DE102016015455A1 - Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens sowie Verfahren zum Betreiben eines Temperierungssystems für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens - Google Patents

Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens sowie Verfahren zum Betreiben eines Temperierungssystems für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens, mit einem ersten Kreislauf (1), in welchem ein Arbeitsmedium (2) zur Temperierung einer Batterie (3) des elektrischen Antriebs zirkuliert, und mit einer Heizeinrichtung, mittels welcher das Arbeitsmedium (2) im ersten Kreislauf (1) beheizbar ist, wobei die Heizeinrichtung einen zweiten Kreislauf (6) umfasst, in welchem zur Temperierung wenigstens eines Elektromotors (7) ein Arbeitsmedium (5) zirkuliert, durch welchen das Arbeitsmedium (2) des ersten Kreislaufs (1) über einen Wärmetauscher (4) beheizbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie eines elektrischen Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
  • Ein derartiges Temperierungssystem ist bereits aus der DE 10 2009 059 982 A1 bekannt und umfasst eine Vorrichtung zum Temperieren einer Stromquelle, insbesondere einer Batterie, eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine sowie einen Luft-Kältemittel-Wärmetauscher, in welchem ein Luftstrom gekühlt wird. Dieser Luftstrom wiederum kühlt einen Kühlmittelkreislauf mittels eines Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers, wobei dieser Kühlmittelkreislauf einer Batterie thermisch zugeordnet ist und dazu dient, Wärme aus der Batterie im Betrieb abzuführen. Darüber hinaus kann der Kühlmittelkreislauf einen Zuheizer aufweisen, welcher die Batterie auf Betriebstemperatur erwärmt. Dies kann insbesondere beim Starten des Kraftwagens sowie bei sehr tiefen Außentemperaturen nötig sein.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches energetisch optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie eines elektrischen Antriebs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Zur Schaffung eines energetisch optimierten Temperierungssystems für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens ist es erfindungsgemäß vorgesehen, ein erstes Arbeitsmedium in einem ersten Temperierungskreislauf einer Batterie mittels einer Heizeinrichtung zu beheizen. Diese Heizeinrichtung umfasst einen zweiten Kreislauf, in welchem zur Temperierung wenigstens eines Elektromotors ein zweites Arbeitsmedium zirkuliert, durch welchen das erste Arbeitsmedium des ersten Kreislaufs zur Temperierung der Batterie über einen Wärmetauscher beheizbar ist. Der zweite Kreislauf des zweiten Arbeitsmediums hat zur Aufgabe, Abwärme wenigstens eines Elektromotors abzuführen. Die Abwärme des Elektromotors kann entweder über einen zweiten Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben oder über den ersten Wärmetauscher an den ersten Kreislauf übertragen werden.
  • Im Unterschied zum bisher bekannten Stand der Technik, bei welchem die Batterie bei kalter Witterung zum schnellen Erreichen ihrer Betriebstemperatur mittels einer externen Wärmequelle, insbesondere einem elektrischen Heizer, erwärmt wird, wird nunmehr die Batterie mittelbar über die Abwärme des Elektromotors beheizt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die zum Anwärmen der Batterie benötigte Wärme nicht aus dem Energievorrat einer Fahrbatterie erzeugt werden muss und somit die Reichweite des Elektrofahrzeugs mit dem vorhandenen Energievorrat der Fahrbatterie erhöht werden kann. Des Weiteren kann durch diese Konstruktion die Abwärme der elektrischen Antriebskomponenten sinnvoll genutzt werden.
  • Des Weiteren hat die Verwendung eines Wärmetauschers zur indirekten Übertragung der Abwärme der Umrichter und der elektrischen Antriebsmotoren auf die Batterie den Vorteil, dass im Gegensatz zu einer Konstruktion, bei der hydraulische Verbindungen der Temperierungskreisläufe bestehen, keine aktiv anzusteuernden Ventile benötigt werden und die Arbeitsmittelkreisläufe getrennt bleiben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Heizeinrichtung zusätzlich einen Zuheizer, mittels welchem das erste Arbeitsmedium im ersten Kreislauf erwärmbar ist. Bei diesem Zuheizer kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Heizer handeln. In Fällen, in denen die Wärme des zweiten Arbeitsmediums aus dem zweiten Kreislauf nicht ausreicht, um die Batterie auf Betriebstemperatur anzuheizen, kann dieser Zuheizer genutzt werden, um die Batterie möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Es kann sich bei dem Heizer beispielsweise um einen HV-PTC-Heizer handeln.
