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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperierungssystem für eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für die Batterie eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs, eine bevorzugte Verwendung eines solchen Temperierungssystems nach Anspruch 11 sowie ein Verfahren zum Temperieren einer Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Das Nachladen von Batterien, die zur Speicherung der Antriebsenergie in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, erfolgt bei Elektrofahrzeugen durch Anschließen an das Stromnetz. Bei diesem Ladevorgang entsteht in der Batterie Wärme, die abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und damit einen Defekt oder gar Ausfall der Batterie zu verhindern. Für die Auslegung des Kühl- und Kältesystem bedeutet dies, dass der Betriebspunkt Laden im Stand ohne Fahrtwind und gegebenenfalls mit eingeschalteter Klimaanlage zur Innenraumkonditionierung bei gleichzeitig heißen Umgebungsbedingungen auslegungsrelevant, mit Blick auf TESLA “ teilweise sogar kritischste Anforderung ist, und eine ausreichende Wärmeabfuhr für diesen Betriebszustand sichergestellt werden muss.
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Ein maßgeblicher Nachteil aktueller Batterien stellt die begrenzte Leistungsaufnahme dar. Diese begründet sich unter Anderem in der starken Eigenerwärmung der Batterien beim Laden bei gleichzeitig begrenzter Kühlleistung im Stand und dem Einhalten der „Wohlfühltemperatur“ oder Batteriezieltemperatur von 25° C bis 30° C (im Folgenden auch Zieltemperatur genannt). Die Folge der begrenzten Leistungsaufnahme sind bei immer größer werdenden Batterien längere Ladezeiten, was einen erheblichen Komfortnachteil für den Kunden durch lange Ladezeiten im Stand bedeutet. Daher wird versucht, durch höhere Ladeleistungen die Ladezeit zu verringern. Dies führt dazu, dass die Wärmeabgabe der Batterie weiter erhöht wird.
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Zur Temperierung der Batterie besitzt diese einen eigenständigen (Niedertemperatur-) Kühlmittelkreislauf. Dieser ist zum einen über einen Wärmetauscher (im Folgenden auch Chiller genannt) mit dem Kältemittelkreislauf verbunden, zum anderen ist ein Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher eingebunden, der auf Grund des vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus als Niedertemperaturkühler (im Folgenden auch NTK genannt) bezeichnet wird. Liegt die Umgebungstemperatur über der Wohlfühltemperatur der Batterie, so erfolgt die Wärmeabfuhr der Batterie über eine Kopplung mit dem Kältemittelkreislauf, also über den Chiller. Liegt die Umgebungstemperatur maßgeblich niedriger als die Solltemperatur der Batterie, so erfolgt die Kühlung direkt über den NTK, ohne den Kältemittelkreislauf zu nutzen bzw. ohne dass ein Wärmeaustausch über den Chiller erfolgt.
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Im genannten auslegungsrelevanten Betriebspunkt Laden im Stand und gegebenenfalls Klimatisierung des Innenraums ergibt sich die Situation begrenzter Kühlleistung. Dies liegt unter Anderem an fehlender Kühlungsluft, das heißt einer zu geringen Luftmenge, da der Ladevorgang im Stand erfolgt, und an einer begrenzten Dimensionierung der Komponenten des Kühlsystems und insbesondere seines Kältemittelkreislaufes. Insbesondere bei heißen Umgebungstemperaturen liegt ein niedriges treibendes Temperaturgefälle vor, was die Kühlleistung zusätzlich reduziert. Weiterhin erfolgt im genannten Betriebspunkt bei heißen Umgebungstemperaturen, also bei Umgebungstemperaturen größer als der Wohlfühltemperatur der Batterie, die Wärmeabfuhr rein über einen Kondensator des Kältemittelkreislaufes, wodurch der NTK nicht genutzt wird.
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So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 114 220 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines RESS (Rechargeable Energy Storage System) - Wärmesystems in einem Fahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf bekannt, der zum selektiven Kühlen des Kühlmittels ausgelegt ist.
