine elektrisch betriebene Heizung, einschließlich einer Heizung mit positivem Wärmekoeffizienten (PTC für engl. positive thermal coefficient).
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Die Batterie-Thermoschleife 110 weist außerdem ein Kälteelement 118 oder eine Wärmesenke auf, das/die das Fluid kühlt, das wiederum die Batterie 50 aktiv kühlt. Das Kälteelement 118 kann Teil eines Dampfkompressions- oder Dampfaufnahmezyklus, ein Wärmetauscher mit einem anderen Element in den Fahrzeug-Thermosystemen oder eine andere Wärmesenke sein, die auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Wärmetauscher im Kälteelement 118 können Gleichstrom-, Gegenstrom- oder andere auf dem Fachgebiet bekannte Wärmetauscher sein, die das Fluid in der Batterie-Thermoschleife 110 angemessen erwärmen oder kühlen.
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Die Batterie-Thermoschleife 110 umfasst außerdem das BECM 52. Das BECM 52 kann ebenfalls Wärme erzeugen und während der Verwendung ebenfalls Kühlung benötigen, um das BECM 52 innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs zu halten. Die Batterie-Thermoschleife 110 kann außerdem durch das Batterieladegerät verlaufen, um das BECM 52 und Ladekomponenten aktiv zu erwärmen oder zu kühlen.
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Um die Batteriezellen 104 vor Verunreinigung im Thermomanagementsystem 100 zu schützen, umfasst die Batterie-Thermoschleife 110 außerdem ein Filter 150. Das Filter 150 ist stromaufwärts der Batterie 50 angeordnet, um Schmutzstoffe zu filtern. Da Kühlmittel durch das gesamte Thermosystem 100 zirkuliert, filtert das Filter 150 Schmutzstoffe von der Motorschleife 120 oder der Fahrgastraumschleife 130, bevor die Schmutzstoffe in die schmalen Kühlkanäle in den Batteriezellen 104 gelangen.
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Die Motorschleife 120 regelt die Temperatur des Traktionsmotors 24. Die Motorschleife 120 regelt außerdem die Temperatur für jede thermische Last vom Kraftübertragungssteuermodul 30 und dem Gleichstromwandler 72. Die Motorschleife 120 umfasst außerdem eine Motorpumpe 124, die zum Umwälzen des Wärmetauschfluids durch die Motorschleife 120 positioniert ist. Die Motorpumpe 124 kann an jeder zulässigen Position entlang der Motorschleife 120 angeordnet sein.
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Das Thermomanagementsystem umfasst außerdem einen Kühler 122. Ein Kühler-Bypassventil 126 steuert den Fluidstrom selektiv durch den Kühler 122. In einer ersten Position wird der gesamte Wärmetauschfluidstrom in Richtung A und durch den Kühler 122 geleitet. Umgekehrt wird, wenn das Kühler-Bypassventil 126 in der zweiten Position ist, der gesamte Wärmetauschfluidstrom in Richtung B geleitet. In Richtung B umgeht das Fluid den Kühler 122, falls möglich, wie beispielsweise wenn das Wärmetauschfluid unter einer Schwellentemperatur ist.
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Ein Batterieventil 132 ist zum selektiven Koppeln der Batterie-Thermoschleife 110 und der Motorschleife 120 vorgesehen. In einer ersten Position wird das Wärmetauschfluid in Richtung C geleitet, um die Batterie-Thermoschleife 110 und die Motorschleife 120 effektiv parallel zu koppeln. Wenn das Kühler-Bypassventil 126 in der ersten Position ist und Fluid in Richtung A strömt und auch das Batterieventil 136 in der ersten Position ist, dann strömt Fluid in Richtung C und ist der Fluidstrom durch den Kühler 122 parallel zur Motorschleife 120 und der Batterie-Thermoschleife 110 angeordnet. Wenn das Kühler-Bypassventil 126 in der ersten Position ist und Fluid in Richtung A strömt und auch das Batterieventil in der ersten Position ist, dann strömt Fluid außerdem parallel durch die Motorschleife 120 und die Batterie-Thermoschleife 110 und wird zusammengeführt und durch den Kühler geschickt. Ein Motorschleifeneinlass 134 ist parallel zu einem Batterieschleifeneinlass 136 angeordnet. Gleichermaßen ist die Batteriepumpe 114 parallel zur Motorpumpe 124 angeordnet. An einem Auslass 152 des Kühlers 122 sind der Motorschleifeneinlass 134 und der Batterieschleifeneinlass 136 parallel angeordnet, so dass aus dem Kühler 122 austretendes Fluid sowohl in die Batterieschleife 110 als auch die Motorschleife 120 parallel eintritt.
