DE102017200096A1

DE102017200096A1 - Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung sowie Energieversorgungseinrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017200096A1
Application number: DE102017200096.1A
Authority: DE
Inventors: Felix Gottschalk; Florian Quantmeyer; Florian Kühnlenz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-05
Also published as: CN108454422A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung (1) für eine Energieversorgungseinrichtung (2), bei welchem eine in einem Luftkanal (5) eines Luftleitsystems (6) in Serie mit einem Wandlermodul (4) hintereinander angeordnete Batterie (3) in einem Kühlmodus mittels eines von einem Gebläse (8) in einer ersten Förderrichtung (9) geförderten Luftstroms (7) gekühlt wird. Die Erfindung sieht vor, dass die Batterie (3) in einem Erwärmmodus mittels des Gebläses (8), welches im Erwärmmodus den Luftstrom (7) in einer zu der ersten Förderrichtung (9) unterschiedlichen zweiten Förderrichtung (10) fördert, über Abwärme des Wandlermoduls (4) erwärmt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Energieversorgungseinrichtung (2) sowie ein Kraftfahrzeug (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, eine Energieversorgungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.
Eine Energieversorgungseinrichtung, bei welcher eine Batterie und ein elektrisches Gerät in Serie geschaltet sind, und das elektrische Gerät mit Kühlluft, welche vorher die Batterie gekühlt hat, gekühlt wird, ist bereits aus der US 2010/0231035 A1 bekannt. Die beschriebene Energieversorgungseinrichtung ist dabei in einem Fahrzeuginnenraum angeordnet. Die Kühlluft wird nach dem Durchlaufen der Energieversorgungseinrichtung, also der Batterie und beispielsweise einem Wandlermodul als elektrisches Gerät, in den Fahrzeuginnenraum des Kraftwagens entlassen.
Des Weiteren offenbart die US 2010/0294580 A1 eine Energieversorgungseinrichtung, welche in einem Gehäuse angeordnet ist und von Kühlluft durchströmt wird.
Auch die DE 10 2014 216 923 A1 offenbart ein Kühlsystem sowohl für eine Batterie als auch für ein Gleichspannungswandlermodul.
Luftgekühlte 48 V-Batterien werden derzeit zum Erreichen ihrer Betriebstemperatur entweder durch Eigenerwärmung beim Entladen, durch eine externe Heizung oder mittels Innenraumluft erwärmt. Nachteilig an dieser Konfiguration ist, dass die Erwärmung der Batterie bei kalten Temperaturen der Batterie besonders lange dauert. Des Weiteren ist in einer Aufwärmphase und somit bei niedrigen Temperaturen der Batterie ein Laden der Batterie beispielsweise durch Rekuperation von Bremsenergie während eines Bremsvorgangs nur eingeschränkt möglich. Hieraus ergibt sich ein unvorteilhaft erhöhter Kraftstoffverbrauch sowie unvorteilhaft erhöhte CO₂-Emissionen, da die Bremsenergie nicht zurückgewonnen und in der Batterie gespeichert sowie bei Bedarf beispielsweise zum Antrieb des Kraftfahrzeuges genutzt werden kann. Des Weiteren sind Einschränkungen im Fahrkomfort möglich durch beispielsweise unterschiedliches Bremsverhalten abhängig davon, ob eine Rekuperation der Bremsenergie möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung, eine Energieversorgungseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Energieversorgungseinrichtung derart zu weiterzuentwickeln, dass eine besonders lange Lebensdauer der Batterie erreicht sowie die CO₂-Emissionen des Fahrzeuges gesenkt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1, durch eine Energieversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer Energieversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung, bei welchem eine in einem Luftkanal eines Luftleitsystems in Serie mit einem Wandlermodul, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, hintereinander angeordnete Batterie in einem Kühlmodus mittels eines von einem Gebläse in einer ersten Förderrichtung geförderten Luftstroms gekühlt wird.
Mit anderen Worten sind eine Batterie und ein Wandlermodul in einem Luftkanal eines Luftleitsystems hintereinander in Serie oder nacheinander mit demselben Luftstrom anströmbar angeordnet. Hierbei ist unter einem Luftleitsystem eine aus wenigstens einem Luftkanal gebildete Einrichtung zu verstehen, welche dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom zu leiten. Um sowohl die Batterie als auch das Wandlermodul zu kühlen, wird in einem Kühlmodus von einem Gebläse in einer ersten Förderrichtung ein Luftstrom erst durch einen Wärmetauschbereich der Batterie und anschließend durch einen Wärmetauschbereich des Wandlermoduls hindurch gefördert, sodass mittels des Luftstromes zuerst die Batterie und anschließend das Wandlermodul gekühlt werden können.
