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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, ein Steuergerät, ein Kühlsystem und ein Fahrzeug damit. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung für ein Steuergerät, ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, ein Kühlsystem zum Kühlen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils mit jeweiligen thermischen Zeitcharakteristiken, und ein Fahrzeug mit der Kühlvorrichtung und/oder dem Steuergerät und/oder dem Kühlsystem.
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Im Fahrzeug wird die Kältemittelanlage der Fahrzeug-Innenraumklimatisierung immer häufiger verwendet, um thermisch kritische Bauteile zu kühlen. Als Beispiel ist es aus der
DE 10 2009 004543 A1 bekannt, den Hochvolt-Speicher eines Kraftfahrzeugs mittels der Kältemittelanlage der Fahrzeug-Innenklimatisierung zu kühlen. Die Bauteile werden dabei direkt oder indirekt über Kältemittel gekühlt. Das Temperaturniveau der Zellen des Hochvoltspeichers liegt durch die Kühlung typischerweise bei 25 bis 40°C. Die Kälteleistung liegt üblicherweise zwischen 1 und 2 kW.
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Darüber hinaus gibt es weitere Steuergeräte, besonders die Steuergeräte des elektrischen Antriebsstrangs, welche gekühlt werden müssen. Das Temperaturniveau der Steuergeräte liegt typischerweise bei etwa 70°C. Die Kühlleistung liegt typischerweise zwischen 100 und 200 W. Diese Kühlung erfolgt häufig über eine Flüssigkeitskühlung, wobei die Außenluft die Flüssigkeit kühlt, und die Flüssigkeit das Steuergerät kühlt.
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Bei der Auslegung neuer Architekturen werden vorzugsweise Steuergeräte, wie zum Beispiel DC/DC-Wandler, mit Kühlbedarf zum Beispiel im Hochvoltspeicher positioniert. In dem Fall ist es bekannt, die Zellen des Hochvoltspeichers und das Steuergerät mit derselben Kühlung (z.B. Kältemittel oder Flüssigkeit) zu versehen. Dabei besteht jedoch das Problem, dass wegen der unterschiedlichen thermischen Massen und der Verlust-Energiedichte die Zellen und die Steuergeräte unterschiedliche thermische Zeitkonstanten aufweisen. Das bedeutet, dass zum Zwecke der Kühlung der Steuergeräte sehr häufig eine energieaufwändige Kühlung aktiviert wird. Deswegen erfolgt eine Umsetzung der Kombinationskühlung derzeit nicht. Die Kühlung der Zellen und großen Steuergeräte ist aufwändig und bauraumintensiv hinsichtlich Verschlauchung/Verrohrung, Funktionen, Abstimmung etc. Eine Kühlungs-Dopplung ist somit auch sehr kostenintensiv.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kühlvorrichtung, ein Steuergerät, ein Kühlsystem und ein Fahrzeug damit bereitzustellen, welche im Hinblick auf die vorstehend genannten technischen Problemstellungen im Stand der Technik verbessert sind. Teilaufgaben der Erfindung betreffen eine Kühlung eines Steuergeräts für ein Kraftfahrzeug, das einen weniger häufigen Kühleingriff erfordert. Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, eine Kühlung von Bauteilen unterschiedlicher thermischer Massen und Verlust-Energiedichten durch ein gemeinsames Wärmeträgermedium zu verbessern.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird wenigstens in Teilaspekten gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 5, ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Dabei gelten Merkmale und Einzelheiten, die im Zusammenhang mit einem Gesichtspunkt der Erfindung beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit jedem anderen Gesichtspunkt der Erfindung sowie jeweils umgekehrt und wechselweise, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die thermischen Zeitkonstanten bzw. allgemeiner die thermischen Zeitcharakteristiken der zu kühlenden Bauteile, beispielsweise im Fall eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeugs der Zellen einerseits und des Steuergeräts bzw. der Leistungselektronik andererseits, wenigstens teilweise mit Hilfe eines Phasenwechselmaterials zu verändern, d.h., wenigstens teilweise thermisch träger zu machen oder sogar so aneinander anzupassen, dass sie über einen gemeinsamen Regelzyklus gekühlt werden können. Phasenwechselmaterialien (auch engl. als Phase Change Materials (PCM) bezeichnet) sind grundsätzlich als Latentwärmespeicher bekannt. Funktionsweise und Anwendungsbeispiele können beispielsweise https://de.wikipedia.org unter dem Schlagwort "Latentwärmespeicher" entnommen werden.
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Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Steuereinheit für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die Kühlvorrichtung ein durch ein Wärmeträgermedium durchströmbares Kühlelement sowie einen Latentwärmespeicher, der mit der Steuereinheit einerseits und dem Kühlelement andererseits thermisch gekoppelt bzw. koppelbar ist, aufweist.