  • Vorteilhafterweise kann der erste Kreislauf, welcher zur Temperierung der Batterie des elektrischen Antriebs installiert ist, über einen weiteren dritten Wärmetauscher mit einem Kühlmedium aus einem Kältekreislauf, welcher Bestandteil einer Kühleinrichtung ist, gekühlt werden. Die Wärme der Batterie kann entweder über den dritten Wärmetauscher über diesen Kältemittelkreislauf abgeführt werden oder alternativ über einen weiteren vierten Wärmetauscher, insbesondere als Luftkühler ausgeführt, an die Umgebung abgegeben werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Kühleinrichtung thermisch mit einer Klimatisierungseinrichtung zur Temperierung des Innenraums des Kraftwagens gekoppelt. Die aus dem ersten Kreislauf, welcher die Batterie kühlt, abgeführte Wärme kann somit genutzt werden, um den Fahrzeuginnenraum bei Bedarf zur erwärmen. Durch diese thermische Kopplung wird weniger Energie aus dem Energievorrat der Fahrbatterie benötigt, um den Innenraum des Fahrzeugs zu beheizen. Dies erhöht die Reichweite des Elektrofahrzeugs, die mit dem Energievorrat aus der Fahrbatterie möglich ist.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung, mittels welcher der erste Kreislauf beheizbar ist, abhängig von der Temperatur des Arbeitsmediums im zweiten Kreislauf steuerbar. Liegt die Temperatur des zweiten Arbeitsmediums im zweiten Kreislauf beispielsweise unter einer Grenztemperatur von 35°C, so kann das zweite Arbeitsmedium im zweiten Kreislauf mittels eines thermostatischen Ventils über den ersten Wärmetauscher im ersten Kreislauf geleitet werden und somit das erste Arbeitsmedium im ersten Kreislauf anheizen. Weist das zweite Arbeitsmedium im zweiten Kreislauf eine Temperatur über 35°C auf, so kann über das thermostatische Ventil das zweite Arbeitsmedium im zweiten Kreislauf über einen zweiten Wärmetauscher, beispielsweise einen Arbeitsmedium-Luft-Wärmetauscher, an die Umgebung gekühlt werden. Mit anderen Worten, solange das zweite Arbeitsmittel des zweiten Kreislaufs eine Temperatur unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur aufweist, wird der zweite Wärmetauscher, auch Kühler genannt, im zugehörigen zweiten Kreislauf bypassiert und die Abwärme über einen ersten Wärmetauscher an den ersten Arbeitsmittelkreislauf, welcher die Batterie kühlt oder auf Betriebstemperatur erwärmt, abgegeben.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die gesamte Wärme des zweiten Arbeitsmediums im zweiten Kreislauf über den ersten Wärmetauscher an das erste Arbeitsmedium im ersten Kreislauf übertragen werden. Die so von dem zweiten Kreislauf in den ersten Kreislauf verschobene Wärme kann über den dritten Wärmetauscher der Kühleinrichtung im ersten Kreislauf dem ersten Kreislauf wieder entnommen werden. Die überschüssige Wärme kann nun über die Kühleinrichtung mittels des Kältemittelkreislaufs und über weitere Wärmetauscher an den Innenraum des Fahrzeugs übertragen werden.
  • Die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Temperierungssystem genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren gemäß Patentanspruch 6. Dieses zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass der erste Kreislauf mittels eines Kältekreislaufs über einen dritten Wärmetauscher gekühlt wird. Vorteilhafterweise wird der Fahrzeuginnenraum mittels des Kältekreislaufs beheizt.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung beheizt der Kältekreislauf über wenigstens einen weiteren Wärmetauscher und mittels wenigstens eines weiteren Kreislaufs den Fahrzeuginnenraum. Die Einführung weiterer Zwischenkreisläufe hat den Vorteil, dass das Temperaturniveau der Beheizung des Fahrzeuginnenraums angepasst werden kann, ohne das Druckgefälle im Kältekreislauf zu sehr zu spreizen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung des Temperierungssystems für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens.
  • Die Fig. zeigt den ersten Kreislauf 1 mit dem ersten Arbeitsmedium 2 zur Temperierung einer Batterie 3 eines Elektrofahrzeugs. Die Batterie 3 bildet zusammen mit wenigstens einem Elektromotor 7 den elektrischen Antrieb des Elektrofahrzeugs. Sowohl die Batterie 3 als auch der wenigstens eine Elektromotor 7 müssen über Arbeitsmittel-Kreisläufe temperiert werden. Die Temperierung der Batterie 3 erfolgt mittels eines ersten Kreislaufs 1, wohingegen die Temperierung des wenigstens einen Elektromotors 7 über einen Kreislauf 6 stattfindet.
