DE102016015007A1

DE102016015007A1 - Kühlsystem, insbesondere Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016015007A1
Application number: DE102016015007.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Glossmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2017-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, insbesondere ein Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug (11), mit zumindest einem Kühlkreislauf (12), welcher zumindest ein erstes Temperiermedium (13) umfasst, wobei der zumindest eine Kühlkreislauf (12) geschlossen ausgebildet ist und zumindest einen Teilkreislauf (14) mit einem zweiten, von dem ersten Temperiermedium (13) verschiedenen Temperiermedium (15) aufweist, sowie ein Verfahren zu einem Betrieb des Kühlsystems (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, insbesondere Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems.
Aus der DE 10 2014 201 510 A1 ist bereits ein Kühlsystem, insbesondere Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Kühlkreislauf, welcher zumindest ein erstes Temperiermedium umfasst, bekannt. Der Kühlkreislauf weist ein Durchlasselement auf, welches zu einem temporären Einlassen von einem Ersatzmedium in den Kühlkreislauf geöffnet werden kann.
Große Batterien für Kraftfahrzeuge, die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet werden, sind üblicherweise unter einem Boden eines Kraftfahrzeugs montiert, wobei beispielsweise ein Batteriegehäuse nach außen freiliegt. Bei hohen oder niedrigen Außentemperaturen kann die Batterie aufheizen oder abkühlen, wenn das Fahrzeug nicht betrieben wird, was zu einem erhöhten Energiebedarf für ein thermisches Management der Batterie und einer vorzeitigen Alterung von Zellen der Batterie führen kann. Ferner können weitere Probleme auftreten, wenn die Zellen der Batterie erwärmen oder abkühlen.
Ferner ist aus der DE 103 44 018 A1 ebenfalls ein Kühlsystem bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem bereitzustellen, mittels welchem eine vorteilhaft schnelle und zuverlässige, insbesondere von einer Umgebung unabhängige, Temperierung ermöglicht werden kann. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Kühlsystem, insbesondere von einem Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Kühlkreislauf, welcher zumindest ein erstes Temperiermedium umfasst.
Es wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Kühlkreislauf geschlossen ausgebildet ist und zumindest einen Teilkreislauf mit einem zweiten, von dem ersten Temperiermedium verschiedenen Temperiermedium, aufweist. Vorzugsweise ist das Kühlsystem von einem Batteriekühlsystem gebildet. Bevorzugt ist der zumindest eine Teilkreislauf von einem Hauptkreislauf des Kühlkreislaufs verschieden. Besonders bevorzugt umfasst der Kühlkreislauf zumindest eine Kühlplatte zu einer Temperierung der Hochvolt-Batterie. Die Hochvolt-Batterie ist insbesondere dazu vorgesehen, auf der Kühlplatte angeordnet zu werden. Dadurch kann insbesondere ein vorteilhaft effizientes Kühlsystem bereitgestellt werden. Vorzugsweise kann das Kühlsystem dadurch vorteilhaft an verschiedene Anforderungen angepasst werden. Es können insbesondere abhängig von aktuellen Anforderungen verschiedene Temperiermedien eingesetzt werden. Bevorzugt kann eine vorteilhaft schnelle und zuverlässige, insbesondere von einer Umgebung unabhängige, Temperierung ermöglicht werden. Unter einem Kühlkreislauf soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung mit einem in zumindest einem Betriebszustand zumindest teilweise zirkulierenden Temperiermedium verstanden werden. Vorzugsweise soll darunter insbesondere eine Vorrichtung zu einer Temperierung einer Einrichtung, insbesondere einer Batterie, verstanden werden. Besonders bevorzugt umfasst der Kühlkreislauf ein Rohrleitungsystem zu einer Führung des Temperiermediums. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Temperiermedien denkbar, insbesondere soll darunter jedoch ein Temperierfluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Gas, verstanden werden. Des Weiteren soll unter einem geschlossenen Kühlkreislauf insbesondere ein Kühlkreislauf verstanden werden, bei welchem sich das Temperiermedium bzw. alle Temperiermedien des Kühlkreislaufs zumindest im Wesentlichen geschlossen, daher ohne einen wesentlichen Eintrag von außerhalb des Kühlsystems, in dem Kühlsystem befinden. Der Kühlkreislauf ist insbesondere abgesehen von einem unkontrollierten Verlust des Temperiermediums in einem regulären Betrieb geschlossen. Unter einem Teilkreislauf soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Zweig des Kühlkreislaufs verstanden werden. Vorzugsweise soll darunter insbesondere ein geschlossener Zweig des Kühlkreislaufs verstanden werden, welcher an einem Anfang von einem Hauptkreislauf abzweigt und an einem Ende wieder in den Hauptkreislauf mündet.