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Eine Steuereinheit kann insbesondere, aber nicht nur, eine Leistungselektronik, einen Wandler, insbesondere DC/DC-Wandler, ein Steuergerät oder dergleichen aufweisen und kann insbesondere, aber nicht nur, zur Steuerung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs vorgesehen sein. Das Wärmeträgermedium kann ein Kältemittel, welches mittels eines Expansionsorgans wie etwa eines Expansionsventils expandierbar ist, oder eine Kühlflüssigkeit wie etwa Kühlwasser sein. Das Kühlelement ist insbesondere als Wärmetauscher, der Wärme aufnehmen und an das Wärmeträgermedium abgeben kann, ausgebildet. Das Kühlelement kann insbesondere, aber nicht nur, an einen Kühlmittelbereitstellungskreis für eine Fahrzeuginnenraumklimatisierung angeschlossen bzw. anschließbar sein. Der Kühlmittelbereitstellungskreis liefert bzw. zirkuliert das Wärmeträgermedium, das auch als Kühlmittel bezeichnet werden kann. Dabei kann das Kühlmittel ein Kältemittel oder eine Kühlflüssigkeit sein. In der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Latentwärmespeicher in der Lage, Wärme mit der Steuereinheit auszutauschen, auch wenn die Kältemittel- oder Flüssigkeitskühlung für den Latentwärmespeicher nicht aktiviert ist. Daher kann auch die Häufigkeit der Kühlanforderung merklich reduziert und damit auch die Energieeffizienz gesteigert werden.
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Gemäß einem zweiten Erfindungsgesichtspunkt wird ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches einen Latentwärmespeicher aufweist. Der Latentwärmespeicher ist mit Wärme erzeugenden oder Wärme leitenden Abschnitten des Steuergeräts thermisch gekoppelt. Damit ist der Latentwärmespeicher in der Lage, Wärme mit dem Steuergerät auszutauschen. Daher ist eine thermische Zeitcharakteristik bzw. Zeitkonstante des Steuergeräts träger als ohne Latentwärmespeicher. Deshalb kann auch die Häufigkeit einer Kühlanforderung für das Steuergerät an eine aktive Kühlung merklich reduziert und damit auch die Energieeffizienz gesteigert werden.
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Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem zum Kühlen eines ersten Bauteils, welches eine erste thermische Zeitcharakteristik aufweist, und eines zweiten Bauteils, welches eine zweite thermische Zeitcharakteristik, aufweist, vorgeschlagen. Die zweite thermische Zeitcharakteristik ist insbesondere steiler als die erste thermische Zeitcharakteristik, und eine zweite zulässige Maximaltemperatur des zweiten Bauteils wird insbesondere erreicht, bevor eine erste zulässige Maximaltemperatur des ersten Bauteils erreicht wird. Das Kühlsystem weist eine mit einem Kühlmittelbereitstellungskreis verbundene bzw. verbindbare erste Kühlvorrichtung zum Kühlen des ersten Bauteils mittels eines Wärmeträgermediums und eine mit dem Kühlmittelbereitstellungskreis verbundene bzw. verbindbare zweite Kühlvorrichtung zum Kühlen des zweiten Bauteils mittels des Wärmeträgermediums auf. Die zweite Kühlvorrichtung weist ein mit dem Kühlmittelbereitstellungskreis verbundenes bzw. verbindbares Kühlelement und einen Latentwärmespeicher, der mit dem Kühlelement und dem zweiten Bauteil thermisch gekoppelt ist, auf. Die Verbindung bzw. Verbindbarkeit mit dem Kühlmittelbereitstellungskreis ist erfindungsgemäß in dem Sinne zu verstehen, dass ein Wärmeträgermedium von und zu dem Kühlmittelbereitstellungskreis zur Kühlung transportierbar ist. Dies kann in an sich bekannter Weise durch eine Kühlungsperipherie wie etwa Rohre, Schläuche, Ventile, Fittings etc. bewerkstelligt werden.
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Eine thermische Zeitcharakteristik ist im Sinne der Erfindung ein Maß bzw. eine Beschreibung für eine zeitliche Änderung einer Temperatur, insbesondere unter einer vorgegebenen thermischen Belastung oder Entlastung. Im Idealfall ist die thermische Zeitcharakteristik eine thermische Zeitkonstante, d.h., die Temperatur ändert sich bei konstanter Wärmezufuhr linear mit der Zeit. Die zeitliche Änderung der Temperatur kann aber auch von der Temperatur selbst abhängig sein. Der Latentwärmespeicher weist vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial (PCM) auf. Das Wärmeträgermedium kann erfindungsgemäß sowohl das erste Bauteil als auch den mit dem zweiten Bauteil thermisch gekoppelten Latentwärmespeicher kühlen. Daher ist der Latentwärmespeicher in der Lage, Wärme mit dem zweiten Bauteil auszutauschen, auch wenn die Kältemittel- oder Flüssigkeitskühlung für den Latentwärmespeicher nicht aktiviert ist. Durch den Latentwärmespeicher wird die thermische Zeitcharakteristik des zweiten Bauteils träger und nähert sich dem ersten Bauteil an. Eine gemeinsame Kühlungsperipherie für das erste Bauteil und das zweite Bauteil ist vorteilhaft; so können ein erster Kühlkreis des ersten Bauteils und ein zweiter Kühlkreis des zweiten Bauteils an dem Kühlmittelbereitstellungskreis angeschlossen sein. Der erste Kühlkreis und der zweite Kühlkreis können parallel oder seriell mit dem Kühlmittelbereitstellungskreis verbunden sein.