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Im genannten Betriebspunkt, also beim Laden im Stand, heißen Umgebungstemperaturen, das heißt bei Umgebungstemperaturen größer als der Wohlfühltemperatur der Batterie, sowie Fahrzeuginnenraumklimatisierung wird der NTK des Batteriekreislaufes allerdings nicht genutzt. Nachteilig ist dabei, dass die Wärmeabfuhr an die Umgebung rein über den direkten Kondensator erfolgt. Zur effizienten Batteriekühlung bei niedrigen Umgebungstemperaturen und für eine Kühlung der Leistungselektronik / Motoren usw. kann auf den NTK dennoch nicht verzichtet werden. Gleichzeitig steht an dem NTK durch fehlenden Staudruck nur eine begrenzte Kühlleistung zur Verfügung, da der Kühlluftstrom allein von einem Lüfter bestimmt wird. Im packungskritischen Frontend ist die Dimensionierung der Komponenten aber begrenzt, und erschwerend kann bei heißen Umgebungstemperaturen noch ein niedriges treibendes Temperaturgefälle hinzukommen, so dass eine stets zuverlässige und gleichzeitig einfache Temperierung der Batterie im genannten Betriebspunkt nicht gewährleistet ist.
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Die vorstehenden Probleme werden erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch eine entsprechende Verschaltung der Kühl- und Kältemittelkreisläufe eine höhere Kühlleistung zu erzielen. Die Kreisläufe sollen dazu so aufgeteilt und verbunden werden, dass die direkten Wärmetauscher, also der Niedertemperaturkühler und der direkte Kondensator, besonders effizient auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden können. Dabei soll eine höhere Wärmeabfuhr an die Umgebung insbesondere im Betriebspunkt Laden im Stand erzielt werden, so dass in der Folge auch eine höhere Leistungsabgabe und -aufnahme der Batterie möglich ist, wodurch wiederum Komfortnachteile durch lange Ladezeiten ausgeschlossen werden. Die Leistungserhöhung wird erreicht, indem durch eine entsprechende Verschaltung der Kühlmittelkreislauf der Batteriekühlkreislauf aufgeteilt und auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben wird. Dazu erfolgt eine zweifache Koppelung von Kälte- und Batteriekühlkreislauf mit Hilfe eines indirekten Kondensators. Ein zusätzlicher Fluidkreislauf wird damit nicht benötigt. Die Verschaltung ermöglicht dabei verschiedene Betriebsmodi, je nach Kühlungsanforderung und Umgebungstemperatur. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der zweite Kühlmittelkreislauf ein viertes Ventil umfasst, das stromaufwärts vor der dritten Pumpe und dem indirektem Kondensator angeordnet ist. Durch Schließen dieses vierten Ventils kann ein Druckverlust in dem Kühlmittelkreislauf über den indirekten Kondensator hinweg sicher ausgeschlossen werden, wenn der Kühlmittelkreislauf durch entsprechendes Schalten des ersten Ventils nicht in voneinander getrennt durchströmbare erste und zweite Kühlmittelkreisläufe getrennt ist. Damit ist die Leistungsfähigkeit des Temperierungssystems in einem ursprünglich verbauten Zustand, das heißt ohne den indirekten Kondensator, zuverlässig garantiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass das vierte Ventil als ein Rückschlagventil ausgestaltet ist, das gegen eine Niederdruckseite des Kühlmittelkreislaufs schließt. Damit ist insbesondere ein aktives Schalten des vierten Ventils überflüssig, da dieses druckgesteuert aktiviert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der Kältemittelkreislauf ein zweites Ventil umfasst, das zum Schalten eines Durchströmens oder Umströmens des indirekten Kondensators in dem Kältemittelkreislauf ausgestaltet ist. Dieser Bypass ist zwar nicht zwingend notwendig, da der indirekte Kondensator auch immer eingekoppelt sein könnte, das heißt immer an ist oder über den Kühlmittelkreislauf geregt wird. Mit diesem Bypass kann aber eine differenziertere Einstellung der Wärmeabfuhr erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der Kältemittelkreislauf einen Verdampfer umfasst, der parallel zu dem Wärmetauscher in dem Strompfad des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist. Damit kann der Kältemittelkreislauf grundsätzlich auch ohne den Chiller, also entkoppelt von dem Kühlmittelkreislauf für andere Zwecke genutzt werden. Bevorzugt ist der Verdampfer dabei zur Innenraumkonditionierung eines Fahrzeugs ausgelegt.