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Teilkreislauf des zumindest einen Kühlkreislaufs frei von dem ersten Temperiermedium ist. Vorzugsweise ist der zumindest eine Teilkreislauf während eines Betriebs vollständig mit dem zweiten Temperiermedium gefüllt. Bevorzugt ist der zumindest eine Teilkreislauf vollständig mit dem zweiten Temperiermedium gefüllt. Dadurch kann in dem zumindest einen Teilkreislauf vorteilhaft eine Vermischung der Temperiermedien vermieden werden. Es kann insbesondere zuverlässig gewährleistet werden, dass bei einer Verwendung des zumindest einen Teilkreislaufs das zweite Temperiermedium zirkuliert wird. Vorzugsweise kann abhängig von einem Betriebszustand der zumindest eine Teilkreislauf angesteuert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Kühlkreislauf einen Hauptkreislauf umfasst, mit welchem der zumindest eine Teilkreislauf gekoppelt ist. Vorzugsweise umfasst der Hauptkreislauf die zumindest eine Kühlplatte zu einer Temperierung der Hochvolt-Batterie. Bevorzugt zirkuliert in dem Hauptkreislauf in zumindest einem Betriebszustand ein Temperiermedium. Besonders bevorzugt zirkuliert in dem Hauptkreislauf in einem regulären Betriebszustand das erste Temperiermedium. Dadurch kann insbesondere ein vorteilhaft geschlossener Kühlkreislauf bereitgestellt werden. Es kann insbesondere eine vorteilhafte Integration des zumindest einen Teilkreislaufs erreicht werden. Unter einem Hauptkreislauf soll in diesem Zusammenhang insbesondere der wesentliche Kreislauf des Kühlkreislaufs verstanden werden. Vorzugsweise soll darunter insbesondere ein in sich geschlossener, also insbesondere endloser, Kreislauf des Kühlkreislaufs verstanden werden. Bevorzugt soll darunter insbesondere ein Kreislauf des Kühlkreislaufs verstanden werden, in welchem in einem regulären Betriebszustand ein Temperiermedium zirkuliert.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass das Kühlsystem zumindest ein Ventil aufweist, welches in einem Übergangsbereich von dem zumindest einen Teilkreislauf in den Hauptkreislauf angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, ein Gelangen des ersten Temperiermediums in den zumindest einen Teilkreislauf zu vermeiden. Vorzugsweise ist das Ventil an einem Ende des zumindest einen Teilkreislaufs angeordnet. Bevorzugt ist das Ende des zumindest einen Teilkreislaufs über das zumindest eine Ventil mit dem Hauptkreislauf verbunden. Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Ventil für das zweite Temperiermedium in zumindest eine Richtung durchlässig und für das erste Temperiermedium zumindest in eine entgegengesetzte Richtung nicht. Vorzugsweise ist das zumindest eine Ventil für das zweite Temperiermedium durchlässig und für das erste Temperiermedium nicht. Dadurch kann zuverlässig ein Gelangen des ersten Temperiermediums in den zumindest einen Teilkreislauf vermieden werden. Es kann zuverlässig ein Vermischen der Temperiermedien in dem zumindest einen Teilkreislauf vermieden werden. Unter einem Übergangsbereich von dem zumindest einen Teilkreislauf in den zumindest einen Hauptkreislauf soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Bereich verstanden werden, in welchem der zumindest eine Teilkreislauf in den Hauptkreislauf mündet. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das zumindest eine Ventil von einem Belüftungsventil gebildet ist. Vorzugsweise ist das Ventil von einer Art Rückschlagventil gebildet. Bevorzugt ist das erste Temperiermedium von einer Flüssigkeit gebildet. Besonders bevorzugt ist das zweite Temperiermedium von einem Gas gebildet. Dadurch kann zuverlässig ein Gelangen des ersten Temperiermediums in den zumindest einen Teilkreislauf vermieden werden. Es kann zuverlässig ein Vermischen der Temperiermedien in dem zumindest einen Teilkreislauf vermieden werden. Bevorzugt kann insbesondere das Gelangen von Flüssigkeiten in den zumindest einen Teilkreislauf vermieden werden. Unter einem Belüftungsventil soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Ventil verstanden werden, durch welches Gase in zumindest eine Richtung, vorzugsweise in beide Richtungen, passieren können. Vorzugsweise soll darunter insbesondere ein Ventil verstanden werden, welches für Flüssigkeiten und Feststoffe gesperrt ist. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Belüftungsventile denkbar.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kühlsystem zumindest ein Reservoir aufweist, welches zu einer Aufnahme des ersten Temperiermediums und des zweiten Temperiermediums vorgesehen ist. Vorzugsweise dient das zumindest eine Reservoir zu einer Zwischenspeicherung des ersten Temperiermediums und des zweiten Temperiermediums. Bevorzugt ist das zumindest eine Reservoir in einem Betrieb vollständig mit dem ersten Temperiermedium und dem zweiten Temperiermedium gefüllt. Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Reservoir mit dem Kühlkreislauf verbunden. Vorzugsweise ist das zumindest eine Reservoir auf zwei Seiten mit dem Kühlkreislauf verbunden. Dadurch kann zuverlässig innerhalb des Kühlsystems das erste Temperiermedium und das zweite Temperiermedium zwischengespeichert werden. Vorzugsweise können abhängig von einem Betriebszustand unterschiedliche Mengen des ersten Temperiermediums und/oder des zweiten Temperiermediums, welche nicht benötigt werden, zwischengespeichert werden. Hierdurch kann insbesondere vorteilhaft ein geschlossener Kühlkreislauf bereitgestellt werden. Ferner kann insbesondere vorteilhaft ein Puffer für das Kühlsystem bereitgestellt werden. Unter einem Reservoir soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit zur Bevorratung, insbesondere zur Zwischenspeicherung, von Temperiermedien verstanden werden. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Reservoirs denkbar, wie beispielsweise Behälter, Tanks und/oder Speicher.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Reservoir in einem Übergangsbereich von dem zumindest einen Hauptkreislauf in den zumindest einen Teilkreislauf angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Reservoir an einem Anfang des zumindest einen Teilkreislaufs angeordnet. Bevorzugt ist der Anfang des zumindest einen Teilkreislaufs über das zumindest eine Reservoir mit dem Hauptkreislauf verbunden. Vorzugsweise ist der zumindest eine Teilkreislauf über das Reservoir von dem Hauptkreislauf abgezweigt. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Anordnung des Reservoirs erreicht werden. Es kann insbesondere eine Anordnung bereitgestellt werden, bei welcher das Reservoir von zumindest einem Temperiermedium durchströmt werden kann. Ferner kann insbesondere eine Anordnung direkt an dem Hauptkreislauf erreicht werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das zumindest eine Reservoir lediglich von dem zweiten Temperiermedium durchströmt wird. Vorzugsweise wird das zumindest eine Reservoir nicht von dem ersten Temperiermedium durchströmt. Bevorzugt ändert das erste Temperiermedium in dem Reservoir lediglich seinen Pegel. Es findet insbesondere kein Einströmen des ersten Temperiermediums in den zumindest einen Teilkreislauf statt. Vorzugsweise ist das zweite Temperiermedium leichter als das erste Temperiermedium und kann daher von dem ersten Temperiermedium nach oben verdrängt werden. Hierdurch kann eine Verschiebung der Temperiermedien innerhalb des Kühlsystems erreicht werden. Vorzugsweise kann das Reservoir dadurch vorteilhaft als Puffer vor dem zumindest einen Teilkreislauf genutzt werden. Darunter, dass das zumindest eine Reservoir lediglich von dem zweiten Temperiermedium durchströmt wird soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das zweite Temperiermedium in zumindest einem Betriebszustand über eine erste Öffnung des Reservoirs in das Reservoir gelangt, insbesondere gefördert wird, und in zumindest einem Betriebszustand über eine zweite Öffnung des Reservoirs aus dem Reservoir gelangt, insbesondere gefördert wird.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Kühlsystem zumindest ein 3-Wege-Ventil aufweist, welches zwischen dem zumindest einen Reservoir und dem Hauptkreislauf angeordnet ist. Vorzugsweise weist das zumindest eine 3-Wege-Ventil einen ersten Weg auf, welcher direkt zu dem zumindest einen Reservoir führt. Bevorzugt weist das zumindest eine 3-Wege-Ventil einen zweiten Weg auf, welcher direkt in den Haupkreislauf mündet. Vorzugsweise mündet der zweite Weg saugseitig einer Pumpe des Hauptkreislaufs in den Hauptkreislauf. Bevorzugt mündet der zweite Weg zwischen der Kühlplatte und der Pumpe des Hauptkreislaufs in den Hauptkreislauf. Besonders bevorzugt weist das zumindest eine 3-Wege-Ventil einen dritten Weg auf, welcher direkt in den Haupkreislauf mündet. Vorzugsweise mündet der dritte Weg druckseitig der Pumpe des Hauptkreislaufs in den Hauptkreislauf. Dadurch kann zuverlässig ein Pegel des ersten Temperiermediums in dem Reservoir über das 3-Wege-Ventil gesteuert werden. Insbesondere kann abhängig von einer Stellung des 3-Wege-Ventils über die Pumpe ein Pegel des ersten Temperiermediums in dem Reservoir gehoben oder gesenkt werden. Damit kann insbesondere an Anteil des ersten Temperiermediums in dem Hauptkreislauf gesteuert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass ein Weg des zumindest einen 3-Wege-Ventils, welches direkt zu dem zumindest einen Reservoir führt, in jeder Schaltstellung geöffnet ist. Vorzugsweise weist das 3-Wege-Ventil zwei während eines Betriebs verwendete Schaltstellungen auf. Bevorzugt ist in beiden Schaltstellungen der erste Weg des zumindest einen 3-Wege-Ventils, welches direkt zu dem zumindest einen Reservoir führt, geöffnet. Vorzugweise sind in einer ersten Schaltstellung des 3-Wege-Ventils der erste Weg und der zweite Weg des 3-Wege-Ventils geöffnet. Besonders bevorzugt sind in einer zweiten Schaltstellung des 3-Wege-Ventils der erste Weg und der dritte Weg des 3-Wege-Ventils geöffnet. Dadurch kann eine vorteilhafte Steuerung des 3-Wege-Ventils erreicht werden. Es kann insbesondere erreicht werden, dass abhängig von einer Schaltstellung des 3-Wege-Ventils das Reservoir entweder saugseitig der Pumpe mit dem Hauptkreislauf verbunden ist oder druckseitig der Pumpe mit dem Hauptkreislauf verbunden ist. Hierdurch kann insbesondere gezielt ein Pegel des ersten Temperiermediums in dem Reservoir angehoben oder gesenkt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Hauptkreislauf des Kühlkreislaufs zumindest in einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, vollständig von dem ersten Temperiermedium durchströmt zu werden. Vorzugsweise ist der Hauptkreislauf des Kühlkreislaufs zumindest in einem ersten Betriebszustand vollständig mit dem ersten Temperiermedium gefüllt. Bevorzugt zirkuliert zumindest in dem ersten Betriebszustand lediglich das erste Temperiermedium in dem Hauptkreislauf. Besonders bevorzugt befindet sich das 3-Wege-Ventil in dem ersten Betriebszustand in der ersten Schaltstellung. Vorzugsweise weist das erste Temperiermedium in dem ersten Betriebszustand einen minimalen Pegel in dem Reservoir auf. Vorzugsweise kann mit dem ersten Temperiermedium eine vorteilhaft hohe Kühlwirkung erreicht werden. Bevorzugt weist das erste Temperiermedium eine vorteilhaft hohe thermische Leitfähigkeit auf. Dadurch kann zumindest in dem ersten Betriebszustand eine vorteilhaft schnelle und präzise Temperierung erreicht werden. Es kann insbesondere eine vorteilhaft schnelle und präzise Kühlung der Hochvolt-Batterie erreicht werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Hauptkreislauf des Kühlkreislaufs zumindest in einem zweiten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, zumindest zu einem wesentlichen Teil mit