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Vorzugsweise ist eine dritte thermische Zeitcharakteristik, die das mit dem Latentwärmespeicher thermisch gekoppelte zweite Bauteil annimmt, der ersten thermischen Zeitcharakteristik des ersten Bauteils angepasst. Dies kann durch entsprechende Auslegung des Latentwärmespeichers erreicht werden. Die dritte thermische Zeitcharakteristik kann insbesondere so an die erste thermische Zeitcharakteristik angepasst sein, dass das zweite Bauteil gemäß der dritten thermischen Zeitcharakteristik eine zweite vorgegebene Maximaltemperatur dann oder im Wesentlichen dann erreicht, wenn das erste Bauteil gemäß der ersten thermischen Zeitcharakteristik eine erste vorgegebene Maximaltemperatur erreicht. Mit anderen Worten, das erste Bauteil und das zweite Bauteil erreichen aufgrund des Latentwärmespeichers ihre jeweiligen Maximaltemperaturen gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig.
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Die erste Kühlvorrichtung und die zweite Kühlvorrichtung können seriell mit dem Kühlmittelbereitstellungskreis verbunden sein. In diesem Fall ist eine gemeinsame Steuerung des Kühlmitteldurchflusses möglich, und der materielle Aufwand wie auch die Steuerungskomplexität können verringert sein. Alternativ können die erste Kühlvorrichtung und die zweite Kühlvorrichtung parallel mit dem Kühlmittelbereitstellungskreis verbunden sein. In diesem Fall kann eine individuelle Steuerung der Kühlung des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils einfacher sein, insbesondere wenn beide Kühlvorrichtungen mit separaten Steuerelementen wie etwa Ventilen oder dergleichen ausgestattet sind.
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Vorzugsweise weist das erste Bauteil eine Batteriezellenanordnung, genauer gesagt, einen Zellenstapel eines Hochvoltspeichers einer Energieversorgungseinheit eines Kraftfahrzeugs, etwa eines PKW, LKW oder Kraftrads, auf. Vorzugsweise weist das zweite Bauteil ein Steuergerät, insbesondere eine Leistungselektronik wie etwa ein DC/DC-Wandler, oder dergleichen auf und ist vorzugsweise dem elektrischen Antriebsstrang des Fahrzeugs zugeordnet. Der Kühlmittelbereitstellungskreis kann eine Wärmetauscheranlage einer Fahrzeugklimaanlage aufweisen. Eine bauliche Vereinigung des Hochvoltspeichers und des Steuergeräts können somit vorteilhaft mit einer gemeinsamen Kühlung verbunden werden. Der Verrohrungs-/Verschlauchungsaufwand kann gering gehalten werden. Zudem kann das Temperaturniveau, auf dem das Steuergerät gehalten wird, auch geringer gehalten werden als die etwa 70°C, welche mit einer nicht gekoppelten Lösung entstehen würden.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich gemäß einem vierten Erfindungsgesichtspunkt auch auf ein Kraftfahrzeug mit der Kühlvorrichtung des ersten Erfindungsgesichtspunkts oder dem Steuergerät des zweiten Erfindungsgesichtspunkts oder dem Kühlsystem des dritten Erfindungsgesichtspunkts.