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der Kältemittelkreislauf wenigstens ein Stellventil umfasst, das stromaufwärts vor dem Verdampfer und / oder dem Wärmetauscher angeordnet ist. Damit lassen sich die besagten Komponenten des Kältemittelkreislaufs sowohl einzeln als auch gemeinsam, beispielsweise zur Wärmeabfuhr von der Batterie und aus dem Innenraum eines Fahrzeugs verwenden. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass Wärmetauscher und Verdampfer jeweils eigenständige und schaltbare Ventile aufweisen, um den Betrieb der Komponenten unabhängig voneinander differenziert zu regeln.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der Kühlmittelkreislauf eine Heizeinheit umfasst, die stromaufwärts vor der Batterie angeordnet ist. Diese Heizeinheit muss nicht notwendigerweise vorgesehen sein, kann aber bevorzugt zum Konditionieren der Batterie eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der direkte Kondensator und der Niedertemperaturkühler in unterschiedlichen Luftstrompfaden angeordnet sind. Dadurch kommt sowohl am direkten Kondensator als auch am Niedertemperaturkühler jeweils Kühlluft mit Umgebungstemperatur an, so dass ein maximales Temperaturdelta als treibendes Temperaturgefälle zur Verfügung steht. Im Falle, dass der Niedertemperaturkühler und der direkte Kondensator einen Luftstrompfad teilen, steht dagegen nur Luft auf Umgebungstemperaturniveau für den Niedertemperaturkühler zur Verfügung und erreicht den direkten Kondensator mit höherer Eingangstemperatur. Da der Niedertemperaturkühler in diesem Fall ohnehin im Luftstrompfad vorhanden ist, stellt dieser einen konstanten Druckverlust dar, der mit dem Kühlluftvolumenstrom überwunden werden muss. Dadurch liegt die Kühlleistung des Gesamtsystems mit Wärmeabgabe an Niedertemperaturkühler und direktem Kondensator dennoch über dem Wert, der alleine durch Wärmeabfuhr am direkten Kondensator erreicht werden könnte, und die gesamte abgegebene Wärmemenge steigt durch vollständige Ausnutzung der geförderten Kühlluftmenge entsprechend an.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperierungssystems ist es vorgesehen, dass der Niedertemperaturkühler mit einem Lüfter ausgestattet ist, der auch im Stand eines Fahrzeugs für einen vorbestimmten Kühlluftvolumenstrom sorgt, und idealerweise stufenlos einstellbar ist.
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Das vorstehend beschriebene Temperierungssystem soll auf Grund seiner einfachen Integrationsfähigkeit in ein bereits bestehendes Kühlsystem zum Temperieren der Batterie eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs, und / oder zum Konditionieren eines Innenraums, insbesondere des Innenraums eines Fahrzeugs verwendet werden.
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Die vorstehenden Probleme werden erfindungsgemäß auch durch den kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zur Lösung dieser Probleme ist es zwar auch denkbar, eine größere Dimensionierung des direkten Kondensators vorzunehmen. Dies wird aber unweigerlich zu Packungsproblemen im Frontend führen, da der direkte Kondensator bei einem BEV (Battery Electric Vehicle; Batterieelektrischen Fahrzeug) als größter Kühler im Frontend packungsdominierend ist. Am Beispiel von TESLA™ kann dies zu einer schrägen Kühlerpositionierung führen und ist zudem teuer und nur kritisch handhabbar.