dem zweiten Temperiermedium befüllt zu werden. Vorzugsweise ist der Hauptkreislauf des Kühlkreislaufs zumindest in einem zweiten Betriebszustand teilweise mit dem ersten Temperiermedium und teilweise mit dem zweiten Temperiermedium gefüllt. Besonders bevorzugt befindet sich das 3-Wege-Ventil in dem zweiten Betriebszustand in der zweiten Schaltstellung. Besonders bevorzugt findet in dem zweiten Betriebszustand keine Zirkulation der Temperiermedien statt. Das Kühlsystem befindet sich in dem zweiten Betriebszustand insbesondere in einem Ruhemodus. Vorzugsweise weist das erste Temperiermedium in dem zweiten Betriebszustand einen maximalen Pegel in dem Reservoir auf, sodass das zweite Temperiermedium über den Teilkreislauf durch das Ventil in den Hauptkreislauf gedrückt wird. Vorzugsweise kann mit dem zweiten Temperiermedium eine vorteilhaft hohe Isolationswirkung erreicht werden. Bevorzugt weist das zweite Temperiermedium eine vorteilhaft geringe thermische Leitfähigkeit auf. Dadurch kann zumindest in dem zweiten Betriebszustand eine vorteilhafte Isolation erreicht werden. Es kann insbesondere eine vorteilhafte Isolation der Hochvolt-Batterie gegen eine starke Abkühlung und/oder Erhitzung, wie beispielsweise nach einem Abstellen eines Kraftfahrzeugs mit der Hochvolt-Batterie, erreicht werden. Vorzugsweise kann dadurch eine Batterietemperatur vorteilhaft kontrolliert werden. Hierdurch können insbesondere starke Temperaturschwankungen und/oder ungünstig hohe und niedrigere Temperaturen vermieden werden. Wenn die Batterietemperatur in einem engeren Bereich gehalten werden kann, kann eine hohe Batterielebensdauer erreicht werden. Ferner kann ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugs erreicht werden, da die Batterietemperatur nach Nichtbetrieb von der idealen Betriebstemperatur abweicht. Es kann insbesondere eine dynamische Verwendung des Kühlsystems als eine thermische Isoliervorrichtung, hauptsächlich während des Nichtbetriebsmodus des Kraftfahrzeugs, durch die isolierende Natur von Luft im Vergleich zu der Kühlflüssigkeit erreicht werden.
Unter zumindest zu einem wesentlichen Teil soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 30% und besonders bevorzugt zumindest 50% eines Aufnahmevolumens des Hauptkreislaufs mit dem zweiten Temperiermedium befüllt werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das zumindest eine erste Temperiermedium von einer Kühlflüssigkeit gebildet ist. Vorzugsweise ist das erste Temperiermedium von einem flüssigen Kühlmittel gebildet. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Kühlflüssigkeiten, insbesondere Kühlmittel, denkbar. Dadurch kann insbesondere ein erstes Temperiermedium mit einer vorteilhaft hohen Kühlwirkung bereitgestellt werden. Es kann insbesondere ein erstes Temperiermedium mit einer vorteilhaft hohen thermischen Leitfähigkeit bereitgestellt werden. Dadurch kann wiederum insbesondere eine vorteilhaft schnelle und präzise Temperierung erreicht werden. Es kann insbesondere eine vorteilhaft schnelle und präzise Kühlung der Hochvolt-Batterie erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine zweite Temperiermedium von Luft gebildet ist. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, dass das zweite Temperiermedium von einem anderen, einem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Gas gebildet ist. Dadurch kann insbesondere ein zweites Temperiermedium mit einer vorteilhaft hohen Isolationswirkung bereitgestellt werden. Es kann insbesondere ein zweites Temperiermedium mit einer vorteilhaft geringen thermischen Leitfähigkeit bereitgestellt werden. Dadurch kann zumindest in dem zweiten Betriebszustand eine vorteilhafte Isolation erreicht werden. Es kann insbesondere eine vorteilhafte Isolation der Hochvolt-Batterie gegen eine starke Abkühlung und/oder Erhitzung, wie beispielsweise nach einem Abstellen eines Fahrzeugs mit der Hochvolt-Batterie, erreicht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvolt-Batterie und mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem in einer schematischen Darstellung,
2 das erfindungsgemäße Kühlsystem mit einem Kühlkreislauf, welcher einen Teilkreislauf und einen Hauptkreislauf umfasst, und die Hochvolt-Batterie in einem ersten Betriebszustand in einer schematischen Schnittdarstellung,
3 das erfindungsgemäße Kühlsystem mit dem Kühlkreislauf, welcher den Teilkreislauf und den Hauptkreislauf umfasst, und die Hochvolt-Batterie in einem zweiten Betriebszustand in einer schematischen Schnittdarstellung und
4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einem Betrieb des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 11. Das Kraftfahrzeug 11 umfasst einen nicht weiter sichtbaren Antriebsstrang mit einem Elektromotor, der zum Antrieb von Antriebsrädern 21 vorgesehen ist. Ferner weist das Kraftfahrzeug 11 eine Batterie 22 auf. Die Batterie 22 ist als Hochvolt-Batterie ausgeführt. Die Batterie 22 ist als Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie, wie beispielsweise für Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeuge, ausgeführt. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausbildung und/oder Anwendung denkbar, wie beispielsweise für eine Stationäranwendung, beispielsweise zur Stromversorgung und/oder -speicherung. Die Batterie 22 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 23. Die Batteriezellen 23 sind zur Speicherung und Abgabe einer elektrischen Leistung vorgesehen. Die Batteriezellen 23 der Batterie 22 sind gestapelt angeordnet.