Durch die Anordnung des Wandlermoduls und der Batterie in Serie in einem Luftkanal nutzen das Wandlermodul und die Batterie beispielsweise den selben Abluftkanal. Unter einem Wandlermodul ist beispielsweise ein DC/DC-Wandler zu verstehen. Der DC/DC-Wandler ist beispielsweise dazu vorgesehen, das Bordnetz aus der 48 Volt-Batterie mit Energie zu versorgen, wobei er sich erwärmt.
Um die Lebensdauer der Batterie in besonders vorteilhafter Weise zu erhöhen sowie die CO₂-Emissionen eines Kraftwagens, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung angewendet wird, besonders vorteilhaft zu senken, wird die Batterie in einem Erwärmmodus mittels des Gebläses, welches den Luftstrom im Erwärmmodus in einer zu der ersten Förderrichtung unterschiedlichen zweiten Förderrichtung fördert, über Abwärme des Wandlermoduls erwärmt.
Mit anderen Worten fördert das Gebläse in dem Erwärmmodus den Luftstrom in einer zu der ersten Förderrichtung unterschiedlichen zweiten Förderrichtung durch das Luftleitsystem, womit beispielsweise eine zu der ersten Förderrichtung entgegengesetzte Förderrichtung zu verstehen ist.
Durch das Fördern des Luftstromes in der zweiten Förderrichtung durch den Luftkanal des Luftleitsystems durchläuft der Luftstrom in dieser zweiten Förderrichtung stromaufwärts erst das Wandlermodul und anschließend stromabwärts die Batterie. Es kann somit im Erwärmmodus Abwärme des Wandlermoduls durch den Luftstrom aufgenommen werden und an die in der zweiten Förderrichtung des Luftstroms stromabwärts des Wandlermoduls angeordnete Batterie abgegeben werden. Mittels des im Luftleitsystem im Erwärmmodus durch das Wandlermodul geleiteten Luftstroms kann die Batterie über die Abwärme des Wandlermoduls auf Betriebstemperatur erwärmt werden.
Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Stromaufnahmefähigkeit beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie von der Temperatur abhängig ist. Das Laden dieser Batterien bei tiefen Temperaturen ist nicht beziehungsweise nur eingeschränkt möglich, da diese Batterie sonst irreversibel geschädigt wird. In mHEV-Fahrzeugen (mild Hybrid Electric Vehicle), auch als Mild-Hybrid-Fahrzeuge bezeichnet, bei welchen beispielsweise eine 48 V-Batterie und 48 V DC/DC-Wandler im hinteren Abschnitt des Fahrzeugs verbaut sind, sind diese Komponenten zumindest im Wesentlichen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, die notwendige Klimatisierung beider Komponenten beispielsweise gemeinsam auszulegen. Eine energetische Kopplung der Kühlung dieser beiden Komponenten ist möglich, da die Batterie beispielsweise mit maximal 60 °C betrieben wird, während der DC/DC-Wandler beispielsweise erst bei 60 °C anfängt die Maximalleistung zu begrenzen und noch bis 105 °C Umgebungstemperatur arbeitsfähig ist. Da die Temperatur der Komponenten unter anderem mittels eines Luftstromes zur Kühlung gesteuert wird, kann der DC/DC-Wandler mit dem Kühlluftstrom, welcher bereits die Batterie gekühlt hat, gekühlt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine kalte Batterie beispielsweise eines Kraftwagens, insbesondere eines Mildhybrid-Kraftwagens, beim Starten des Kraftwagens, mittels der Abwärme des Wandlermoduls auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmt werden. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss die Batterie nicht mittels der Wärme der Umgebungsluft und somit über die Umgebungstemperatur sowie über die Selbsterwärmung der Batterie beim Entladen, welche besonders langsam vonstattengeht, erwärmt werden.
Durch die Erwärmung der Batterie mittels der Abwärme des Wandlermoduls kann das Aufwärmintervall der Batterie im Vergleich zu einer reinen Eigenerwärmung der Batterie verkürzt werden. Die Batterie ist somit besonders schnell einsatzbereit und auf Betriebstemperatur erwärmt. Aufgrund des schnelleren Erreichens der Betriebstemperatur kann die Lebensdauer der Batterie optimiert werden. Abhängig von der Temperatur der Batterie kann beispielsweise Bremsenergie rekuperiert werden. Diese Energie kann beispielsweise zum Antreiben des Kraftwagens genutzt werden. Wird die rekuperierte und in der Batterie gespeicherte Bremsenergie zum Antreiben des Kraftwagens genutzt, so muss weniger kinetische Energie durch einen Verbrennungsmotor des Kraftwagens zur Verfügung gestellt werden. Je höher die Temperatur der Batterie ist, desto höher ist das Rekuperationspotenzial zur Rückgewinnung von Bremsenergie. Es ist daher energetisch sinnvoll die Temperatur der Batterie so schnell wie möglich zu erhöhen, um ein möglichst großes Rekuperationspotenzial zur Rückgewinnung von Bremsenergie zu erreichen. Eine besonders schnelle Erwärmung der Batterie kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden. Somit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren Energie eingespart werden.