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Es wäre auch ein Wegfall des direkten Kondensators denkbar, wobei der Kältemittelkreislauf als Klimakreislauf über den indirekten Kondensator an den Kältemittelkreislauf angeschlossen ist. Dies würde aber einen größeren Niedertemperaturkühler benötigen, was wiederum zu möglichen Packungsproblemen im Frontend führen würde. Ein Wärmeeintrag vom Klimakreislauf auf hohem Temperaturniveau von 60° C bis 70° C ist allerdings kritisch für die Kühlmittel- oder Niedertemperaturkreisläufe, da das Temperaturniveau steigt. Alternativ wäre auch ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf und Hochtemperaturkühler zur Einbindung des Kältemittelkreislaufes über den indirekten Kondensator oder ein erweiterter Kühlmittelkreislauf mit zusätzlichen Kühlerdurchströmungen zum Erzeugen von unterschiedlichen Temperaturniveaus möglich. In der Folge wäre aber eine Mehranzahl benötigter Komponenten erforderlich.
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Zudem ist auch ein Wegfall des Niedertemperaturkühlers denkbar, so dass eine Kühlung komplett über den Klimakreislauf erfolgt. Dies wiederum würde aber zu einer weniger effizienten Batteriekühlung bei Umgebungstemperaturen unterhalb der der Batteriezieltemperatur bei Kühlung rein über den Kältemittelkreislauf führen, da der größte Anteil an Umgebungstemperaturen bei kleiner 30° C liegt. Außerdem wäre die Kühlung weiterer Komponenten wie Antriebsmotor, Leistungselektronik usw. ebenfalls über den Kältemittelkreislauf notwendig, was eine geringere Effizienz bedeuten würde.
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Die erfindungsgemäße Lösung der genannten Probleme geht deshalb einen ganz anderen Weg, indem ein Verfahren bereitgestellt wird, bei dem der Kühlmittelkreislauf in einen ersten und einen zweiten voneinander getrennt durchströmbaren Kühlmittelkreislauf geschaltet, und der zweite Kühlmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf über einen indirekten Kondensator miteinander gekoppelt werden. Dieses Verfahren ist besonders einfach zu realisieren, insbesondere dann, wenn bereits ein Kühlsystem mit einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf vorhanden sind, die lediglich erfindungsgemäß zu verschalten wären. Da ein Niedertemperaturkühler zur Batteriekühlung ohnehin vorhanden sein muss, wird dieser bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich effizient auf höherem Temperaturniveau mitgenutzt. Prinzipiell wird mit der speziellen Schaltung ein Betriebszustand des Fahrzeugs abgebildet, der beim Laden im Stillstand und bei hoher Leistungsentnahme aus der Batterie auftreten kann. Hier entsteht eine große Verlustwärme in der Batterie, die abgeführt werden muss. Im Stillstand fehlt zudem die Fahrtluft, die den luftgekühlten Kondensator bzw. Kühlmittelkühler effizienter kühlt.
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Die Kühlung der Batterie erfolgt dabei konkret entweder durch Verbindung beider Teilkreisläufe durch das Ventil, oder indem bei hoher Kühlleistungsanforderung die beiden Kühlkreisläufe entkoppelt werden, so dass die Kühlung der Batterie über einen ersten kühlmittelseitigen Teilkreislauf erfolgt, wobei der zweite Teilkreislauf inaktiv ist. Die Wärmeabfuhr der Batterie erfolgt über den Kältemittelkreislauf beziehungsweise über den direkten Kondensator. Bei sehr hoher Kühlleistungsanforderung sind die beiden Kühlmittelkreisläufe auch entkoppelt. Die Kühlung der Batterie erfolgt über den kühlmittelseitigen ersten Teilkreislauf, aber der zweite Teilkreislauf ist aktiviert. Somit dient der indirekte Kondensator als Vorkühler des direkten Kondensators und macht den Niedertemperaturkühler als weitere Wärmesenke nutzbar.