Ferner weist das Kraftfahrzeug 11 ein Kühlsystem 10 auf. Das Kühlsystem 10 ist von einem Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für das Kraftfahrzeug 11 gebildet. Das Kühlsystem 10 dient zu einer Temperierung der Batterie 22. Das Kühlsystem 10 dient während eines Betriebs der Batterie 22 zu einer Kühlung der Batterie 22. Das Kühlsystem 10 weist einen Kühlkreislauf 12 auf. Der Kühlkreislauf 12 ist geschlossen ausgebildet. Der Kühlkreislauf 12 ist zu einer direkten Temperierung der Batterie 22 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 12 weist eine Kühlplatte 24 zu einer Temperierung der Batterie 22 auf. Die Batterie 22 ist auf der Kühlplatte 24 angeordnet. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Anordnung der Kühlplatte 24 denkbar. Die Kühlplatte 24 ist von einer Batteriebodenkühlplatte gebildet, welche in den Boden der Batterie 22 integriert ist. Die Kühlplatte 24 ist dabei beispielhaft so ausgelegt, dass nur sehr wenige Wärmeleitbahnen in Bezug auf die Oberfläche der Batterie 22 vorhanden sind. Dies kann unter Verwendung von wärmeisolierenden Polymermaterialien für die Struktur der Kühlplatte 24 erreicht werden. Metall kann verwendet werden, aber nur für horizontale Strukturen, die keinen Wärmepfad durch die Kühlplatte 24 einführen. Wenn kein Kühlmittel in der Kühlplatte 24 vorhanden ist, kann die Kühlplatte 24 als Wärmedämmung nach außen wirken. Ferner umfasst der Kühlkreislauf 12 ein erstes Temperiermedium 13. Das Kühlsystem 10 weist das erste Temperiermedium 13 auf. Das erste Temperiermedium 13 ist während eines Betriebs zu einer Zirkulation innerhalb des Kühlkreislaufs 12 vorgesehen. Das erste Temperiermedium 13 ist von einer Kühlflüssigkeit gebildet. Das erste Temperiermedium 13 ist von einem flüssigen Kühlmittel gebildet (2, 3).
Des Weiteren weist der Kühlkreislauf 12 einen Hauptkreislauf 16 auf. Während eines regulären Betriebs zirkuliert in dem Hauptkreislauf 16 zumindest teilweise das erste Temperiermedium 13. Der Hauptkreislauf 16 ist von einem geschlossenen Rohrleitungssystem gebildet. Der Hauptkreislauf 16 ist ringförmig, daher also endlos ausgebildet. Die Kühlplatte 24 ist in den Hauptkreislauf 16 integriert. Ferner weist der Kühlkreislauf 12 einen Teilkreislauf 14 auf. Der Teilkreislauf 14 weist ein zweites, von dem ersten Temperiermedium 13 verschiedenes Temperiermedium 15 auf. Das Kühlsystem 10 weist das zweite Temperiermedium 15 auf. Das zweite Temperiermedium 15 ist von Luft gebildet. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausbildung des zweiten Temperiermediums 15 denkbar. Das zweite Temperiermedium 15 ist zumindest teilweise in dem Teilkreislauf 14 angeordnet. Der Teilkreislauf 14 ist mit dem zweiten Temperiermedium 15 gefüllt. Der Teilkreislauf 14 ist vollständig mit dem zweiten Temperiermedium 15 gefüllt. Ferner ist der Teilkreislauf 14 des Kühlkreislaufs 12 frei von dem ersten Temperiermedium 13. Der Teilkreislauf 14 ist mit dem Hauptkreislauf 16 gekoppelt. Die Enden des Teilkreislaufs 14 münden in den Hauptkreislauf 16 (2, 3).
Das Kühlsystem 10 weist des Weiteren eine Pumpe 25 auf. Die Pumpe 25 ist in dem Hauptkreislauf 16 angeordnet und zu einer Förderung des ersten Temperiermediums 13 vorgesehen. Über die Pumpe 25 kann das erste Temperiermedium 13 in dem Hauptkreislauf 16 zirkulierend gefördert werden. Die Pumpe 25 definiert eine Zirkulationsrichtung 26 des ersten Temperiermediums 13 (2).
Ferner weist das Kühlsystem 10 ein Ventil 17 auf. Das Ventil 17 ist in einem Übergangsbereich von dem Teilkreislauf 14 in den Hauptkreislauf 16 angeordnet. Das Ventil 17 ist an einem Ende des Teilkreislaufs 14 angeordnet. Das Ende des Teilkreislaufs 14 ist über das Ventil 17 mit dem Hauptkreislauf 16 verbunden. Ferner ist das Ventil 17 dazu vorgesehen, ein Gelangen des ersten Temperiermediums 13 in den Teilkreislauf 14 zu vermeiden. Das Ventil 17 ist dazu für das zweite Temperiermedium 15 durchlässig und für das erste Temperiermedium 13 nicht. Das Ventil 17 ist von einem Belüftungsventil gebildet. Das gasförmige zweite Temperiermedium 15 kann dadurch das Ventil 17 passieren, während das flüssige erste Temperiermedium 13 blockiert wird. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausbildung des Ventils 17 denkbar (2, 3).