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Eine parallele Anordnung der Motorschleife 120 und der Batterie-Thermoschleife 110 bringt Vorteile. In einem Parallelsystem ist der Druckabfall über die beiden Schleifen zwischen den beiden Stellen, an welchen sich die parallelen Schleifen verbinden (Einlass und Auslass), gleich. Außerdem empfangen zwei parallele Schleifen die gleiche Einlasstemperatur, die vom Kühler kommt, wenn sich die beiden Schleifen vor dem Eintritt in den Kühler vereinen und nach ihm aufteilen. Durch Bereitstellen eines einzigen Fluidstroms, der innerhalb eines jeden parallelen Schenkels für die Komponenten darin erforderlich ist, wird eine reduzierte Pumpenleistung realisiert. Daher kann jede Pumpe kleiner sein und weniger Energie verwenden. Wenn Schleifen dagegen in Reihe miteinander verbunden sind, bestimmen die Komponenten mit dem größten Durchsatz den Durchsatz des Gesamtsystems und erzwingen durch alle Komponenten außer der mit dem größten Fluidstrombedarf höhere Fluidströme, als notwendig sind. Diese Fluidströme, die höher als notwendig sind, führen zu einem übermäßigen Pumpenleistungsverbrauch, der den Kraftstoffwirkungsgrad herabsetzt und/oder den Strombereich des Fahrzeugs durch die Batterie reduziert. Wenn die Schleifen in Reihe angeordnet sind, ist außerdem der Kühler-Kühlmodus unwirksam, da die Motorschleife 120 bereits erwärmten Wärmeaustausch in die Batterie-Thermoschleife 110 einspeist. Außerdem empfängt bei einer Reihenkonfiguration infolge der stromaufwärts erfolgten Erwärmung des Fluids jede stromabwärts gelegene Komponente eine höhere Temperatur als die davor. Dies kann zu übermäßigen Temperaturen führen. Von besonderer Bedeutung ist, dass die veranschaulichte Parallelkonfiguration am Batterieschleifeneinlass 136 eine niedrigere Temperatur als eine Reihenkonfiguration bereitstellt, wenn Kühlung vom Kühler 122 erfolgt. Die Traktionsbatterie hat niedrige Temperaturanforderungen. Bei einer Reihenkonfiguration stellt Fluid, das bereits durch die Motorschleife erwärmt wurde, unter den meisten Bedingungen keine angemessene Kühlung bereit, um die Temperaturanforderungen der Batterie zu erfüllen. Bei einer parallelen Anordnung empfängt jede Schleife die gleiche Einlasstemperatur und, obwohl stromaufwärts Erwärmung innerhalb einer jeden Schleife erfolgt, sind die Gesamttemperaturen niedriger, was eine wünschenswertere Kühlung für die Traktionsbatterie sowie andere Komponenten im System bereitstellt.
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Ein drittes Ventil, ein Fahrgastraumventil 140 oder HLK-Ventil, ist vorgesehen, um der Fahrgastraumschleife 130 selektiv Wärmetauscherfluid zuzuführen. In einer ersten Position ist das Fahrgastraumventil 140 so angeordnet, dass es Fluidstrom in Richtung E zur Motorschleife 120 leitet und die Fahrgastraumschleife 130 im Allgemeinen trennt. In einer zweiten Position leitet das Fahrgastraumventil 140 Fluidstrom in Richtung F, so dass Fluid in die Fahrgastraumschleife 130 eintreten kann. Wenn die Motorschleife 120 das Fluid ausreichend erwärmt hat, kann dieses erwärmte Fluid die Fluidheizung 148, wie beispielsweise eine PTC, etwas entlasten, indem es die Energie reduziert, die diese verbrauchen muss, um Fluid mit einer geeigneten Temperatur zur Verwendung beim Heizen des Fahrgastraums über den Heizungskern 146 in der Fahrgastraumschleife 156 bereitzustellen.