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Weitere Merkmale, Aufgaben und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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In den Zeichnungen zeigt bzw. zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaubild eines thermischen Systems mit einem Kühlsystem nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 ein schematisches Diagramm, welches thermische Zeitcharakteristiken einer Leistungselektronik und einer Batteriezellenanordnung in dem thermischen System von 1 darstellt,
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3 ein schematisches Diagramm, welches Temperaturverläufe einer Leistungselektronik und einer Batteriezellenanordnung in dem thermischen System von 1 darstellt,
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4 ein schematisches Diagramm, welches Temperaturverläufe einer Leistungselektronik und eines Latentwärmespeichers in dem thermischen System von 1 darstellt,
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5 ein schematisches Blockschaubild eines thermischen Systems mit einem Kühlsystem nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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6 ein schematisches Blockschaubild eines thermischen Systems mit einem Kühlsystem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Dabei sind gleiche Bauteile in mehreren Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bauelemente und Merkmale, Zwecke und Wirkungen, die in Bezug auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden, sind, soweit nicht ausdrücklich oder ersichtlich ausgeschlossen, als in jedem anderen Ausführungsbeispiel anwendbar anzunehmen und sollen auch in Bezug auf das jeweils andere Ausführungsbeispiel als offenbart gelten, auch wenn sie dort nicht ausdrücklich gezeigt und/oder beschrieben werden. Es versteht sich ferner, dass die Zeichnungen als schematisch zu verstehen sind und ihnen keine Einschränkungen im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Größenverhältnisse entnommen werden sollen, es sei denn, dies wäre ausdrücklich so beschrieben.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaubild eines thermischen Systems mit einem Kühlsystem nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Das in 1 gezeigte thermische System weist einen Kühlmittelbereitstellungskreis 2 mit einer Kühlmittelbereitstellungsvorrichtung 4, einem Klimagerät 6, einem Vorlauf 8, einem Rücklauf 10, einem Vorlaufabzweig 12 und einem Rücklaufabzweig 14 sowie eine Energiespeicheranordnung bzw. Batterieanlage 16 auf. Der gesamte Kühlmittelbereitstellungskreis 2 arbeitet mit einem Wärmeträgermedium, das ein Kältemittel oder eine Kühlflüssigkeit sein kann. Der Vorlauf 8 verbindet eine Druckseite der Kühlmittelbereitstellungsvorrichtung 4 mit einer Vorlaufseite des Klimagerät 6, und der Rücklauf 10 verbindet eine Rücklaufseite des Klimagerät 6 mit einer Saugseite der Kühlmittelbereitstellungsvorrichtung 4. Das Klimagerät 6 weist in an sich bekannter Weise einen Wärmetauscher und einen Walzenlüfter sowie Steuermittel und andere Einrichtungen auf, die hier nicht weiter erläutert werden müssen. Die Kühlmittelbereitstellungsvorrichtung 4 kann in an sich bekannter Weise einen Kompressor, einen Kondensator ("Kühler") mit Lüfter, einen Filtertrockner mit Druckschalter etc. aufweisen, was hier nicht weiter erläutert werden muss. Der Vorlaufabzweig 12 zweigt von dem Vorlauf 8 ab und führt zu der Batterieanlage 16 (genauer zu einer Leistungskühlung 46, die weiter unten genauer beschrieben wird). Der Rücklaufabzweig 14 führt von der Batterieanlage 16 (genauer von einer Zellenkühlung 24, die weiter unten genauer beschrieben wird) weg und mündet in den Rücklauf 10.
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Wie in 1 gezeigt, weist die Batterieanlage 16 einen Hochvoltspeicher 18 und eine DC/DC-Leistungselektronik 20, die auch als Steuergerät bezeichnet wird, auf. Der Hochvoltspeicher 18 weist einen Zellenstapel 22, der mittels einer Zellenkühlung 24 kühlbar ist, und weitere Bauelemente wie etwa eine Speicher-Management-Elektronik (SME) 26, eine Schütz-Box (S-Box) 28 etc. auf. Der Zellenstapel 22 weist gemäß der Darstellung in 1 eine Anzahl n von Batteriezellen 30-1, ..., 30-n auf, wobei die erste Batteriezelle 30-1 einen ersten Anschlusspol 32 zur Abnahme eines ersten Potentials aufweist und die zweite Batteriezelle 30-n einen zweiten Anschlusspol 32 zur Abnahme eines zweiten Potentials aufweist, sowie eine Sensorik bzw. Signalisierung 36 mit einem Niedervoltanschluss bzw. Signalanschluss 38 auf. Batteriezellen 30-1, ..., 30-n sind in an sich bekannter, geeigneter Weise miteinander verbunden, um den gewünschten Potentialunterschied zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential zu verwirklichen. Die Zellenkühlung 24 weist eine in thermischer Kopplung mit dem Zellenstapel angeordnete Kühlplatte 40 auf, die von Kühlkanälen durchzogen ist und somit als Wärmetauscher arbeitet und die optional auch Kühlrippen zur konvektiven Wärmeabgabe aufweisen kann. Ein Aufbau der Kühlplatte 40 ist an sich wohlbekannt und muss hier nicht näher erläutert werden. Im Sinne eines Gesichtspunkts der Erfindung ist der Zellenstapel 22 ein erstes Bauteil und ist die Zellenkühlung 24 eine erste Kühlvorrichtung. Auch wenn hier zur Vereinfachung nur ein einziger Zellenstapel 22 gezeigt ist, kann der Hochvoltspeicher 18 auch mehrere Zellenstapel 22, die gemeinsam oder separat gekühlt werden, aufweisen.