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass in den Kältemittelkreislauf ein Verdampfer hinzuschaltbar ist, der eine unabhängige Nutzung des Kältemittelkreislaufs erlaubt. Bevorzugt wird dieser Verdampfer dabei zur Innenraumkonditionierung eines Fahrzeugs eingesetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass der Kältemittelkreislauf bei der Abfuhr von Wärme durch den Wärmetauscher unterstützt wird, wenn eine Wärmeleistung größer 12 kW über den Niedertemperaturkühler beziehungsweise Klimakondensator und / oder über die Kondensatoren abgeführt werden muss, also wenn z.B. eine Verlustleistung der Batterie mehr als 12 kW beträgt. Diese Verlustwärme beispielsweise einer Fahrzeugkabine und / oder der Batterie steht schließlich am direkten Kondensator zur Kühlung an, wobei mit der aufkommenden Schnellladetechnik > 300 kW mit Verlusten von bis zu 25 kW zu rechnen sein wird, die abgeführt werden müssen. Durch die Unterstützung des luftgekühlten Kondensators könnte dieser eventuell auch kleiner dimensioniert werden, da der indirekte Kondensator (kühlmittelgekühlt) eine höhere Leistungsdichte aufweist. Damit kann die Kältemittelmenge im System kleiner werden, da Kältemittel teuer und nicht gut für die Umwelt beziehungsweise brennbar sind. Zudem könnte so auch die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage selber erhöht werden, damit diese eventuell bei einem Ladevorgang weiter betrieben werden kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Temperierungssystems für eine Batterie eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs;
- 2 den expandierten Schaltplan der 1 zur besseren Erkennbarkeit einzelner Betriebsmodi des Temperierungssystems;
- 3 den expandierten Schaltplan der 1 in einem ersten Betriebsmodus;
- 4 den expandierten Schaltplan der 1 in einem zweiten Betriebsmodus, und
- 5 den expandierten Schaltplan der 1 in einem dritten Betriebsmodus.
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1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Temperierungssystems 1 für eine Batterie 2 eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs. Die Batterie 2 ist in einem Kühlmittelkreislauf 3 zusammen mit einer ersten Pumpe 6 und einem NTK 7 angeordnet. Ein Kältemittelkreislauf 4 umfasst eine zweite Pumpe 8 und einen direkten Kondensator 9, und ist mit dem Kühlmittelkreislauf 3 über einen Chiller 5 gekoppelt. Ausgehend von diesem grundlegenden Kühlsystem ist in dem Kühlmittelkreislauf 3 ein erstes (4-Wege/2-Stellungen)-Ventil 3-1 und 3-2 angeordnet, über welches der Kühlmittelkreislauf 3 in zwei voneinander getrennt durchströmbare Kühlmittelkreisläufe 3-1 und 3-2 schaltbar ist. Bei Auftrennung des Kühlmittelkreislaufs 3 wird in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 eine dritte Pumpe 12 aktiviert, die das Kühlmittel über einen indirekten Kondensator 11 umwälzt, der wiederum in den Kältemittelkreislauf 4 integriert ist, und dort über ein zweites (3-Wege/2-Stellungen) Ventil 13 schaltbar ist. Ein Rückschlagventil 14 verhindert einen Druckverlust über indirekten Kondensator 11 und Pumpe 12 bei nicht aufgeteiltem Kühlmittelkreislauf 3. Der Schaltplan zeigt weiterhin einen parallel zu dem Chiller 5 in dem Kältemittelkreislauf 4 angeordneten Verdampfer 15 und eine in dem Kühlmittelkreislauf 3 angeordnete Heizeinheit 17 zum Konditionieren der Batterie 2. Ein (2-Wege/2-Stellungen) Stellventil 16-3 lässt dabei auch einen getrennten Betrieb des Kältemittelkreislaufs 4 bei kühlmittelseitig abgesperrtem Chiller 5 zu. Eine Leistungserhöhung des grundlegenden Kühlsystems wird durch die entsprechende Verschaltung des Kühlmittelkreislaufs 3 in den ersten Kühlmittelkreislauf 3-1, also einen Batteriekühlkreislauf, und einen zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 erreicht, die auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden können. Dazu erfolgt eine weitere (zweifache) Kopplung von Kältemittelkreislauf 4 und Kühlmittelkreislauf 3 mit Hilfe des indirekten Kondensators 11, neben der Kopplung von Kältemittelkreislauf 4 und Batteriekühlkreislauf 3-1 über den Chiller 5. Ein zusätzlicher Fluidkreislauf wird nicht benötigt. Kühlungen eines elektrischen (Fahrzeug)Motors und von Leistungselektronik wie auch Entspannungstanks für das Kälte- bzw. Kühlmittel sind nicht gezeigt, könnten aber auch in die Kreisläufe 3, 4 eingebunden werden.
