DE102017205081A1 - Kühlvorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels sowie Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie 1 in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels 2 angegeben, die einen ersten Wärmeüberträger 3 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel 2 und der Batterie 1, eine Pumpeinrichtung 4 und einen Auffangbehälter 5 für das Kühlmittel 2 aufweist, die mittels Kühlmittelleitungen 6 unter Ausbildung eines ersten Kühlmittelkreislaufs miteinander verbunden sind.Zur einfachen, kostengünstigen und umweltschonenden Kühlung der Batterie ist vorgesehen, dass der Auffangbehälter 5 mittels einer Kondensatleitung 7 mit einer Klimaanlage 8 des Fahrzeugs zur Einleitung von Kondensat der Klimaanlage 8 in den Auffangbehälter 5 verbunden ist.Weiterhin wird ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung angegeben.In einem Verfahren zur Kühlung einer Batterie 1 in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels 2 wird in einem ersten Kühlkreislauf ein Kühlmittel 2 von einem Auffangbehälter 5 in einen ersten Wärmeüberträger 3 geleitet, in dem ersten Wärmeüberträger 3 Wärme von der Batterie 1 an das Kühlmittel 2 übertragen, das im ersten Wärmeüberträger 3 erwärmte Kühlmittel 2 zurück in den Auffangbehälter 5 geleitet und Kondensat einer Klimaanlage 8 des Fahrzeugs als Kühlmittel 2 in den Auffangbehälter 5 eingeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels. Zudem wird ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung angegeben.
  • In Fahrzeugen werden Akkumulatoren, im Folgenden als Batterien bezeichnet, als wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie eingesetzt. Neben der Verwendung als Starterbatterie verfügen Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen über Traktionsakkumulatoren zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs.
  • Beispielsweise kann während der Bremsvorgänge des Fahrzeugs zurückgewonnene Energie umgewandelt und gespeichert werden. Die Batterien sind im Allgemeinen sehr temperaturempfindlich und sollten beim Laden und Entladen in einem engen Temperaturbereich betrieben werden. Insbesondere sollte die beim Betreiben der Batterie entstehende und freigesetzte Wärme abgeführt werden, da es sonst zu einer starken thermischen Belastung der Batteriezellen kommt, die zu einer nachhaltigen Schädigung führen kann. Daher ist regelmäßig eine Kühlung der Batterien notwendig, um deren Überhitzung zu vermeiden.
  • Eine Kühlung ist bei hohen Außentemperaturen besonders wichtig, da z. B. bei hoher Sonneneinstrahlung die Temperaturen im Fahrzeuginnenraum und Kofferraum stark ansteigen und die Batterien oftmals dort angeordnet sind, z. B. in der Ersatzradmulde.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache, kostengünstige und umweltschonende Möglichkeit zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug anzugeben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die jeweils darauf bezogenen Unteransprüche beinhalten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösungen.
  • Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, Kondensat einer im Fahrzeug, z. B. zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums, vorhandenen Klimaanlage zur Batteriekühlung zu verwenden. Dieses Kondensat, z. B. in Form von Kondenswasser, wird bisher ungenutzt an die Umgebung abgegeben.
  • Dieses Kondensat wird in einem Auffangbehälter gesammelt und in einem separaten Kühlkreislauf zur Kühlung der Batterie genutzt. Zudem besteht die Möglichkeit, einen weiteren Kühlkreislauf unter Nutzung des Wärmeüberträgers der Klimaanlage vorzusehen, um das Kühlmittel zur Kühlung der Batterie zu kühlen.
  • Dadurch kann das ansonsten ungenutzte Kondensat einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden, nämlich der Batteriekühlung. Eine darüber hinaus gehende Kühlung der Batterie mittels einer Klimaanlage oder Kälteanlage und die dafür notwendigen Leitungen können vermieden werden. Darüber hinaus beeinträchtigt die Verwendung des Kondensats die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage nicht und es sind keine wesentlichen Veränderungen der Baugruppen erforderlich, so dass die Implementierung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kostengünstig und einfach zu realisieren ist.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels weist einen ersten Wärmeüberträger (Wärmeübertragungseinrichtung) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Batterie auf. Dieser dient der Wärmeübertragung von der Batterie an das Kühlmittel, so dass überschüssige Wärme an der Batterie abgeführt werden kann, d. h. die Batterie wird gekühlt. Dazu kann der erste Wärmeüberträger unterhalb der Batterie, bezogen auf die Einbausituation im Fahrzeug, angeordnet sein oder so ausgebildet sein, dass die Batterie zumindest teilweise vom ersten Wärmeüberträger umschlossen wird, um eine möglichst effektive Kühlung zu ermöglichen.