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Die Leistungselektronik 20 ist mittels einer Leistungskühlung 46 kühlbar. Die Leistungskühlung weist einen Latentwärmespeicher 48 mit einem Phasenwechselmaterial und ein Kühlelement 50, das als Wärmetauscher mit dem Wärmeträgermedium des Kühlmittelbereitstellungskreises 2 arbeitet, auf. Ein Eingang des Kühlelements 50 ist über ein Ventil 42 mit dem Vorlaufabzweig 12 des Kühlmittelbereitstellungskreises 2 verbunden. Das Ventil 42 weist einen Signalanschluss 44 auf. Ein Ausgang des Kühlelements 50 ist über eine Verbindungsleitung 52 mit einem Eingang der Kühlplatte 40 der Zellenkühlung 24 verbunden. Ein Ausgang der Zellenkühlung 24 führt über den Rücklaufabzweig 14 zurück in den Kühlmittelbereitstellungskreis 2. Die Leistungselektronik 20 weist ferner eine Sensorik/Signalisierung 54 mit einem Niedervoltanschluss (Signalanschluss) 56 auf. Im Sinne von Gesichtspunkten der Erfindung ist die Leistungselektronik 20 ein zweites Bauteil bzw. ein Steuergerät oder eine Steuereinheit und ist die Leistungskühlung 46 eine zweite Kühlvorrichtung bzw. ein Kühlvorrichtung. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Leistungselektronik 20 mit dem Hochvoltspeicher 18 in einer Baueinheit, der Batterieanlage 16, zusammengefasst ist. Die Leistungselektronik 20 weist aber im Allgemeinen eine Steuerungsaufgabe abseits des Hochvoltspeichers 18, beispielsweise bezüglich eines elektrischen Antriebsstrangs, auf.
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Sofern die Kühlmittelbereitungsvorrichtung 4 einer Kältemittelanlage entspricht, kann das Ventil 42 ein Expansionventil sein. Bei einer Kühlmittelkühlung bzw. Flüssigkeitskühlung kann das Ventil 42 ein Absperrventil sein. Im letzteren Fall kann das Ventil 42 wahlweise im Vorlaufabzweig 12, in der Verbindungsleitung 52 oder im Rücklaufabzweig 14 angeordnet sein.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm, welches thermische Zeitcharakteristiken der Leistungselektronik 20 und der Batteriezellenanordnung 22 in dem thermischen System von 1 darstellt, wobei eine thermische Zeitcharakteristik ein Verhalten eines Bauteils im Sinne eines ohne jedwede Kühlung gedachten Verlaufs einer Temperatur T des Bauteils über die Zeit t bei einer dem Bauteil eigenen Wärmeentwicklung ist. Genauer gesagt stellt in 2 eine gestrichelte Kurve C1 eine erste thermische Zeitcharakteristik, die ein Verhalten des Zellenstapels 22 von 1 wiedergibt, dar und stellt eine gepunktete Kurve C2 eine zweite thermische Zeitcharakteristik, die ein Verhalten der Leistungselektronik 20 von 1 wiedergibt, dar. Für die Zwecke der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung wird hier davon ausgegangen, dass die erste thermische Zeitcharakteristik C1 und die zweite thermische Zeitcharakteristik C2 jeweils Geraden sind, d.h., dass die Temperatur des Zellenstapels 22 und der Leistungselektronik 20 ohne Kühlung jeweils linear mit der Zeit t ansteigen würden. Mit anderen Worten, die erste thermische Zeitcharakteristik C1 und die zweite thermische Zeitcharakteristik C2 können auch jeweils als thermische Zeitkonstanten ausgedrückt werden. Die thermischen Zeitcharakteristiken C1 und C2 hängen im Wesentlichen von einer durch den Zellenstapel 22 bzw. die Leistungselektronik 20 erzeugten Wärmemenge je Zeiteinheit, deren jeweiligen Wärmekapazität und deren passiven Wärmeabgabe je Zeiteinheit beispielsweise durch Strahlung, Konvektion und Ableitung an die Karosserie ab, wobei alle diese Einflüsse als eine gesamte Wärmeüberschussleistung je Zeiteinheit zusammengefasst werden können. Wie in 2 gezeigt, weist die erste thermische Zeitcharakteristik C1 des Zellenstapels 22 eine geringere Steigung als die zweite thermische Zeitcharakteristik C2 auf.
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In 2 sind auch eine maximal zulässige Temperatur T1max des Zellenstapels 22 (erste Maximaltemperatur) und eine maximal zulässige Temperatur T2max der Leistungselektronik 20 (zweite Maximaltemperatur) als waagerechte Linien wiedergegeben und an der Temperaturachse T gekennzeichnet. In einem konkreten Auslegungsfall kann die erste Maximaltemperatur T1max des Zellenstapels 22 beispielsweise bei 25 bis 40°C liegen und kann die zweite Maximaltemperatur T2max der Leistungselektronik 20 bei etwa 70°C liegen. Es kann gesehen werden, dass die erste Maximaltemperatur T1max des Zellenstapels 22 durch die zugehörige thermische Zeitcharakteristik C1 in einem ersten Schnittpunkt P1 erreicht wird, was einer Zeit t1 auf der Zeitachse t entspricht. Gleichermaßen kann gesehen werden, dass die zweite Maximaltemperatur T2max der Leistungselektronik 20 durch die zugehörige thermische Zeitcharakteristik C2 in einem zweiten Schnittpunkt P2 erreicht wird, was einer Zeit t2 entspricht, wobei die Zeit t2 auf der Zeitachse t vor der Zeit t1 liegt. D.h., ohne weitere Kühlung wird die zweite Maximaltemperatur T2max durch die Leistungselektronik 20 eher erreicht als die erste Maximaltemperatur T1max durch den Zellenstapel 22.