Das Kühlsystem 10 weist ferner ein Reservoir 18 auf. Das Reservoir 18 ist zu einer Aufnahme des ersten Temperiermediums 13 und des zweiten Temperiermediums 15 vorgesehen. Das Reservoir 18 ist zu einer Aufnahme des ersten Temperiermediums 13 und des zweiten Temperiermediums 15 vorgesehen, wobei ein Verhältnis während eines Betriebs abhängig von einem Betriebszustand 31, 32 verändert wird. Das Reservoir 18 dient zu einer Zwischenspeicherung des ersten Temperiermediums 13 und des zweiten Temperiermediums 15. Das Reservoir 18 ist in einem Betrieb vollständig mit dem ersten Temperiermedium 13 und dem zweiten Temperiermedium 15 gefüllt. Ferner ist das Reservoir 18 mit dem Kühlkreislauf 12 verbunden. Das Reservoir 18 weist zwei Öffnungen auf. Die Öffnungen sind auf gegenüberliegenden Seiten des Reservoirs 18 angeordnet. Das Reservoir 18 weist eine untere Öffnung im Boden des Reservoirs 18 und eine obere Öffnung in einer Decke des Reservoirs 18 auf. Das Reservoir 18 ist mit beiden Öffnungen mit dem Kühlkreislauf 12 verbunden. Das Reservoir 18 ist in einem Übergangsbereich von dem Hauptkreislauf 16 in den Teilkreislauf 14 angeordnet. Das Reservoir 18 ist an einem Anfang des Teilkreislaufs 14 angeordnet. Das Reservoir 18 ist an einer dem Ventil 17 gegenüberliegenden Ende des Teilkreislaufs 14 angeordnet. Ein Anfang des Teilkreislaufs 14 ist über das Reservoir 18 mit dem Hauptkreislauf 16 verbunden. Der Teilkreislauf 14 ist über das Reservoir 18 von dem Hauptkreislauf 16 abgezweigt. Ferner wird das Reservoir 18 lediglich von dem zweiten Temperiermedium 15 durchströmt. Das Reservoir 18 wird nicht von dem ersten Temperiermedium 13 durchströmt. Das erste Temperiermedium 13 ändert in dem Reservoir 18 lediglich seinen Pegel. Es findet daher kein Einströmen des ersten Temperiermediums 13 in den zumindest einen Teilkreislauf 14 statt. Das zweite Temperiermedium 15 ist leichter als das erste Temperiermedium 13 und kann daher von dem ersten Temperiermedium 13 nach oben verdrängt werden. Das zweite Temperiermedium 15 ist in dem Reservoir 18 daher immer oberhalb des ersten Temperiermediums 13 angeordnet. Eine Öffnung des Reservoirs 18, welche in den Teilkreislauf 14 mündet, ist auf einer Oberseite des Reservoirs 18 angeordnet. Bei steigendem Pegel des ersten Temperiermediums 13 wird daher das in dem Reservoir 18 befindliche zweite Temperiermedium 15 in den Teilkreislauf 14 gedrückt. Das in dem Teilkreislauf 14 befindliche zweite Temperiermedium 15 wird wiederum über das Ventil 17 in den Hauptkreislauf 16 gedrückt (2, 3).
Des Weiteren weist das Kühlsystem 10 ein 3-Wege-Ventil 19 auf. Das 3-Wege-Ventil 19 ist zwischen dem Reservoir 18 und dem Hauptkreislauf 16 angeordnet. Das 3-Wege-Ventil 19 weist einen ersten Weg 20 auf, welcher direkt zu dem Reservoir 18 führt. Ferner weist das 3-Wege-Ventil 19 einen zweiten Weg 27 auf, welcher direkt in den Hauptkreislauf 16 mündet. Der zweite Weg 27 des 3-Wege-Ventils 19 mündet saugseitig der Pumpe 25 in den Hauptkreislauf 16. Der zweite Weg 27 des 3-Wege-Ventils 19 mündet daher auf einer Niederdruckseite der Pumpe 25 in den Hauptkreislauf 16. Der zweite Weg 27 des 3-Wege-Ventils 19 mündet zwischen der Kühlplatte 24 und der Pumpe 25 in den Hauptkreislauf 16. Des Weiteren weist das 3-Wege-Ventil 19 einen dritten Weg 28 auf, welcher direkt in den Hauptkreislauf 16 mündet. Der dritte Weg 28 des 3-Wege-Ventils 19 mündet druckseitig der Pumpe 25 in den Hauptkreislauf 16. Der dritte Weg 28 des 3-Wege-Ventils 19 mündet daher auf einer Hochdruckseite der Pumpe 25 in den Hauptkreislauf 16. Ferner weist das 3-Wege-Ventil 19 zwei Schaltstellungen auf. Ein Weg 20 des 3-Wege-Ventils 19, welcher direkt zu dem Reservoir 18 führt, ist in jeder Schaltstellung geöffnet. Der erste Weg 20 des zumindest einen 3-Wege-Ventils 19 ist in jeder Schaltstellung geöffnet. In einer ersten Schaltstellung des 3-Wege-Ventils 19 sind der erste Weg 20 und der zweite Weg 27 des 3-Wege-Ventils 19 geöffnet. In einer zweiten Schaltstellung des 3-Wege-Ventils 19 sind der erste Weg 20 und der dritte Weg 28 des 3-Wege-Ventils 19 geöffnet. Das 3-Wege-Ventil 19 ist über eine nicht weiter sichtbare Steuer- und Regeleinheit schaltbar (2, 3).