  • Weiterhin verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Pumpeinrichtung und einen Auffangbehälter für das Kühlmittel, die mittels Kühlmittelleitungen, z. B. in Form von Schläuchen, unter Ausbildung eines ersten Kühlmittelkreislaufs miteinander verbunden sind.
  • Die Pumpeinrichtung dient dabei dem Befördern des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf, d. h. vom Auffangbehälter zum ersten Wärmeüberträger und wieder zurück. Die Pumpeinrichtung kann über einen Ansaugschlauch verfügen, mit dem das Kühlmittel aus dem Auffangbehälter angesaugt und der Kühlmittelleitung zugeführt wird. Bevorzugt kann die Pumpeinrichtung so ausgebildet sein, dass das Kühlmittel in der Nähe des Bodens des Auffangbehälters, bezogen auf die Einbausituation im Fahrzeug, angesaugt wird, damit bei Temperaturschwankungen des Kühlmittels im Auffangbehälter möglichst kaltes Kühlmittel dem ersten Kühlkreislauf zugeführt wird.
  • Beispielsweise kann es sich um eine elektrisch angetriebene Pumpeinrichtung handeln, die zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge des Kühlmittels ausgebildet sein kann, so dass das Kühlmittel bedarfsgerecht im ersten Kühlmittelkreislauf umgewälzt werden kann. Zum Beispiel kann für diesen Zweck eine Pumpe eingesetzt werden, wie sie üblicherweise für das Betreiben der Frontscheibenwaschanlage verwendet wird.
  • Der Auffangbehälter ist über eine Kondensatleitung mit einer Klimaanlage des Fahrzeugs, z. B. der Klimaanlage zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, verbunden, so dass sich während des Betriebs der Klimaanlage bildendes Kondensat (Kondenswasser) in den Auffangbehälter eingeleitet werden kann. Somit kann das ansonsten ungenutzte Kondensat der Klimaanlage als Kühlmittel für die Batteriekühlung verwendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der erste Kühlmittelkreislauf als offener Kreislauf ausgebildet sein, z. B. indem die Oberfläche des Auffangbehälters mit dem atmosphärischen Druck verbunden ist. Beispielsweise kann der Auffangbehälter über einen Überlauf verfügen, der zur Ableitung von überschüssigem Kühlmittel aus dem Auffangbehälter ausgebildet ist, beispielsweise wenn das Kühlmittelniveau im Auffangbehälter eine bestimmte Füllhöhe überschreitet. Überschüssiges Kühlmittel kann z. B. auftreten, falls Kondensat kontinuierlich in den Auffangbehälter eingeleitet wird. Somit kann die Temperatur des Kühlmittels niedrig gehalten werden, da das neu zugeführte Kondensat regelmäßig eine niedrigere Temperatur als das bereits im Auffangbehälter vorhandene Kühlmittel aufweist. Dies kann eine besonders effektive Kühlung der Batterie ermöglichen.
  • Der Kondensatzufluss des Auffangbehälters, d. h. die Verbindung zwischen Auffangbehälter und Kondensatleitung, kann im unteren Bereich des Auffangbehälters, bezogen auf die Einbausituation im Fahrzeug, angeordnet sein oder werden. Dadurch kann eine zu starke Vermischung des neu eingeleiteten kalten Kondensats mit dem bereits im Auffangbehälter vorhandenen wärmeren Kühlmittel vermieden werden. Die ermöglicht das bevorzugte Ableiten des wärmeren Kühlmittels mittels des Überlaufs. Zur Vermeidung einer Vermischung kann zudem ein Rückfluss des Kühlmittels vom ersten Wärmeüberträger im oberen Bereich des Auffangbehälters beitragen.
  • Wird kein neues Kondensat in den Auffangbehälter eingeleitet, z. B. weil die Klimaanlage des Fahrzeugs nicht mehr in Betrieb ist, kann das verbleibende Kühlmittel im ersten Kühlkreislauf zirkulieren. Dazu kann der erste Kühlmittelkreislauf geschlossen sein oder werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Auffangbehälter mittels Kühlmittelleitungen unter Ausbildung eines zweiten Kühlmittelkreislaufs mit einem zweiten Wärmeüberträger zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und einem Kältemittelverbunden sein. Das Kältemittel kann z. B. das Kältemittel der Klimaanlage des Fahrzeugs sein.
  • Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Wärmeüberträger um den Wärmeüberträger der Klimaanlage des Fahrzeugs handeln, der in diesem Fall neben der Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums eine Kühlung des Kühlmittels bewirkt, indem das Kühlmittel in geeigneter Weise, z. B. mittels Aluminiumrohrleitungen, am Wärmeüberträger der Klimaanlage entlang geleitet wird.