Durch die Rekuperation der Bremsenergie mittels der Batterie können beispielsweise die CO₂-Emissionen des Kraftwagens besonders vorteilhaft gesenkt werden, da die in der Batterie gespeicherte rekuperierte Bremsenergie dem Kraftwagen zur Verfügung steht und diese Menge an Energie beispielsweise nicht über den Verbrennungsmotor bereitgestellt werden muss.
Es ist für die Erfindung nicht notwendig, dass sowohl die Batterie als auch das Wandlermodul voll umfänglich innerhalb des Luftleitsystems angeordnet sind.
Die beschriebene Anordnung der Batterie und des Wandlermoduls in Serie in einem Luftkanal eines Luftleitsystems schließt mit ein, dass der Luftkanal beispielsweise zumindest abschnittsweise durch Rohrelemente gebildet wird. Der Luftkanal beschreibt einen Kanal des Luftleitsystems durch welchen der Luftstrom gefördert wird. Dieser kann beispielsweise abschnittsweise von einem ersten Rohrelement gebildet sein, welches an eine Öffnung eines Gehäuses der Batterie anschließt. Der Luftkanal kann beispielsweise die Batterie durchlaufen und in dieser durch das Gehäuse der Batterie gebildet werden. Beispielsweise ist an einer weiteren Öffnung des Gehäuses der Batterie ein weiteres Rohrelement angeordnet, welches einen weiteren Abschnitt des Luftkanals bildet. In diesen weiteren Abschnitt des Luftkanals kann beispielsweise ein Kühlkörper des Wandlermoduls hineinragen. Der Luftstrom, welcher im Kühlmodus durch den Luftkanal gefördert wird, kann beispielsweise erst durch das erste Rohrelement, dann durch das Batteriegehäuse und anschließend durch das weitere Rohrelement strömen. Mit anderen Worten wird der Luftstrom in das erste Rohrelement hinein und durch dieses hindurch gefördert. Anschließend wird der Luftstrom in das Gehäuse der Batterie hinein und durch diese hindurch gefördert. Danach wird der Luftstrom in das weitere Rohrelement hinein und durch dieses hindurch gefördert, wobei er den Wärmetauschbereich des Wandlermoduls passiert. Abschließend wird der Luftstrom aus dem Rohrelement und aus dem Luftkanal hinaus gefördert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Batterie in dem Kühlmodus mittels des von dem Gebläse durch den Luftkanal aus einer Umgebung geförderten Luftstromes gekühlt. Des Weiteren ist das Wandlermodul im Kühlmodus stromabwärts der Batterie im Luftkanal angeordnet und wird durch den Luftstrom ebenfalls gekühlt.
Das bedeutet, dass der im Kühlmodus zur Kühlung der Batterie mittels des Gebläses geförderte Luftstrom aus der Umgebung der Batterie gefördert wird. Unter der Entnahme des Luftstromes zum Kühlen der Batterie aus der Umgebung ist zu verstehen, dass der Luftstrom beispielsweise aus dem die Batterie umgebenden Raum entnommen wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um den Fahrzeuginnenraum oder Passagierraum eines Kraftwagens handeln.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Kühlluftstrom sowohl aus dem Innenraum des Fahrzeuges entnommen wird als auch nach Kühlen der Energieversorgungseinrichtung wieder in den Innenraum des Kraftfahrzeuges entlassen wird. Die im Fahrzeuginnenraum vorhandene Luftmenge wird somit nicht durch die Energieversorgungseinrichtung verändert, wodurch beispielsweise die Ausbildung eines Unterdrucks vermieden werden kann. Beispielsweise kann durch die Entnahme des Luftstromes aus dem Innenraum des Fahrzeuges der Bedarf von Luftfiltern innerhalb des Luftleitsystems zur Vermeidung von Verschmutzungen reduziert werden, da die Luft im Fahrzeuginnenraum beispielsweise bereits durch eine Klimatisierungseinrichtung für den Fahrzeuginnenraum gefiltert wurde.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens fördert das Gebläse den Luftstrom im Erwärmmodus durch den Luftkanal, wobei der Luftstrom am Wandlermodul dessen Abwärme aufnimmt und auf die stromabwärts im Luftkanal angeordnete Batterie überträgt.
Mit anderen Worten wird die Batterie im Erwärmmodus erwärmt, indem das Gebläse den Luftstrom durch den Luftkanal in einer solchen Förderrichtung fördert, durch welche der Luftstrom erst das Wandlermodul passiert, dessen Abwärme aufnimmt und anschließend an der Batterie vorbeiströmt beziehungsweise durch die Batterie hindurchströmt. Beim Vorbeiströmen an der Batterie beziehungsweise Durchströmen der Batterie überträgt der Luftstrom die stromaufwärts am Wandlermodul aufgenommene Abwärme auf die Batterie.