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Der in 2 und vereinfacht in 3 angezeigte Fluidstrom stellt einen wirksamen Kühlmodus des Thermomanagementsystems 100 dar. Dieser Kühlmodus ermöglicht es dem Kühler 122 und einem Niederspannungslüfter 142, Kühlung der thermischen Lasten in der Motorschleife 120 und der Batterie-Thermoschleife 110 bereitzustellen. Wenn das Batterieventil 132 in die erste Position gestellt wird, um Fluidstrom in Richtung C zu leiten, so dass die Batterieschleife 110 und die Motorschleife 120 vereint werden, wird die Batterieschleife 110 parallel zur Motorschleife 120 angeordnet. Der Kühler 122 wird sowohl mit der Batterieschleife 110 als auch der Motorschleife 120 in Reihe angeordnet. Bei in Reihe mit dem Kühler 122 angeordneter Batterie-Thermoschleife 110 stellt der Kühler 122 Kühlung für die Batterie-Thermoschleife 110, einschließlich der Traktionsbatterie 50 und der Batteriezellen 104, bereit, ohne die Kältemaschine 118 einschalten zu müssen. Es ist vorgesehen, dass der Kühler 122 Kühlung für die Batterie-Thermoschleife 110 über einen großen Umgebungstemperaturbereich von 0 Grad Celsius bis 25 Grad Celsius bereitstellen kann. Der Kühler 122 und der Niederspannungslüfter 142 verbrauchen weniger Energie als der Betrieb der Kältemaschine 118, was den Kraftstoffwirkungsgrad erhöht und/oder den Strombereich des Fahrzeugs durch die Batterie 50 vergrößert. Die Verwendung des Kühlers 122 zum Bereitstellen von Kühlung für die Traktionsbatterie 50 verbessert außerdem die Robustheit und Lebensdauer des Thermomanagementsystems 100, da die Kältemaschine 118 weniger oft verwendet wird, und bietet eine Batteriekühlungsoption, wenn die Kältemaschine 118 aus irgendeinem Grund betriebsunfähig wird.
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Wenn das Batterieventil 132 in eine zweite Position bewegt wird, wird das Wärmetauscherfluid in Richtung D geleitet, um die Batterie-Thermoschleife 110 im Wesentlichen von der Motorschleife 120 zu trennen. Das Fahrgastraumventil 140 ist in der ersten Position, um Fluidstrom in Richtung E zu leiten, um auch die Fahrgastraumschleife 130 zu trennen. Wie in der vereinfachten schematischen Darstellung von 4 veranschaulicht, ist das Thermomanagementsystem 100 in einem Trennmodus, in welchem alle Thermoschleifen voneinander getrennt sind. Der Trennmodus kann über einer Schwellenumgebungstemperatur, zum Beispiel über 25 Grad Celsius, verwendet werden, wenn der Kühler 122 nicht mehr in der Lage ist, die Batterie 50 ausreichend zu kühlen. Über der Schwellentemperatur kann die Batteriekühlung durch die Kältemaschine 118 und das Klimasystem bewältigt werden. Die Kältemaschine 118 kühlt die Batterieschleife 110 durch Bereitstellen von Wärmeaustauch zwischen dem Fluid in der Batterieschleife 110 und dem Kältemittel unter Umgebungstemperatur. In diesem Modus ist möglicherweise kein Erwärmen des Fahrgastraums erforderlich, so dass die Fahrgastraumschleife vom Thermomanagementsystem 100 getrennt und abgeschaltet wird.