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Im Prinzip wird also der Batteriekreislauf 3 über das Ventil 10 in zwei Kreisläufe 3-1, 3-2 aufgeteilt und auf unterschiedlichem Temperaturniveau betrieben. Gleichzeitig erfolgt eine zusätzliche Kopplung des Kältekreislaufs 4 mit dem Kreislauf 3-2. Die Wärmeabfuhr am indirekten Kondensator 11 erfolgt über Kreislauf 3-2 am Wärmetauscher 7.
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2 zeigt den expandierten Schaltplan der 1 zur besseren Erkennbarkeit einzelner Betriebsmodi des Temperierungssystems 1. Das Ventil 10 ist dabei so schaltbar, dass es in einer ersten Stellung (durchgezogene Pfeile) die Durchströmung des Kühlmittelkreislauf 3 erlaubt, während es in einer zweiten Stellung (gestrichelte Pfeile) eine Durchströmung in dem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1, also dem Batteriekreislauf, erlaubt, während diese Durchströmung in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-1 gesperrt ist. Im zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 wälzt die dritte Pumpe 12 das Kühlmittel über den indirekten Kondensator 11 und den NTK 7 um, wobei der indirekte Kondensator 11 - neben dem Chiller 5 - in den Kältemittelkreislauf 4 integriert ist. Um einen dauerhaften Druckverlust des indirekten Kondensators 11 in dem Kältemittelkreislauf 4 zu verhindern, kann dieser durch das Ventil 13 umgangen werden. Auf der Kühlmittelseite wird ein Druckabfall über den Strompfad der dritten Pumpe 12 und des indirekten Kondensators 11 durch das Rückschlagventil 14 verhindert, wenn sich das Ventil 10 in einer Stellung befindet, in welcher der Kühlmittelkreislauf 3 nicht aufgetrennt ist. Bei dem indirekten Kondensator 11 kann auf eine Unterkühlstrecke verzichtet werden, wodurch das Bauteil einfacher als herkömmliche indirekte Kondensatoren gestaltet werden kann.
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3 zeigt den expandierten Schaltplan der 1 in einem ersten Betriebsmodus für niedrige Umgebungstemperaturen zur Wärmeabfuhr aus der Batterie 2 direkt über den NTK 7. Der Strömungspfad dritte Pumpe 11 und indirekter Kondensator 11 wird auf Grund des Rückschlagventils 14 nicht durchströmt. Der indirekte Kondensator 11 wird auch im Kältemittelkreislauf 4 nicht durchströmt. Der Kältemittelkreislauf 4 kann beispielsweise zur Innenraumkonditionierung eines Fahrzeugs betrieben werden. Eine Durchströmung des Chillers 5, und damit ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf 4 und dem Kühlmittelkreislauf 3, findet nicht statt.
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4 zeigt den expandierten Schaltplan der 1 in einem zweiten Betriebsmodus für hohe Umgebungstemperaturen zur maximalen Kühlung der Batterie 2. Der Kühlmittelkreislauf wird dabei über das erste Ventil 10 aufgeteilt in zwei getrennte Kreisläufe 3-1 und 3-2. Die Wärmeabfuhr aus dem Batteriekühlkreislauf 3-1 erfolgt über den Chiller 5, der kältemittelseitig durchströmt wird. Die Wärmeabfuhr im Kältemittelkreislauf 4 erfolgt über den indirekten Kondensator 11 sowie den direkten Kondensator 9 an den zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 und von dort über den NTK 7 an die Umgebung. Der zweite Kühlmittelkreislauf 3-2 wird mithilfe der dritten Pumpe 12 durchströmt und auf deutlich höherem Temperaturniveau betrieben als der Kühlmittelkreislauf 3-1. Dadurch werden ein höheres Temperaturgefälle zur Umgebung und dadurch eine effizientere Kühlung möglich.