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3 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Temperaturverlauf T1(t) der Batteriezellenanordnung 22 und einen Temperaturverlauf T2(t) der Leistungselektronik 20 in dem thermischen System von 1 bei individueller zyklischer Kühlung darstellt. Wie in 3 gesehen, verläuft die Temperatur T1(t) des Zellenstapels 22 zwischen einer ersten Minimaltemperatur T1min und der ersten Maximaltemperatur T1max und verläuft die Temperatur T2(t) der Leistungselektronik 20 zwischen einer zweiten Minimaltemperatur T2min und der zweiten Maximaltemperatur T2max. Dabei wird angenommen, dass eine aktive Kühlung jeweils bei Erreichen der ersten bzw. zweiten Maximaltemperatur T1max bzw. T2max einsetzt und bei Erreichen der ersten bzw. zweiten Minimaltemperatur T1min bzw. T2min unterbrochen wird. Wie es anhand der thermischen Zeitcharakteristiken C1 und C2 in 2 zu erwarten ist, weist der Regelungszyklus der zweiten Temperatur T2(t) der Leistungselektronik 20 eine höhere Frequenz als diejenige des Regelungszyklus der ersten Temperatur T1(t) des Zellenstapels 20 auf. Der ansteigende Teil der Kurven T1(t), T2(t) wird dabei jeweils allein durch die Zeitcharakteristik C1, C2 bestimmt, während der absteigende Teil der Kurven T1(t), T2(t) auch durch die einsetzende Kühlleistung bestimmt wird. In einem konkreten Auslegungsfall kann eine erste Kühlleistung Q1 des Zellenstapels 22 beispielsweise bei 1 bis 2 kW liegen und kann eine zweite Kühlleistung Q2 der Leistungselektronik 20 bei etwa 100 bis 200 W liegen (der geringere Kühlleistungswert Q2 für die Leistungselektronik 20 bei größerer (steilerer) thermischer Zeitcharakteristik C2 ist der erheblich niedrigeren Wärmekapazität im Vergleich mit dem Zellenstapel 22 geschuldet). Auch wenn in 3 die Verläufe der Temperaturen T1(t) und T2(t) als stetige Kurven gezeigt sind, können die Verläufe auch streckenweise gerade oder nahezu gerade sein und in den Extrempunkten eckig oder scharf abgebogen sein.
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Zur Angleichung der Regelungszyklen der Leistungselektronik 20 und des Zellenstapels 22 ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Leistungselektronik 20 mit dem Latentwärmespeicher 48 (vgl. 1) thermisch gekoppelt. Insbesondere wird die Leistungselektronik 20 nicht direkt gekühlt, sondern es wird der Latentwärmespeicher 48 direkt gekühlt und tauscht die Leistungselektronik 20 Wärme mit dem Latentwärmespeicher 48 aus. Eine strichpunktierte Kurve C3 in 2 gibt eine dritte thermische Zeitcharakteristik C3 wieder, die ein Verhalten der mit dem Latentwärmespeicher 48 versehenen bzw. thermisch gekoppelten Leistungselektronik 20 wiedergibt. Der Latentwärmespeicher 48 ist dabei so ausgelegt, dass die zweite Maximaltemperatur T2max auf der dritten thermischen Zeitcharakteristik C3 zur gleichen Zeit t1 erreicht wird (dritter Schnittpunkt P3) wie die erste Maximaltemperatur T1max auf der ersten thermischen Zeitcharakteristik des Zellenstapels 22 (erster Schnittpunkt P1).
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4 zeigt ein schematisches Diagramm, welches den Temperaturverlauf T2(t) der Leistungselektronik 20 und einen Temperaturverlauf T3(t) des Latentwärmespeichers 48 in dem thermischen System von 1 während deaktivierter Kühlung des Latentwärmespeichers 48 darstellt. Wie in 4 gezeigt, nimmt der Latentwärmespeicher 48 bei gleich bleibender Temperatur T3(t) Wärme von der Leistungselektronik 20 auf, deren Temperatur T2(t) dadurch stetig abnimmt, sodass sich eine Temperaturdifferenz T3 – T2 stetig verringert. Unter dieser Wärmelast ändert das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers 48 seinen Aggregatzustand (beispielsweise von fest zu flüssig) bei gleich bleibender Temperatur T3. Bei vollständigem Phasenwechsel bleibt T3 nicht mehr konstant und wird sich T2 angleichen. Bei aktivierter Kühlung durchläuft das Phasenwechselmaterial die umgekehrte Phasenänderung bei gleich bleibender Temperatur T3, und die Leistungselektronik wird auch in diesem Fall gekühlt. Die Temperatur T3 ist so gewählt, dass sie stets kleiner ist als die Temperatur T2min. Ferner ist das thermische System so ausgelegt, dass das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers 48 eine ausreichende Wärmeaufnahmekapazität aufweist, dass es Wärme von der Leistungselektronik 20 aufnehmen kann, bis aufgrund des Regelungszyklus des Zellenstapels 22 die Zellenkühlung 24 des Zellenstapels 22 anspringt, und dass es während der Kühlung des Zellenstapels 22 von der ersten Maximaltemperatur T1max auf die erste Minimaltemperatur T1min die von der Leistungselektronik 20 aufgenommene Wärme über den Wärmetauscher 50 vollständig an das Wärmeträgermedium abgibt. Selbstverständlich kann die Kühlung auch aktiviert werden, wenn die Temperatur der Leistungselektronik 20 ihre Maximaltemperatur T2max erreicht.