Bevorzugt kann durch Einstellen der Fördergeschwindigkeit des Luftstromes die Erwärmgeschwindigkeit der Batterie gesteuert werden. Durch Verlangsamung der Fördergeschwindigkeit des Luftstromes kann beispielsweise ein Hitzestau am Wandlermodul erzeugt werden, wodurch der Luftstrom über eine vorgegebene Mindesttemperatur erwärmt werden kann. Mittels dieses Luftstromes kann die Batterie mit einer vorgebbaren Heizleistung erwärmt werden.
Vorteilhafterweise wird der Erwärmmodus der Batterie bei einer Temperatur der Batterie unterhalb der Grenztemperatur aktiviert. Diese Grenztemperatur kann beispielsweise zwischen 0 bis 20 °C liegen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Batterie nur für eine einstellbare oder steuerbare Mindestzeitdauer bei weniger als 20 °C betrieben wird, sollte sie eine Temperatur unter 20 °C aufweisen und daher nur sehr langsam mittels Selbsterwärmung im Betrieb erwärmbar sein. Beispielsweise kann eine Erfassungseinrichtung, mittels welcher die Temperatur der Batterie aufgezeichnet wird, zumindest im Wesentlichen in unmittelbarer Nähe der Batterie angeordnet sein und die Messwerte anschließend in der Erfassungseinrichtung und/oder in einer Recheneinheit des Kraftfahrzeugs verarbeitet werden. Hierbei kann die Erfassungseinrichtung beispielsweise in einem Bereich um die Batterie mit einem Radius von 1 Meter, insbesondere 70 cm, insbesondere 40 cm, insbesondere 20 cm, angeordnet sein. Eine beispielsweise in dem Kraftwagen vorhandene Recheneinheit kann anhand der von der Erfassungseinrichtung ermittelten und an die Recheneinheit übertragenen Daten eine Aktivierung des Erwärmmodus bewirken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die unterschiedliche zweite Förderrichtung des Luftstromes durch ein Umschalten der Drehrichtung des Gebläses und/oder durch Verstellen von Förderelementen des Gebläses erzeugt.
Mit anderen Worten wird bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gebläse verwendet, mittels welchem ein Luftstrom in wenigstens zwei unterschiedliche Förderrichtungen förderbar ist. Das Umschalten zwischen den wenigstens zwei Förderrichtungen sowie die Umkehrung der Förderrichtung des durch das Gebläse geförderten Luftstromes kann beispielsweise durch ein Umstellen des Gebläses erreicht werden. Das Umstellen des Gebläses kann beispielsweise über eine Umkehrung der Drehrichtung einer in dem Gebläse angeordneten Fördereinrichtung erreicht werden. Des Weiteren ist es beispielsweise möglich, die Förderrichtung des Gebläses durch ein Verstellen einzelner Förderelemente der Fördereinrichtung, welche in dem Gebläse angeordnet ist, zu erreichen.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass zur Förderung des Luftstromes in zwei zueinander unterschiedlichen Förderrichtungen lediglich ein Gebläse benötigt wird. Dessen Förderrichtung kann beispielsweise durch eine Einstellung der Drehrichtung des Gebläses erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Förderrichtung des Gebläses durch ein Verstellen von Förderelementen des Gebläses, beispielsweise durch eine Veränderung des Anstellwinkels von einzelnen Förderelementen, eingestellt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung mit wenigstens einer Batterie und wenigstens einem Wandlermodul und mit einer Klimatisierungseinrichtung, welche ein Luftleitsystem umfasst, in welchem die wenigstens eine Batterie und das wenigstens eine Wandlermodul in einem Luftkanal des Luftleitsystems hintereinander in Serie angeordnet sind und welche ein Gebläse aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom durch den Luftkanal zu fördern. Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung ist mittels des Gebläses der Luftstrom in wenigstens zwei Förderrichtungen durch den Luftkanal förderbar und es ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, mittels welcher die Batterie in einem Kühlmodus durch Einstellen einer ersten Förderrichtung des Gebläses mittels des Luftstroms kühlbar und in einem Erwärmmodus durch Einstellen einer zweiten Förderrichtung des Gebläses mittels des Luftstromes über Abwärme des Wandlermoduls erwärmbar ist.