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Im Trennmodus kann das Kühler-Bypassventil 126 umschalten, um Fluidstrom je nach den Temperaturbedingungen der Motorschleife 120 in Richtung A oder Richtung B zu leiten, um einen Thermostat-Effekt bereitzustellen. Ein Temperatursensor 128 kann zum Bestimmen der Temperatur des Wärmetauschfluids an einer ausgewählten Stelle in der Motorschleife 120 vorgesehen sein. Wie dargestellt, kann der Temperatursensor 128 stromabwärts von allen thermischen Lasten, wie beispielsweise dem Motor 24, dem TCM 30 und dem Gleichstromwandler 72, positioniert sein, um die höchste Temperatur des Wärmetauschfluids zu erfassen. Basierend auf der durch den Temperatursensor 128 bestimmten Temperatur kann eine Steuerung, wie beispielsweise die Steuerung 106, bestimmen, ob das Kühler-Bypassventil 126 in der ersten Position, in welcher Fluidstrom in Richtung A durch den Kühler 122 geleitet wird, oder in der zweiten Position, wenn Fluidstrom den Kühler 122 in Richtung B umgeht, angeordnet werden soll oder nicht. Es kann außerdem vorteilhaft sein, den Temperatursensor 128 angepasst den Einlass 134 vorzusehen, da die Kühlmitteltemperaturanforderungen der meisten Komponenten auf der Kühlmitteleinlasstemperatur beruhen.
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Die Fahrgastraumschleife 130 kann das HLK-System für das Fahrzeug oder das Klimasystem für den Fahrgastraum des Fahrzeugs umfassen. Wie dargestellt, weist die Fahrgastraumschleife 130 eine Fluidschleife mit einer Pumpe 144 und einem Heizungskernelement 146 zur Verwendung von erwärmtem Fluid, um den Luftdüsen des Fahrgastraums Warmluft zuzuführen.
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Die Batterie-Thermoschleife 110, die Motorschleife 120 und die Fahrgastraumschleife 130 sind drei separate, aber integrierte Thermoschleifen. Die Schleifen 110, 120 und 130 können die drei separaten Ventile schließen und unter Verwendung von drei separaten Pumpen unabhängig voneinander funktionieren. Oder die Schleifen 110, 120 und 130 können selektiv gemischt werden, so dass zum Beispiel Abwärme vom Motor 24 zum Heizen des Fahrgastraums oder Erwärmen der Batterie 50 verwendet werden kann. Die Architektur mit mehreren integrierten Thermoschleifen minimiert die Komponenten, die in jeder der Schleifen 110, 120 und 130 erforderlich wären, wenn jede Schleife separat wäre, wodurch zum Beispiel Kosten- und Gewichtseinsparungen ermöglicht werden.
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5 veranschaulicht zum Beispiel einen Vollmischmodus, in welchem alle Schleifen 110, 120 und 130 verbunden sind und das Wärmetauschfluid durch alle Schleifen zirkuliert. Im Vollmischmodus wird das Batterieventil 132 in die erste Position gestellt, um Fluidstrom in Richtung C zu leiten, und das Fahrgastraumventil 140 wird in die zweite Position gestellt, um Fluidstrom in Richtung F zu leiten. Im Vollmischmodus sind die Motorschleife 120 und die Batterieschleife 110 parallel, und die Fahrgastraumschleife 130 ist mit den kombinierten Fluidströmen der Motorschleife 120 und der Batterieschleife in Reihe geschaltet. Der Mischmodus kann bei einem engen Temperaturbereich verwendet werden, wenn Abwärme von der Motorschleife 120 und der Batterie-Thermoschleife 110 zum Heizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs ohne Notwendig der Heizung 148 verwendet werden kann.
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Im Vollmischmodus wird das Kühlerventil 126 umgangen, weshalb es die Funktion des Thermomanagementsystems 100 nicht beeinflusst.