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Eine Messung der Bauteiltemperaturen T1, T2 kann über die Sensoriken 36, 54 erfasst und über die jeweiligen Signalisierungen mittels der Niedervolt-/Signalanschlüsse 38, 56 signalisiert werden, während eine Aktivierung und Deaktivierung der Kühlung durch Öffnen und Schließen des Ventils 42 bewerkstelligt wird, wobei entsprechende Steuersignale über den Niedervolt/Signalanschluss 44 empfangen werden.
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Die vorstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels geht von einem schematisierten Auslegungsfall bei einem vorgegebenen thermischen Lastfall, insbesondere hinsichtlich einer Wärmeerzeugung im Zellenstapel 22 und im Steuergerät 20 aus. Im praktischen Betrieb können sich abweichende thermische Lastfälle ergeben. Es können in dem vorherigen Ausführungsbeispiel optional zuschaltbare und/oder regelbare Umgehungsleitungen, welche die Kühlplatte 40 der Zellenkühlung 24 und/oder das Kühlelement 50 der Leistungskühlung 26 umgehen, vorgesehen sein, um das Verhältnis der wirksamen Massenströme des Wärmeträgermediums in der Zellenkühlung 24 und der Leistungskühlung 26 zu verändern und an einen veränderten thermischen Lastfall anzupassen.
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In dem Ausführungsbeispiel sind die Leistungskühlung 46 und die Zellenkühlung 24 seriell hintereinander zwischen dem Vorlaufabzweig 12 und dem Rücklaufabzweig 14 des Kühlmittelbereitstellungskreises 2 angeschlossen. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsvariante kann die Serienschaltung auch umgekehrt sein, d.h., es kann auch die Zellenkühlung 24 vor der Leistungskühlung 46 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsvarianten können die Zellenkühlung 24 und die Leistungskühlung 46 auch parallel an den Kühlmittelbereitstellungskreis 2 angeschlossen sein.
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5 zeigt ein schematisches Blockschaubild eines thermischen Systems mit einem Kühlsystem nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Ausführungsvariante des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in 5 die Zellenkühlung 24 und die Leistungskühlung 46 parallel an den Kühlmittelbereitstellungskreis 2 angeschlossen. Hierzu sind anstelle der Verbindungsleitung 52 (vgl. 1) eine Vorlaufverbindungsleitung 58, welche die Eingangsseiten des Kühlelements 50 der Leistungskühlung 46 und der Kühlplatte 40 der Zellenkühlung 24 miteinander verbindet, und eine Rücklaufverbindungsleitung 60, welche die Ausgangsseiten des Kühlelements 50 der Leistungskühlung 46 und der Kühlplatte 40 der Zellenkühlung 24 miteinander verbindet, vorgesehen. In der Vorlaufverbindungsleitung 58 ist ein zweites Ventil 66 mit Niederspannungs-/Signalanschluss 68 vorgesehen. Eine solche Verschaltung erlaubt wahlweise die separate Durchströmung der Leistungskühlung 46 oder der Zellenkühlung 24. Durch geeignete Dimensionierung der Strömungsquerschnitte bzw. Strömungswiderstände kann eine Verteilung des Massenstromanteils des Wärmeträgermediums in der Zellenkühlung 24 und der Leistungskühlung 46 in geeigneter Weise vorgegeben werden. Für das zweite Ventil 66 gilt das im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel zum ersten Ventil 42 Gesagte insoweit, als es im Falle einer Kältemittelkühlung als Expansionsventil ausgebildet sein kann und im Falle einer Flüssigkeitskühlung als Absperrventil ausgebildet sein kann, wobei es im letzteren Fall auch im Rücklaufabzweig 68 angeordnet sein kann.