Mit anderen Worten umfasst die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung eine Klimatisierungseinrichtung zur Klimatisierung einer in einem Luftleitsystem in Serie mit einem Wandlermodul angeordneten Batterie. Des Weiteren umfasst die Klimatisierungseinrichtung ein Gebläse mittels welchem ein Luftstrom in wenigstens zwei Förderrichtungen durch einen Luftkanal des Luftleitsystems zur Klimatisierung der Batterie förderbar ist. Fördert das Gebläse den Luftstrom in einer ersten Förderrichtung, so wird mittels des geförderten Luftstromes zuerst die Batterie und anschließend das Wandlermodul gekühlt. Bei einer Förderung des Luftstromes in einer zweiten Förderrichtung mittels des Gebläses durchströmt der Luftstrom zuerst das Wandlermodul, nimmt dessen Abwärme auf und erwärmt anschließend die stromabwärts der zweiten Förderrichtung des Luftstromes gelegene Batterie.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der seriellen Anordnung der Batterie und des Wandlermoduls in einem Luftkanal des Luftleitsystems die Batterie mittels eines einzigen Gebläses klimatisiert werden kann. Des Weiteren wird die Abwärme des Wandlermoduls dazu verwendet, die Batterie besonders schnell auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Dabei kann das Gebläse beispielsweise ebenfalls im Luftkanal des Luftleitsystems in Serie mit der Batterie und dem Wandlermodul angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gebläse zwischen der Batterie und dem Wandlermodul angeordnet. Mit anderen Worten durchströmt der Luftstrom im Kühlmodus erst die Batterie, dann das Gebläse und anschließend das Wandlermodul, während der Luftstrom im Erwärmmodus zuerst durch das Wandlermodul strömt, anschließend das Gebläse durchströmt und zuletzt die Batterie durchströmt.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie zwischen dem Gebläse und dem Wandlermodul angeordnet. Mit anderen Worten durchströmt der Luftstrom in einem Kühlmodus zuerst das Gebläse, dann die Batterie und abschließend das Wandlermodul. In dem Erwärmmodus durchströmt der Luftstrom zuerst das Wandlermodul, dann die Batterie und abschließend das Gebläse.
Eine Anordnung des Wandlermoduls zwischen der Batterie und dem Gebläse in einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ebenfalls möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gebläse als bidirektionales Gebläse ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Gebläse einen Luftstrom in unterschiedliche Förderrichtungen, also in unterschiedliche Direktionen, fördern kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass zur Bereitstellung sowohl das Erwärmmodus als auch das Kühlmodus der Batterie beispielsweise lediglich ein Gebläse zur Verfügung gestellt werden muss. Dieses Gebläse kann beispielsweise als Axiallüfter ausgebildet sein. Im Gegensatz zu Radiallüftern haben Axiallüfter den Vorteil, dass sie beispielsweise ihre Förderrichtung umdrehen können.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einer Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine Energieversorgung mit wenigstens einer Batterie und wenigstens einem Wandlermodul sowie einer in den Patentansprüchen 6 bis 9 beschriebenen Klimatisierungseinrichtung umfasst. Bei diesem Kraftfahrzeug kann es sich beispielsweise um ein sogenanntes mHEV-Fahrzeug, also ein mild Hybrid Electric Vehicle, auch als Mild-Hybrid-Fahrzeug bezeichnet, handeln.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Ansicht einer Klimatisierungseinrichtung für eine Energieversorgungseinrichtung in einem Kühlmodus;
2 eine schematische Ansicht der Klimatisierungseinrichtung für die Energieversorgungseinrichtung in einem Erwärmmodus; und
3 eine schematische Perspektivansicht der Energieversorgungseinrichtung mit der Klimatisierungseinrichtung in einer Anordnung im bzw. am Boden eines Heckbereichs eines Kraftwagens.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Klimatisierungseinrichtung 1 einer Energieversorgungseinrichtung 2 in einem Kühlmodus. Bei dieser Energieversorgungseinrichtung 2 kann es sich beispielsweise um eine Energieversorgungseinrichtung in einem als sogenannten Mildhybrid-Fahrzeug ausgebildeten Kraftwagen handeln. Bei dem Mildhybrid-Fahrzeug wird Bremsenergie während eines Bremsvorgangs beispielsweise rückgewonnen und in einer Batterie gespeichert. Diese in der Batterie gespeicherte Bremsenergie kann genutzt werden, um mittels eines Elektroantriebs einen Verbrennungsmotor des Kraftwagens zur Leistungssteigerung zu unterstützen.
Wie in 1 zu sehen ist, weist die Energieversorgungseinrichtung 2 wenigstens eine Batterie 3 und wenigstens ein Wandlermodul 4 auf. Die Batterie 3 und das Wandlermodul 4 sind zumindest im Wesentlichen in einem Luftkanal 5 eines Luftleitsystems 6 in Serie, also im Luftkanal 5 hintereinander, angeordnet. Hierunter ist zu verstehen, dass sowohl die Batterie 3, als auch das Wandlermodul 4 mit einem durch das Luftleitsystem 6 und durch den Luftkanal 5 strömenden Luftstrom 7 thermisch gekoppelt sind. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Batterie 3 und/oder das Wandlermodul 4 vollumfänglich innerhalb des Luftkanales 5 angeordnet sind. Es ist ausreichend, wenn die der Kühlung bedürfenden Teile der Batterie 3 und/oder des Wandlers 4 oder beispielsweise Wärmetauscher, welcher der Kühlung der Batterie 3 und/oder des Wandlermoduls 4 dienen, direkt in dem Luftstrom 7, welcher im Luftkanal 5 durch das Luftleitsystem 6 strömt, angeordnet sind.