Ferner weist das Kühlsystem 10 ein weiteres, schaltbares Ventil 29 auf. Das Ventil 29 ist über die nicht weiter sichtbare Steuer- und Regeleinheit schaltbar. Das Ventil 29 wird insbesondere parallel zu dem 3-Wege-Ventil 19 geschalten. Befindet sich das 3-Wege-Ventil 19 in der ersten Schaltstellung, ist das weitere Ventil 29 geöffnet. Befindet sich das 3-Wege-Ventil 19 in der zweiten Schaltstellung, ist das weitere Ventil 29 geschlossen. Das weitere Ventil 29 ist in dem Hauptkreislauf 16 angeordnet. Das weitere Ventil 29 ist entlang der Zirkulationsrichtung 26 hinter der Einmündung des dritten Wegs 28 des 3-Wege-Ventils 19 und vor der Kühlplatte 24 angeordnet. Durch ein Schließen des weiteren Ventils 29 kann eine Pumpströmung der Pumpe 25 in das Reservoir 18 umgeleitet werden. In einem geöffneten Zustand des Ventils 29 findet bei einer aktivierten Pumpe 25 eine Zirkulation des ersten Temperiermediums 13 in dem Hauptkreislauf 16 statt (2, 3).
Das Kühlsystem 10 weist ferner eine thermische Einheit 30 auf. Die thermische Einheit 30 ist in dem Hauptkreislauf 16 angeordnet. Die thermische Einheit 30 ist dazu vorgesehen, eine Abkühlung des ersten Temperiermediums 13 zu bewirken. Die thermische Einheit 30 ist dazu vorgesehen, eine thermische Energie des ersten Temperiermediums 13, welche die thermische Einheit 30 durchströmt, insbesondere durch Wärmestrahlung an eine Umgebung abzugeben. Die thermische Einheit 30 ist von einem Radiator gebildet. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausbildung denkbar. Die thermische Einheit 30 ist entlang der Zirkulationsrichtung 26 direkt hinter dem weiteren Ventil 29 angeordnet (2, 3).
Das Kühlsystem 10 weist zwei Betriebszustände 31, 32 auf, welche abhängig von einem Zustand des Kraftfahrzeugs 11 von der nicht weiter sichtbaren Steuer- und Regeleinheit ausgeführt werden. 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einem Betrieb des Kühlsystems 10. Bei dem Verfahren werden abhängig von einem Zustand des Kraftfahrzeugs 11 die zwei Betriebszustände 31, 32 ausgeführt. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt 33 überprüft, ob sich das Kraftfahrzeug 11 in einem Fahrbetrieb befindet. Befindet sich das Kraftfahrzeug 11 in einem Fahrbetrieb, wird ein erster Betriebszustand 31 ausgeführt. Der Hauptkreislauf 16 des Kühlkreislaufs 12 ist in einem ersten Betriebszustand 31 dazu vorgesehen, vollständig von dem ersten Temperiermedium 13 durchströmt zu werden. Das erste Temperiermedium 13 zirkuliert in dem ersten Betriebszustand 31 in Zirkulationsrichtung 26 in dem Hauptkreislauf 16. Hierzu wird die Pumpe 25 aktiviert und abhängig von einer Steuer- und/oder Regelgröße der Steuer- und Regeleinheit kontinuierlich betrieben. Das erste Temperiermedium 13 wird in dem ersten Betriebszustand 31 von der Pumpe 25 durch den Hauptkreislauf 16 gepumpt. Ferner wird das 3-Wege-Ventil 19 für den ersten Betriebszustand 31 in eine erste Schaltstellung gebracht. Das 3-Wege-Ventil 19 befindet sich in dem ersten Betriebszustand 31 in einer ersten Schaltstellung. In der ersten Schaltstellung des 3-Wege-Ventils 19, insbesondere zu Beginn des ersten Betriebszustands 31, wird über die Pumpe 25 so lange das erste Temperiermedium 13 aus dem Reservoir 18 angesaugt, bis der Hauptkreislauf 16 vollständig mit dem ersten Temperiermedium 13 gefüllt ist. Anschließend bleibt der Pegel des ersten Temperiermediums 13 in dem Reservoir 18 konstant. Dieser Pegel definiert einen minimalen Pegel. Das weitere Ventil 29 ist in dem ersten Betriebszustand 31 geöffnet. Hierdurch kann das erste Temperiermedium 13 in dem Hauptkreislauf 16 zirkulieren. Ferner kann das erste Temperiermedium 13 durch die thermische Einheit 30 gefördert werden, um eine bei einer Kühlung der Batterie 22 aufgenommene Wärmeenergie abzugeben. Nach einer Abkühlung in der thermischen Einheit 30 wird das erste Temperiermedium 13 weiter in die Kühlplatte 24 gefördert, wo es eine Wärme der Batterie 22 aufnimmt und die Batterie 22 damit abkühlt. Der Prozess wird in dem ersten Betriebszustand 31 kontinuierlich durchgeführt. Wird das Kraftfahrzeug 11 nun abgestellt, wird in dem ersten Verfahrensschritt 33 festgestellt, dass sich das Kraftfahrzeug 11 nicht mehr in dem Fahrbetrieb befindet. Befindet sich das Kraftfahrzeug 11 nicht in einem Fahrbetrieb, wird ein zweiter Betriebszustand 32 ausgeführt. Der Hauptkreislauf 16 des Kühlkreislaufs 12 ist in einem zweiten Betriebszustand 32 dazu vorgesehen, zu einem wesentlichen Teil mit dem zweiten Temperiermedium 15 befüllt zu werden. Das 3-Wege-Ventil 19 wird für den zweiten Betriebszustand 32 in eine zweite Schaltstellung gebracht. Das 3-Wege-Ventil 19 befindet sich in dem zweiten Betriebszustand 32 in einer zweiten