  • Dies ermöglicht eine Kühlung des Kühlmittels beispielsweise für den Fall, dass die durch Verwendung des Kondensats erreichbare Kühlleistung nicht ausreichend ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist eine Kühlvorrichtung gemäß obiger Beschreibung auf. Beispielsweise kann es sich um ein Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug handeln, das zur Speicherung von elektrischer Energie für den Antrieb des Fahrzeugs eine Traktionsbatterie aufweist, die einer Kühlung bedarf. Entsprechend kann in diesem Fall das Kondensat der Klimaanlage zur Kühlung der Traktionsbatterie in einem Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug verwendet werden.
  • Insbesondere kann das Fahrzeug als Mildhybridfahrzeug ausgebildet sein oder werden. Es handelt sich dabei um ein Fahrzeug, bei dem ein Elektroantriebsteil den Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung unterstützt. Die elektromotorische Leistung kann z. B. in einem Bereich zwischen 6 und 14 kW/t liegen. Zudem kann die Möglichkeit bestehen, den Elektromotor zur Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) einzusetzen, so dass die zurückgewonnene Bremsenergie zum Wiederaufladen der Batterie eingesetzt werden kann.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels wird ein Kühlmittel von einem Auffangbehälter zu einem ersten Wärmeüberträger geleitet, z. B. gepumpt. Mittels des ersten Wärmeüberträgers wird Wärme von der Batterie an das Kühlmittel übertragen. Anschließend wird das mittels des ersten Wärmeüberträgers erwärmte Kühlmittel zurück in den Auffangbehälter geleitet, so dass ein erster Kühlmittelkreislauf gebildet wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kondensat einer Klimaanlage des Fahrzeugs in den Auffangbehälter eingeleitet wird und anschließend als Kühlmittel zur Kühlung der Batterie dient.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mittels der oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann überschüssiges Kühlmittel aus dem Auffangbehälter abgeleitet werden. Dazu kann z. B., wie oben beschrieben, ein Überlauf des Auffangbehälters genutzt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Kühlmittel von dem Auffangbehälter zu einem zweiten Wärmeüberträger geleitet werden. Mittels des zweiten Wärmeüberträgers kann Wärme von dem Kühlmittel an ein Kältemittel übertragen werden und anschließend kann das mittels des zweiten Wärmeüberträgers gekühlte Kühlmittel zurück in den Auffangbehälter geleitet werden, so dass ein zweiter Kühlmittelkreislauf gebildet wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Kältemittel um das Kältemittel der Klimaanlage des Fahrzeugs handeln.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt:
    • 1 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In dem im Folgenden erläuterten Beispiel wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die einen Teil des Beispiels bildet und in der zur Veranschaulichung eine spezifische Ausführungsform gezeigt ist, in der die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Traktionsakkumulators als Batterie 1 in einem Hybridelektrofahrzeug, insbesondere in einem Mildhybridelektrofahrzeug. Die Kühlvorrichtung weist einen ersten Wärmeüberträger 3 auf, der unterhalb der Batterie 1 angeordnet ist, so dass Wärme von der Batterie 1 auf ein den ersten Wärmeüberträger 3 durchströmendes Kühlmittel übertragen werden kann. Weiterhin ist ein Auffangbehälter 5 vorhanden, in dem das Kühlmittel 2 gesammelt wird.
  • Eine Pumpeinrichtung 4 ist derart angeordnet, dass mittels eines zur Pumpeinrichtung 4 gehörigen Ansaugschlauchs 10 Kühlmittel aus dem Auffangbehälter 5 gepumpt und einer Kühlmittelleitung 6 zugeführt werden kann, die das Kühlmittel zum ersten Wärmeüberträger 3 leitet. Weitere Kühlmittelleitungen 6 leiten das Kühlmittel vom ersten Wärmeüberträger 3 wieder zurück in den Auffangbehälter 5, so dass ein erster Kühlmittelkreislauf gebildet wird.
  • Der Auffangbehälter 5 ist zudem mittels einer Kondensatleitung 7 mit der Klimaanlage 8 des Fahrzeugs, die der Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums dient, verbunden, so dass an der Klimaanlage 8 anfallendes Kondensat in den Auffangbehälter 5 geleitet werden kann. Dieses Kondensat dient als Kühlmittel 2 zur Kühlung der Batterie 1.
  • Im Ausführungsbeispiel ist der erste Kühlmittelkreislauf als offener Kreislauf ausgebildet. Der Auffangbehälter 5 verfügt im oberen Bereich über einen Überlauf 11. Übersteigt das Kühlmittelniveau 9 im Auffangbehälter 5 eine bestimmte Füllhöhe, so wird überschüssiges Kühlmittel 2 aus dem Auffangbehälter 5 abgeleitet.