Des Weiteren ist ein Gebläse 8 im Luftkanal 5 in Serie mit der Batterie 3 und dem Wandlermodul 4 angeordnet. Das Gebläse 8 kann wie in 1 gezeigt so angeordnet sein, dass die Batterie 3 im Luftkanal 5 zwischen dem Gebläse 8 und dem Wandlermodul 4 angeordnet ist. Es wäre beispielsweise auch möglich, das Gebläse 8 zwischen der Batterie 3 und dem Wandlermodul 4 anzuordnen oder alternativ das Wandlermodul 4 zwischen der Batterie 3 und dem Gebläse 8 im Luftkanal 5 anzuordnen.
In 1 ist die Klimatisierungseinrichtung 1 in einem Kühlmodus der Batterie 3 dargestellt. Hierbei durchläuft der Luftstrom 7 den Luftkanal 5 des Luftleitsystems 6 in einer ersten Förderrichtung 9. Hierbei kann der Luftstrom 7 beispielsweise mittels des Gebläses 8 aus der Umgebung des Luftleitsystems 6 in das Luftleitsystem 6 und den Luftkanal 5 eingesogen und in Richtung der ersten Förderrichtung 9 durch den Luftkanal 5 hindurch gefördert werden. Der Luftstrom 7 wird im Kühlmodus vom Gebläse 8 in der ersten Förderrichtung 9 durch den Luftkanal 5 gefördert, durchströmt dabei die Batterie, kühlt diese und durchströmt anschließend das Wandlermodul 4, um diese ebenfalls zu kühlen. Dabei wärmt sich der Luftstrom 7 infolge der Kühlung der Batterie 3 auf und kühlt anschließend das Wandlermodul 4, indem er dessen Abwärme ebenfalls aufnimmt. Dies ist möglich, da die Batterie 3 und das Wandlermodul 4 unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweisen können. So ist die Batterie beispielsweise bis zu einer Temperatur von 60 °C einsatzbereit, während das Wandlermodul 4 bis zu einer Temperatur von 105 °C arbeitsfähig ist. Nach Kühlen der Batterie 3 und des Wandlermoduls 4 wird der Luftstrom 7 aus dem Luftkanal 5 hinaus in die Umgebung des Luftleitsystems 6 und der Klimatisierungseinrichtung 1 gefördert.
2 zeigt die Klimatisierungseinrichtung 1 der Energieversorgungseinrichtung 2 in einem Erwärmmodus der Batterie 3. In diesem Erwärmmodus wird die Abwärme des Wandlermoduls 4 dazu genutzt, die Batterie 3 bei niedrigen Temperaturen der Batterie 3, beispielsweise beim Starten des Kraftwagens, besonders schnell auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Zur Übertragung der Abwärme des Wandlermoduls 4 auf die Batterie 3 wird die Förderrichtung des Gebläses 8 umgedreht. Das Gebläse 8 fördert nun den Luftstrom 7 in einer zweiten Förderrichtung 10, welche in Bezug auf den Luftkanal 5 einer entgegengesetzten Förderrichtung zur ersten Förderrichtung 9 entspricht. Aufgrund der Förderung des Luftstromes 7 in der zweiten Förderrichtung 10 wird der Luftstrom 7 aus der Umgebung des Luftleitsystems in das Luftleitsystem und in den Luftkanal 5 eingesogen, durchläuft beispielsweise das Wandlermodul, beziehungsweise nimmt beispielsweise Wärme von einem in den Luftkanal 5 ragenden nicht dargestellten Wärmetauscher des Wandlermoduls 4 auf, und durchläuft anschließend die Batterie 3. In der Batterie 3 gibt der Luftstrom 7 zumindest einen Teil der vom Wandlermodul 4 aufgenommenen Abwärme an die Batterie 3 ab. Anschließend durchläuft der Luftstrom 7 beispielsweise das Gebläse 8 und wird von diesem in der zweiten Förderrichtung 10 in die Umgebung des Luftleitsystems und der Klimatisierungseinrichtung gefördert.
Mittels dieser Konfiguration kann die Batterie 3 mittels der Klimatisierungseinrichtung 1 besonders schnell auf ihre Betriebstemperatur erwärmt werden, während das Wandlermodul 4 bereits mittels des Luftstromes 7 gekühlt wird. Hierbei ist denkbar, dass die vom Luftstrom 7 vom Wandlermodul 4 aufgenommene Wärmemenge sowie von dem Luftstrom 7 an die Batterie 3 abgegebene Wärmemenge über die Fördergeschwindigkeit des Luftstromes 7 durch das Gebläse 8 in der zweiten Förderrichtung 10 gesteuert wird. So kann das Gebläse 8 beispielsweise den Luftstrom 7 in einer langsamen Geschwindigkeit durch den Luftkanal 5 fördern, was dazu führt, dass der Luftstrom 7 durch das Wandlermodul 4 stark erwärmt wird und somit nach dem Passieren des Wandlermoduls 4 eine hohe Temperatur aufweist. Mittels diesen eine hohe Temperatur aufweisenden Luftstromes 7 kann die Batterie 3 besonders schnell erwärmt und somit ihre Temperatur besonders schnell erhöht werden.