  • Der erste Kreislauf 1 umfasst ebenfalls einen ersten Wärmetauscher 4, welcher von einem zweiten Arbeitsmedium 5 durchströmt wird. Das zweite Arbeitsmedium 5 zirkuliert im zweiten Kreislauf 6. Dieser zweite Kreislauf 6 umfasst ebenfalls wenigstens einen Elektromotor 7 sowie weitere zu kühlende Gerätschaften, wie beispielsweise dem Elektromotor 7 zuordenbare Umrichter 8. Das zweite Arbeitsmedium 5 zirkuliert im zweiten Kreislauf 6 und nimmt dabei die Wärme der Elektromotoren 7 sowie der Umrichter 8 auf und gibt diese über den ersten Wärmetauscher 4 an das erste Arbeitsmedium 2 im Kreislauf 1 ab. Alternativ kann die Wärme aus dem Kreislauf 6 über einen zweiten Wärmetauscher 9 an die Umgebung abgegeben werden.
  • Dem ersten Kreislauf 1 kann sowohl über den ersten Wärmetauscher 4 Wärme zugeführt werden als auch über einen Zuheizer 10, der ebenfalls in dem Kreislauf 1 angeordnet ist. Bei diesem Zuheizer 10 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Zuheizer handeln.
  • Neben der den ersten Wärmetauscher 4 und den Zuheizer 10 umfassenden Heizeinrichtung zur Erwärmung der Batterie 3 auf Betriebstemperatur enthält der erste Kreislauf 1 auch eine Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung weist mindestens einen Wärmetauscher, typischerweise wenigstens zwei voneinander verschiedene Wärmetauscher auf. In der dargestellten Ausführungsform weist die Kühleinrichtung einen vierten Wärmetauscher 11 und einen dritten Wärmetauscher 12 auf. Muss die Batterie 3 gekühlt werden, so kann beispielsweise über den vierten Wärmetauscher 11 Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Alternativ kann Wärme über den dritten Wärmetauscher 12 an einen Kältemittelkreislauf 13 abgegeben werden. Dieser Kältemittelkreislauf 13 kann die aufgenommene Wärme aus dem ersten Kreislauf 1 beispielsweise über einen Kondensator 14 an einen weiteren Kreislauf 15 abgeben.
  • Der Kältemittelkreislauf 13 umfasst neben dem Verdampfer 12 einen weiteren Verdampfer 16. Bei Bedarf kann über diesen Verdampfer 16 Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum abgeführt werden. Die Wärme, die über den Verdampfer 16 aus dem Fahrzeuginnenraum aufgenommen wird, kann über den Kondensator 14 an den Kreislauf 15 übertragen werden. Zur Verbesserung der Wärmeintegration enthält der Kreislauf 13 einen internen Wärmetauscher 17.
  • Der Kreislauf 15 nimmt über den Wärmetauscher 14 Wärme aus dem Kreislauf 13 auf und kann diese entweder über den Wärmetauscher 18 an den Innenraum des Fahrzeugs abgeben oder über den Wärmetauscher 11 an die Umgebung. In dieser beispielhaften Ausgestaltung des Temperierungssystems kann sowohl der erste Kreislauf 1 als auch der Kreislauf 15 über den Wärmetauscher 11 Wärme an die Umgebung abgeben. Dies funktioniert, da die beiden Kreisläufe über die Schnittstellen 19 hydraulisch gekoppelt sind. Über den Wärme aufnehmenden Wärmetauscher 16 und den Wärme abgebenden Wärmetauscher 18, welche thermisch mit dem Innenraum des Fahrzeugs gekoppelt sind, kann die Temperatur im Innenraum des Fahrzeugs gesteuert werden.