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5 zeigt den expandierten Schaltplan der 1 in einem dritten Betriebsmodus zur maximalen Wärmeabgabe bei extrem hohen Leistungsanforderungen bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Die gemeinsame Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittelkreislauf 3 erfolgt über NTK 7 und Chiller 5, wobei der Strömungspfad dritte Pumpe 12 und indirekter Kondensator 11 nicht durchströmt wird. Der indirekte Kondensator 11 wird auch im Kältemittelkreislauf 4 umgangen. Abweichend von den vorstehenden 1 bis 4 sind hier zwei Stellventile 16-2 und 16-3 zur separaten Steuerung des Chillers 5 und des dazu parallel geschalteten Verdampfers 15 vorgesehen sind.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Temperierungssystems 1 liegt darin, dass ein maßgeblicher Mehranteil an Kühlleistung erzielbar ist, die hierbei insbesondere zur Temperierung der Batterie eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht insbesondere bei heißen Umgebungstemperaturen, bei denen niedrige treibende Temperaturgefälle die Kühlleistung ohnehin reduzieren, das Ausnutzen von Kühlleistungsreserven im kritischen Betriebspunkt Laden im Stand durch Verwendung der bereits ohnehin installierten Wärmetauscher 7 und 9. Diese Kühlleistungsreserven können zum einen zur stärkeren Kühlung der Batterie 2 eingesetzt werden, wodurch deren Leistungsabgabe und -aufnahme erhöht wird und dadurch Ladezeiten verringert oder längere Zeiten für maximale Leistungsabgaben zur Verfügung stehen. Zum anderen kann hinzukommen, dass durch Konditionierung des Innenraums eines Fahrzeugs im Betriebspunkt Laden im Stand zusätzliche Leistungsanforderungen gestellt sind, wodurch der Kältemittelkreislauf 4 zusätzlich belastet wird.
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Das Verfahren ist gerade auch dann besonders effizient, wenn der NTK 7 sowie der direkte Kondensator 9 auf unterschiedlichen Luftstrompfaden angeordnet sind. Dadurch kommt sowohl am Kondensator als auch am Kühlmittelkühler jeweils Kühlluft mit Umgebungstemperatur an, so dass ein maximales Temperaturdelta als treibendes Temperaturgefälle zur Verfügung steht.
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Mit dem beschriebenen Verfahren wird Kühlleistung generiert, ohne dabei im packungskritischen Frontend-Bereich mehr Bauraum zu benötigen. Vielmehr werden die ohnehin vorhandenen direkten Wärmetauscher 7, 9 auf verschiedenen Temperaturniveaus effizient ausgenutzt. Zusätzlich benötigte Komponenten wie indirekter Kondensator 11 und dritte Pumpe 12 können an packungsunkritischen Stellen untergebracht werden. Weiterhin ist es möglich, bei hohen Umgebungstemperaturen das Temperierungssystem 1 mit dem im zweiten Betriebsmodus beschriebenen Verfahren auch während der Fahrt zu betreiben, um Kühlleistung abzurufen. Dies insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen und hohem Kühlleistungsbedarf durch Klimatisierung, Batteriekühlung, usw. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen und maximal hoher Kühlanforderung der Batterie 2 kann der kombinierte Betrieb aus maximaler Wärmeabfuhr über den NTK sowie der Kopplung von Kältemittelkreislauf 4 und Kühlmittelkreislauf 3 über Chiller 5 und direkten Kondensator 9 entsprechend dem dritten Betriebsmodus ebenfalls umgesetzt werden. Eine Einbindung von Leistungselektronik / Ladeeinheiten / Antriebsmotoren usw. ist weiterhin möglich, so dass deren Kühlung im Betriebspunkt sichergestellt werden kann. Insbesondere die Einbindung in den zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 erscheint sinnvoll, da die Leistungselektronikkomponenten auf höherem Temperaturniveau als der Batteriekreislauf 3-1 betrieben werden können, so dass zur effizienten Kühlung ein größeres Temperaturdelta mit der Umgebung genutzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011114220 A1 [0006]