Alternativ kann beispielsweise das Gebläse den Luftstrom 7 in einer schnellen Geschwindigkeit durch den Luftkanal 5 fördern. Hierdurch erwärmt sich der Luftstrom bei Durchlaufen des Wandlermoduls 4 weniger stark verglichen mit der hohen Temperatur bei einer langsamen Geschwindigkeit des Luftstromes 7. Das führt dazu, dass der Luftstrom 5 vor Durchlaufen der Batterie 3 eine niedrigere Temperatur aufweist. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Batterie 3 eine Temperatur aufweist, welche nur unwesentlich geringer als die optimale Betriebstemperatur der Batterie 3 ist. Über die Fördergeschwindigkeit des Luftstromes 5 durch das Gebläse 8 kann folglich beispielsweise die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung der Batterie 3 gesteuert werden.
Um zu gewährleisten, dass mittels des Gebläses 8 der Luftstrom 7 sowohl in der ersten Förderrichtung 9 als auch in der zweiten Förderrichtung 10 gefördert werden kann, wird ein sogenannter bidirektionaler Lüfter als das Gebläse 8 verwendet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Axiallüfter handeln. Die Förderrichtung in einem Axiallüfter kann beispielsweise durch Umdrehen der Drehrichtung einer Fördereinrichtung innerhalb des Axiallüfters geschehen. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise Anstellwinkel von Förderelementen der Förderrichtung des Gebläses 8 verändert werden, um die Förderrichtung des Gebläses 8 zu verändern. Dies ermöglicht den Einsatz lediglich eines Gebläses 8 zur Bereitstellung sowohl des Kühlmodus, als auch des Erwärmmodus der Batterie 3 durch die Klimatisierungseinrichtung 1.
In 3 ist eine beispielhafte Anordnung der Klimatisierungseinrichtung 1 für eine Energieversorgungseinrichtung 2 im Heckbereich 11 des Kraftwagens 12 gezeigt. Wie in 3 zu sehen ist, können sowohl die Batterie 3, als auch das Wandlermodul 4 sowie der Luftkanal 5 der Klimatisierungseinrichtung 1 im Bodenbereich des Heckbereichs 11 des Kraftwagens 12 angeordnet sein.
Die Batterie 3 und das Wandlermodul 4 sind beispielsweise nebeneinander angeordnet. Der die Batterie 3 und das Wandlermodul 4 verbindende Luftkanal 5 wird beispielsweise zumindest abschnittsweise durch Rohrleitungselemente 13 gebildet. Es ist möglich, dass das Gebläse 8 in einem Abschnitt des Luftkanals 5 angeordnet ist, welcher aus einem Rohrleitungselement 13 gebildet wird. Im Bereich der Batterie 3 kann der Luftkanal 5 beispielsweise durch ein Gehäuse 14 der Batterie 3 gebildet sein. Das Wandlermodul 4 kann beispielsweise thermisch mit dem Luftstrom 7 im Luftkanal 5 gekoppelt sein, indem ein in 3 nicht dargestellter Wärmetauscher des Wandlermoduls 4 in beispielsweise einen Abschnitt des Luftkanals 5, welcher durch ein Rohrleitungselement 3 gebildet wird, hineinragt. Die zumindest abschnittsweise den Luftkanal 5 bildenden Rohrleitungselemente 13 können so angeordnet sein, dass deren Enden, welche nicht mit der Batterie 3, mit dem Wandlermodul 4 oder mit dem Gebläse 8 verbunden sind, zumindest im Wesentlichen in den Fahrzeuginnenraum des Kraftwagens 12 münden.
Zur Betreibung der Klimatisierungseinrichtung 1 im Kühlmodus kann beispielsweise Luft aus dem Innenraum des Kraftwagens 12 in den Luftkanal 5, welcher beispielsweise zumindest abschnittsweise durch Rohrleitungselemente 13 gebildet ist, mittels des Gebläses 8 in einer ersten Förderrichtung 9 gefördert werden, die Batterie 3 kühlen, das Wandlermodul 4 kühlen und wieder in den Innenraum des Kraftwagens 12 entlassen werden.