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6 veranschaulicht einen Modus, in welchem die Batterie-Thermoschleife 110 getrennt, aber die Motorschleife 120 und die Fahrgastraumschleife 130 gemischt sind. Im Batterietrennmodus wird das Batterieventil 132 in die zweite Position gestellt, um Fluidstrom in Richtung D zu leiten, um die Batterie-Thermoschleife 110 im Wesentlichen zu trennen. Das Fahrgastraumventil 140 wird in die zweite Position gestellt, um Fluidstrom in Richtung F zu leiten, so dass Fluidstrom von der Motorschleife 120 zur Fahrgastraumschleife 130 geleitet wird, so dass die Motorschleife 120 und die Fahrgastraumschleife 130 in Reihe geschaltet sind. Der Batterietrennmodus in 6 kann verwendet werden, wenn die Temperatur der Batterie 50 in einem Zielbereich liegt. Durch das Trennen der Batterie-Thermoschleife 110 wird die Temperatur der Batterie 50 mit dem Heizelement 116 geregelt und unter Verwendung der Kältemaschine 118 gekühlt.
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Die Steuerung 106 kann das Batterieventil in die zweite Position und den Batterietrennmodus in 6 steuern, wenn der Batterietemperatursensor zum Beispiel einen Batterie-Zieltemperaturbereich zwischen 10 Grad Celsius und 45 Grad Celsius erkennt. Der Zielbereich kann zum Beispiel je nach Umgebungstemperatur oder Gepflogenheiten des Fahrers variieren. Im Trennmodus muss die Batterie 50 bei höheren Umgebungstemperaturen abgekühlt werden, wenn die Kühlung durch den Kühler 122 unzureichend ist. Alternativ muss die Batterie 50 unter Verwendung des Heizelements 116 erwärmt werden, wenn das Fahrzeug angeschlossen wird. Wenn die Batterieschleife 110 getrennt ist, hat der Kühler 122 keine Auswirkung auf die Batterieschleife 110. Der Kühler 122 kann jedoch die Motorschleife 120 beeinflussen, wenn geöffnet, um Fluidstrom in Richtung A zu leiten.
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7 schließlich veranschaulicht eine andere Konfiguration des Thermomanagementsystems 100, wobei die Batterie-Thermoschleife 110 und die Motorschleife 120 parallel geschaltet sind, wenn das Batterieventil 132 in die erste Position gestellt ist, um Fluidstrom in Richtung C zu leiten. In diesem Erwärmungsmodus wird die Fahrgastraumschleife 130 getrennt, wenn das Fahrgastraumventil 140 in die zweite Position gestellt wird, um Fluidstrom in Richtung E zu leiten. Im Gegensatz zum Kühler-Kühlmodus, der in 2 und 3 dargestellt ist, wird das Kühlerventil 126 in die zweite Position gestellt, um den Kühler 122 zu umgehen und Fluidstrom in Richtung B zu leiten. In diesem Erwärmungsmodus können die Batterie 50 und die Batterie-Thermoschleife 110 mit Abwärme von der Motorschleife 120 erwärmt werden, wenn die Umgebungstemperatur unter einer Schwellentemperatur ist, wenn es außen kalt ist und das Fahrzeug fährt. Der Erwärmungsmodus wärmt die kalte Batterie 50 auf. Die Fahrgastraumschleife 130 funktioniert bei einer wesentlich höheren Nenntemperatur als die Batterieschleife 110, so dass die Fahrgastraumschleife 130 getrennt werden muss. Letzten Endes kann die Motorschleife 120 für die Batterie 50 zu heiß werden, und dies kann wiederum die Trennung der Batterieschleife 110 bei zu heißer Fahrgastraumschleife 110 erzwingen, wie zuvor erörtert.
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In einer anderen Ausführungsform der Offenbarung ist außerdem vorgesehen, dass die Fahrgastraumschleife 130 dauerhaft von der Batterie-Thermoschleife 110 und der Motorschleife 120 getrennt sein kann. Dies kann das Ventil 140 und andere Leitungsteile für Kosten- und Gewichtseinsparungen sowie zur Vereinfachung der Bedienelemente der Klimaanlage für den Fahrgastraum eliminieren.
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8 ist ein Diagramm, das die Betriebsmodi des Thermomanagementsystems basierend auf den verschiedenen Positionen des Kühlerventils 126, des Batterieventils 132 und des Fahrgastraumventils 140 zusammenfasst.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Spezifikation verwendeten Ausdrücke beschreibende statt einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich von selbst, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