Schaltstellung. Ferner wird das weitere Ventil 29 in dem zweiten Betriebszustand 32 geschlossen. Ferner wird die Pumpe 25 zu Beginn des zweiten Betriebszustands 32 betrieben. Mittels der Pumpe 25 wird das erste Temperiermedium 13 über den dritten Weg 28 des 3-Wege-Ventils 19 in das Reservoir 18 gepumpt. Eine Zirkulation in dem Hauptkreislauf 16 ist durch das geschlossene, weitere Ventil 29 nicht möglich. Es wird ein Pegel des ersten Temperiermediums 13 in dem Reservoir 18 erhöht. Hierdurch wird das zweite Temperiermedium 15, welches sich in dem Reservoir 18 befindet, in den Teilkreislauf 14 gefördert und von dort in den Hauptkreislauf 16. In dem Hauptkreislauf 16 wird dadurch das erste Temperiermedium 13 teilweise abgepumpt und durch das zweite Temperiermedium 15 ersetzt. Hierdurch wird auch die Kühlplatte 24 zumindest teilweise mit dem zweiten Temperiermedium 15 gefüllt, welches vorteilhafte Isoliereigenschaften hat. Hat das erste Temperiermedium 13 in dem Reservoir 18 einen maximalen Pegel erreicht, wird die Pumpe 25 deaktiviert. Dadurch kann beispielsweise bei Nacht bei einem abgestellten Kraftfahrzeug 11 eine starke Abkühlung der Batterie 22 vermieden werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es vorteilhaft sein, das erste Temperiermedium 13 während des Nichtbetriebs in der Kühlplatte 24 zu halten, beispielsweise wenn die Batterie 22 bei ihrer maximalen Temperatur betrieben wurde und die Temperatur des ersten Temperiermediums 13 niedriger ist oder wenn die Umgebungstemperatur beim Erwärmen oder Kühlen vorteilhaft ist. Wird bei einem Start des Kraftfahrzeugs 11 von dem zweiten Betriebszustand 32 in den ersten Betriebszustand 31 gewechselt, wird das erste Temperiermedium 13 wieder teilweise aus dem Reservoir 18 abgepumpt, sodass das zweite Temperiermedium 15 wieder aus dem Hauptkreislauf 16 verdrängt wird. Das in dem Hauptkreislauf 16 befindliche zweite Temperiermedium 15 kann dann beispielsweise über das Ventil 17 oder das 3-Wege-Ventil 19 in den Teilkreislauf 14 und das Reservoir 18 zurückgelangen.
Bezugszeichenliste

10: Kühlsystem
11: Kraftfahrzeug
12: Kühlkreislauf
13: Temperiermedium
14: Teilkreislauf
15: Temperiermedium
16: Hauptkreislauf
17: Ventil
18: Reservoir
19: 3-Wege-Ventil
20: Weg
21: Antriebsrad
22: Batterie
23: Batteriezelle
24: Kühlplatte
25: Pumpe
26: Zirkulationsrichtung
27: Weg
28: Weg
29: Ventil
30: Einheit
31: Betriebszustand
32: Betriebszustand
33: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014201510 A1 [0002]
DE 10344018 A1 [0004]

Claims

Kühlsystem, insbesondere Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug (11), mit zumindest einem Kühlkreislauf (12), welcher zumindest ein erstes Temperiermedium (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkreislauf (12) geschlossen ausgebildet ist und zumindest einen Teilkreislauf (14) mit einem zweiten, von dem ersten Temperiermedium (13) verschiedenen Temperiermedium (15) aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teilkreislauf (14) des zumindest einen Kühlkreislaufs (12) frei von dem ersten Temperiermedium (13) ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkreislauf (12) einen Hauptkreislauf (16) umfasst, mit welchem der zumindest eine Teilkreislauf (14) gekoppelt ist.
Kühlsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zumindest ein Ventil (17), welches in einem Übergangsbereich von dem zumindest einen Teilkreislauf (14) in den Hauptkreislauf (16) angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, ein Gelangen des ersten Temperiermediums (13) in den zumindest einen Teilkreislauf (14) zu vermeiden.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Reservoir (18), welches zu einer Aufnahme des ersten Temperiermediums (13) und des zweiten Temperiermediums (15) vorgesehen ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein 3-Wege-Ventil (19), welches zwischen dem zumindest einen Reservoir (18) und dem Hauptkreislauf (16) angeordnet ist.
Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Weg (20) des zumindest einen 3-Wege-Ventils (19), welcher direkt zu dem zumindest einen Reservoir (18) führt, in jeder Schaltstellung geöffnet ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkreislauf (16) des Kühlkreislaufs (12) zumindest in einem ersten Betriebszustand (31) dazu vorgesehen ist, vollständig von dem ersten Temperiermedium (13) durchströmt zu werden.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkreislauf (16) des Kühlkreislaufs (12) zumindest in einem zweiten Betriebszustand (32) dazu vorgesehen ist, zumindest zu einem wesentlichen Teil mit dem zweiten Temperiermedium (15) befüllt zu werden.
Verfahren zu einem Betrieb des Kühlsystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.