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6 zeigt ein schematisches Blockschaubild eines thermischen Systems mit einem Kühlsystem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Ausführungsvariante des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in 6 die Zellenkühlung 24 und die Leistungskühlung 46 parallel an den Kühlmittelbereitstellungskreis 2 angeschlossen. Allerdings sind anstelle der Vorlaufverbindungsleitung 58 und der Rücklaufverbindungsleitung 60 (vgl. 5) ein weiterer Vorlaufabzweig 62 mit dazu gehörigem zweitem Ventil 66 samt Niederspannungs-/Signalanschluss 68, der die Eingangsseite der Kühlplatte 40 der Zellenkühlung 24 mit dem Vorlauf 8 des Kühlmittelbereitstellungskreises verbindet, und ein weiterer Rücklaufabzweig 64, der die Ausgangsseite des Kühlelements 50 der Leistungskühlung 46 mit dem Rücklauf 10 des Kühlmittelbereitstellungskreises 2 verbindet, vorgesehen. Auf diese Weise sind die Zellenkühlung 24 und die Leistungskühlung 46 durch separate Abzweige parallel an den Kühlmittelbereitstellungskreis 2 angeschlossen. Die Vorteile des Latentwärmespeichers 48 kommen insoweit zum Tragen, als die thermische Zeitcharakteristik C3 der Leistungselektronik 20 mit dem Latentwärmespeicher 48 träger ist als die thermische Zeitcharakteristik C2 der Leistungselektronik 20 allein, sodass eine Regelfrequenz der Leistungskühlung 46 geringer wird als eine herkömmliche Kühlung ohne Latentwärmespeicher. Bestehende Systeme mit jeweils eigener Kühlperipherie für die Kühlplatte 40 und die Kühleinheit 50 sind mit dem Latentwärmespeicher 48 nachrüstbar, ohne dass an der Verrohrung bzw. Verschlauchung, Ventilanordnung und Anschlussanordnung etwas geändert werden muss; lediglich der Latentwärmespeicher 48 muss zwischen der Leistungselektronik 20 und der Kühleinheit 50 montiert werden.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, -varianten, -alternativen und Abwandlungen beschrieben und in den Figuren veranschaulicht. Diese Beschreibungen und Darstellungen sind rein schematisch und schränken den Schutzumfang der Ansprüche nicht ein, sondern dienen nur der beispielhafter Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass die Erfindung auf vielfältige Weise ausgeführt und abgewandelt werden kann, ohne den Schutzumfang der Patentansprüche zu verlassen. Einzelne Merkmale und/oder Merkmalskombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele können für sich genommen als Ausführungsformen der Erfindung verstanden werden, sofern sie unter den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche in ihrer breitesten Auslegung fallen, und können auch in anderen Ausführungsbeispielen Anwendung finden, auch wenn sie dort nicht explizit beschrieben sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kühlmittelbereitstellungskreis
- 4
- Wärmetauscheranlage
- 6
- Klimagerät (Fahrzeuginnenraumklimatisierung)
- 8
- Vorlauf
- 10
- Rücklauf
- 12
- Vorlaufabzweig
- 14
- Rücklaufabzweig
- 16
- Energieversorgungseinheit (Batterieanlage, Baueinheit)
- 18
- Hochvoltspeicher
- 20
- DC/DC-Leistungselektronik (Steuergerät bzw. -einheit, zweites Bauteil)
- 22
- Zellenstapel (Batteriezellenanordnung, erstes Bauteil)
- 24
- Zellenkühlung (erste Kühlvorrichtung)
- 26
- SME
- 28
- S-Box
- 30-1, ..., 30-n
- Batteriezellen
- 32
- erster Anschlusspol
- 34
- zweiter Anschlusspol
- 36
- Sensorik/Signalisierung
- 38
- Niedervoltanschluss (Signalanschluss)
- 40
- Kühlplatte (Wärmetauscher)
- 42
- Ventil
- 44
- Niedervoltanschluss (Signalanschluss)
- 46
- Leistungskühlung (zweite Kühlvorrichtung)
- 48
- Latentwärmespeicher (Phasenwechselmaterial)
- 50
- Kühlelement (Wärmetauscher)
- 52
- Verbindungsleitung
- 54
- Sensorik/Signalisierung
- 56
- Niedervoltanschluss (Signalanschluss)
- 58
- Vorlaufverbindungsleitung
- 60
- Rücklaufverbindungsleitung
- 62
- Vorlaufabzweig
- 64
- Rücklaufabzweig
- 66
- zweites Ventil
- 68
- Niedervoltanschluss (Signalanschluss)
- C1
- erste thermische Zeitcharakteristik
- C2
- zweite thermische Zeitcharakteristik
- C3
- dritte thermische Zeitcharakteristik
- P1
- erster Schnittpunkt
- P2
- zweiter Schnittpunkt
- P3
- dritter Schnittpunkt
- Q1
- erste Kühlleistung
- Q2
- zweite Kühlleistung
- t
- Zeit
- t1
- erste Zeit zum Erreichen der ersten Maximaltemperatur T1max
- t2
- zweite Zeit zum Erreichen der ersten Maximaltemperatur T2max
- T
- Temperatur
- T1max
- erste Maximaltemperatur
- T2max
- zweite Maximaltemperatur
- T1min
- erste Minimaltemperatur
- T2min
- zweite Minimaltemperatur
- T1(t)
- erste Temperatur als Funktion der Zeit
- T2(t)
- zweite Temperatur als Funktion der Zeit
- T3(t)
- dritte Temperatur als Funktion der Zeit
- T3 – T2
- Temperaturdifferenz
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009004543 A1 [0002]