  • Der Kondensatzufluss ist im unteren Bereich des Auffangbehälters 5 angeordnet, so dass sich das eingeleitete kalte Kondensat möglichst wenig mit dem bereits im Auffangbehälter 5 befindlichen Kühlmittel 2 vermischt. Die Ansaugöffnung des Ansaugschlauchs 10 befindet sich ebenfalls im unteren Bereich des Auffangbehälters 5, so dass bevorzugt möglichst kaltes Kühlmittel 2 angesaugt und zum ersten Wärmeüberträger 3 geleitet wird. Der Rückfluss des Kühlmittels 2 vom ersten Wärmeüberträger 3 zurück in den Auffangbehälter 5 erfolgt bevorzugt im oberen Bereich des Auffangbehälters 5, ebenfalls um eine Vermischung mit dem bereits im Auffangbehälter 5 befindlichen Kühlmittel weitgehend zu vermeiden.
  • Solange Kondensat, d. h. kaltes Wasser, durch die Klimaanlage 8 zur Verfügung gestellt und in den Auffangbehälter 8 eingeleitet wird, kann überschüssiges Kühlmittel 2, das im Allgemeinen eine höhere Temperatur als das zugeführte Kondensat aufweist, aus dem Auffangbehälter 8 abgeleitet werden. Wird kein neues Kondensat mehr zugeführt, kann das verbleibende Kühlmittel 2 im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulieren.
  • Optional kann der Auffangbehälter 5 mittels weiteren Kühlmittelleitungen 6 mit einem zweiten Wärmeüberträger unter Ausbildung eines zweiten Kühlmittelkreislaufs verbunden sein, damit Wärme von dem Kühlmittel 2 an ein Kältemittel übertragen werden kann (nicht dargestellt). Bei dem Kältemittel kann es sich um das Kältemittel der Klimaanlage 8 handeln. Zudem kann als zweiter Wärmeüberträger der Wärmeüberträger der Klimaanlage 8 genutzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2
    Kühlmittel
    3
    erster Wärmeüberträger
    4
    Pumpeinrichtung
    5
    Auffangbehälter
    6
    Kühlmittelleitungen
    7
    Kondensatleitung
    8
    Klimaanlage
    9
    Kühlmittelniveau
    10
    Ansaugschlauch
    11
    Überlauf

Claims (12)

  1. Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie (1) in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels (2), aufweisend einen ersten Wärmeüberträger (3) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel (2) und der Batterie (1), eine Pumpeinrichtung (4) und einen Auffangbehälter (5) für das Kühlmittel (2), die mittels Kühlmittelleitungen (6) unter Ausbildung eines ersten Kühlmittelkreislaufs miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (5) mittels einer Kondensatleitung (7) mit einer Klimaanlage (8) des Fahrzeugs zur Einleitung von Kondensat der Klimaanlage (8) in den Auffangbehälter (5) verbunden ist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkreislauf ein offener Kreislauf ist.
  3. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangbehälter (5) mittels Kühlmittelleitungen (6) unter Ausbildung eines zweiten Kühlmittelkreislaufs mit einem zweiten Wärmeüberträger zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel (2) und einem Kältemittel verbunden ist.
  4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel das Kältemittel der Klimaanlage (8) des Fahrzeugs ist.
  5. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeüberträger (3) unterhalb der Batterie (1) oder die Batterie (1) zumindest teilweise umschließend angeordnet ist.
  6. Fahrzeug mit einer Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  7. Fahrzeug nach Anspruch 6, ausgebildet als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug.
  8. Fahrzeug nach Anspruch 7, ausgebildet als Mildhybridelektrofahrzeug.
  9. Verfahren zur Kühlung einer Batterie (1) in einem Fahrzeug mittels eines Kühlmittels (2), wobei in einem ersten Kühlkreislauf - ein Kühlmittel (2) von einem Auffangbehälter (5) zu einem ersten Wärmeüberträger (3) geleitet wird, - mittels des ersten Wärmeüberträgers (3) Wärme von der Batterie (1) an das Kühlmittel (2) übertragen wird und - das mittels des ersten Wärmeüberträgers (3) erwärmte Kühlmittel (2) zurück in den Auffangbehälter (5) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - Kondensat einer Klimaanlage (8) des Fahrzeugs als Kühlmittel (2) in den Auffangbehälter (5) eingeleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges Kühlmittel (2) aus dem Auffangbehälter (5) abgeleitet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Kühlmittelkreislauf - das Kühlmittel (2) von dem Auffangbehälter (5) zu einem zweiten Wärmeüberträger geleitet wird, - mittels des zweiten Wärmeüberträgers Wärme von dem Kühlmittel (2) an ein Kältemittel übertragen wird und - das mittels des zweiten Wärmeüberträgers gekühlte Kühlmittel (2) zurück in den Auffangbehälter (5) geleitet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel das Kältemittel der Klimaanlage (8) des Fahrzeugs ist.
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