In dem Erwärmmodus der Klimatisierungseinrichtung 1 kann der Luftstrom 7 beispielsweise mittels des Gebläses 8 in der zweiten Förderrichtung 10 in den Luftkanal 5 gefördert werden, der Luftstrom 7 die Abwärme des Wandlermoduls 4 aufnehmen, anschließend an die Batterie 3 abgeben und in den Innenraum des Kraftwagens 12 entlassen werden.
Vorteilhafterweise sind die in den Fahrzeuginnenraum des Kraftwagens 12 mündenden Enden des Luftkanals 5 zumindest im Wesentlichen entfernt voneinander im Kraftwagen 12 angeordnet. Durch diese Anordnung der Enden soll vermieden werden, dass der Luftstrom 7 zumindest im Wesentlichen durch das Luftleitsystem 5 im Kreis geführt wird. Die Entnahme des Luftstromes 7 aus dem Innenraum des Fahrzeuges 12 gewährt beispielsweise den Vorteil, dass zumindest im Wesentlichen die im Kraftfahrzeug 12 vorhandene Luftmenge nicht verändert wird. Würde beispielsweise die Kühlluft nach Durchlaufen des Luftkanals 5 an die Umgebung des Kraftwagens 12 abgegeben werden, so würde Luft aus dem Kraftwagen in 12 dessen Umgebung gefördert werden und ein lokaler Unterdruck könnte in dem Bereich entstehen, in dem der Luftstrom 7 aus dem Innenraum des Kraftwagens 12 entnommen wird.
Bezugszeichenliste

1: Klimatisierungseinrichtung
2: Energieversorgungseinrichtung
3: Batterie
4: Wandlermodul
5: Luftkanal
6: Luftleitsystem
7: Luftstrom
8: Gebläse
9: Förderrichtung
10: Förderrichtung
11: Heckbereich
12: Kraftwagen
13: Rohrleitungselement
14: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0231035 A1 [0002]
US 2010/0294580 A1 [0003]
DE 102014216923 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung (1) für eine Energieversorgungseinrichtung (2), bei welchem eine in einem Luftkanal (5) eines Luftleitsystems (6) in Serie mit einem Wandlermodul (4) hintereinander angeordnete Batterie (3) in einem Kühlmodus mittels eines von einem Gebläse (8) in einer ersten Förderrichtung (9) geförderten Luftstroms (7) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) in einem Erwärmmodus mittels des Gebläses (8), welches im Erwärmmodus den Luftstrom (7) in einer zu der ersten Förderrichtung (9) unterschiedlichen zweiten Förderrichtung (10) fördert, über Abwärme des Wandlermoduls (4) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) in dem Kühlmodus mittels des von dem Gebläse (8) durch den Luftkanal (5) aus einer Umgebung geförderten Luftstromes (7) gekühlt wird und das Wandlermodul (4) stromabwärts der Batterie (3) im Luftkanal (5) angeordnet ist und durch den Luftstrom (7) ebenfalls gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (8) den Luftstrom (7) im Erwärmmodus durch den Luftkanal (5) fördert, wobei der Luftstrom (7) am Wandlermodul (4) dessen Abwärme aufnimmt und auf die stromabwärts im Luftkanal (5) angeordnete Batterie (3) überträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmmodus der Batterie (3) bei einer Temperatur der Batterie unter 20 °C aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche zweite Förderrichtung (10) des Luftstromes (7) durch ein Umschalten der Drehrichtung des Gebläses (8) und/oder durch Verstellen von Förderelementen des Gebläses (8) erzeugt wird.
Energieversorgungseinrichtung (2) mit wenigstens einer Batterie (3) und wenigstens einem Wandlermodul (4) und mit einer Klimatisierungseinrichtung (1), welche ein Luftleitsystem (6) umfasst, in welchem die wenigstens eine Batterie (3) und das wenigstens eine Wandlermodul (4) in einem Luftkanal (5) des Luftleitsystems (6) hintereinander in Serie angeordnet sind, und welche ein Gebläse (8) aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom (7) durch den Luftkanal (5) zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Gebläses (8) der Luftstrom (7) in wenigstens zwei Förderrichtungen (9,10) durch den Luftkanal (5) förderbar ist und eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Batterie (3) in einem Kühlmodus durch Einstellen einer ersten Förderrichtung (9) des Gebläses (8) mittels des Luftstromes (7) kühlbar und in einem Erwärmmodus durch Einstellen einer zweiten Förderrichtung (10) des Gebläses (8) mittels des Luftstromes (7) über Abwärme des Wandlermoduls (4) erwärmbar ist.
Energieversorgungseinrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (8) zwischen der Batterie (3) und dem Wandlermodul (4) angeordnet ist.
Energieversorgungseinrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) zwischen dem Gebläse (8) und dem Wandlermodul (4) angeordnet ist.
Energieversorgungseinrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlermodul (4) zwischen dem Gebläse (8) und der Batterie (3) angeordnet ist.
Energieversorgungseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (8) als bidirektionales Gebläse ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (12) mit einer Energieversorgungseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 10.