  • Mit anderen Worten, den Kern des Temperierungssystems, welches in der Fig. abgebildet ist, bildet der Kreislauf 1 mit dem Arbeitsmittel 2. Über den Wärmetauscher 4 sowie den Zuheizer 10 kann dem Kreislauf Wärme zugeführt werden. Dies ist nötig, um die Batterie 3 auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Über den Wärmetauscher 12 kann die im Betrieb abzuführende Wärme der Batterie 3 über den Kreislauf 13 abgeführt werden und bei Bedarf dem Fahrzeuginnenraum über den Kreislauf 15 mit dem Wärmetauscher 18 zugeführt werden. Der Aufbau dieses Systems bietet die Möglichkeit, die Abwärme der Elektromotoren 7 und der Umschaltrichter 8 in den Kreislauf 1 zu integrieren, damit weniger elektrische Leistung für die Zuheizer 10 zum Erwärmen der Batterie 3 auf Betriebstemperatur benötigt wird. Dies senkt die für die Batterie 3 zur Temperierung benötigte elektrische Leistung. Die nun nicht mehr zur Temperierung der Batterie benötigte elektrische Leistung kann stattdessen genutzt werden, um die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen. Die Einbindung der Abwärme des Elektromotors 7 und der Umrichter 8 kann auch in Abhängigkeit der Temperatur des Arbeitsmittels 5 im Kreislauf 6 erfolgen. Solange das Arbeitsmedium 5 des zweiten Kreislaufs 6 noch unterhalb einer Grenztemperatur ist (zum Beispiel 35°C), wird der Wärmetauscher 9 zur schnelleren Aufwärmung des Kreislaufs 1 mittels eines thermostatischen Ventils bypassiert und die Abwärme über einen Wärmetauscher 4 (zum Beispiel einen Plattenwärmetauscher) dem ersten Kreislauf 1 und somit der Batterie 3 zugeführt. Die Abwärme der Umrichter 8 und der elektrischen Antriebsmotoren 7 dient somit zur Anwärmung der Batterie 3. Vorteil dieser Ausführung ist, dass keine aktiv anzusteuernden Ventile benötigt werden und die getrennten Kreisläufe 6 und 1 nicht hydraulisch verbunden sind. Daher gibt es keine Probleme bei der Ansteuerung sowie der Verteilung der Arbeitsmedienströme.
  • Vom zweiten Kreislauf 6 kann mittels des Wärmetauschers 12 auch mindestens ein Teilstrom der Wärme über die Wärmepumpenfunktion eines Kältekreislaufs 13 dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009059982 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Temperierungssystem für einen elektrischen Antrieb eines Kraftwagens, mit einem ersten Kreislauf (1), in welchem ein Arbeitsmedium (2) zur Temperierung einer Batterie (3) des elektrischen Antriebs zirkuliert, und mit einer Heizeinrichtung, mittels welcher das Arbeitsmedium (2) im ersten Kreislauf (1) beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen zweiten Kreislauf (6) umfasst, in welchem zur Temperierung wenigstens eines Elektromotors (7) ein Arbeitsmedium (5) zirkuliert, durch welchen das Arbeitsmedium (2) des ersten Kreislaufs (1) über einen Wärmetauscher (4) beheizbar ist.
  2. Temperierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zusätzlich einen Zuheizer (10) umfasst, mittels welchem das Arbeitsmedium (2) im ersten Kreislauf (1) erwärmbar ist.
  3. Temperierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung mit einem Kältekreislauf (13) vorgesehen ist, mittels welchem der erste Kreislauf (1) zur Temperierung der Batterie (3) des elektrischen Antriebs kühlbar ist.
  4. Temperierungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung thermisch mit einer Klimatisierungseinrichtung zur Temperierung des Innenraums des Kraftwagens gekoppelt ist.
  5. Temperierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung, mittels welcher der erste Kreislauf (1) beheizbar ist, abhängig von der Temperatur des zweiten Kreislaufs (6) steuerbar ist.
  6. Verfahren zur Temperierung einer Batterie (3) eines elektrischen Antriebs, bei welchem ein Arbeitsmedium (2) zur Temperierung der Batterie (3) des elektrischen Antriebs in einem ersten Kreislauf (1) mittels einer Heizeinrichtung beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizeinrichtung das Arbeitsmedium (2) des ersten Kreislaufs (1) mittels eines zweiten Kreislaufes (6), in welchem zur Temperierung wenigstens eines Elektromotors (7) ein Arbeitsmedium (5) zirkuliert, über einen Wärmetauscher (4) beheizt wird.
  7. Verfahren zur Temperierung einer Batterie (3) eines elektrischen Antriebs nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (1) mittels eines Kältekreislaufs (13) über einen Wärmetauscher (12) gekühlt wird.
  8. Verfahren zur Temperierung einer Batterie (3) eines elektrischen Antriebs nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kältekreislaufs (13) der Fahrzeuginnenraum beheizt wird.
  9. Verfahren zur Temperierung einer Batterie (3) eines elektrischen Antriebs nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf (13) über wenigstens einen weiteren Wärmetauscher (14, 18) und mittels wenigstens eines weiteren Kreislaufs (15) den Fahrzeuginnenraum beheizt.
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