DE102018206936A1

DE102018206936A1 - Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018206936A1
Application number: DE102018206936.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Lindauer; Rainer Lutz
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (16) eines Kraftfahrzeugs (1),
- mit einer Antriebseinrichtung (2) und einer Fahrzeugbatterie (3), die in einen ersten Kühlkreislauf (5) eingebunden sind,
- mit einem Chiller (7),
- mit einem die Fahrzeugbatterie (3) und den Chiller (7) umgehenden Bypasskanal (9),
- mit einem ersten Ventil (10) und einem zweiten Ventil (11), die in einer jeweiligen zweiten Stellung einen vom ersten Kühlkreislauf (5) abgetrennten zweiter Kühlkreislauf (18) bilden, in dem eine zweite Kühlmittelpumpe (12) angeordnet ist, die einen Kühlmittelstrom im zweiten Kühlkreislauf (18) ausschließlich durch den Chiller (7) und die Fahrzeugbatterie (3) leitet und so eine vom ersten Kühlkreislauf (5) unabhängige Kühlung der Fahrzeugbatterie (3) durch den Chiller (7) ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, eines Hybridfahrzeugs oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein solches Fahrzeug mit einem derartigen Kühlsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kühlsystems.
Für alternative, elektrifizierte Antriebsstränge, wie beispielsweise in einem rein elektrisch betriebenen Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, aber auch bei einem Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung der für den Elektromotor erforderlichen elektrischen Energie, werden für die unterschiedlichen Komponenten zum Teil deutlich tiefere Temperaturen benötigt, als bei klassischen Antriebsstrangkonzepten mit Brennkraftmaschinen. Insbesondere eine aufladbare Fahrzeugbatterie benötigt zur Erhaltung ihrer Lebensdauer und Leistung ein sehr kleines Temperaturfenster, das zum Teil unterhalb der Umgebungstemperatur liegen kann.
Um diese speziell bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen erforderlichen Bedingungen erfüllen zu können, ist es bekannt, ein Kühlmittel für eine Batteriekühlung mittels eines Chillers unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Der Chiller wird dabei üblicherweise mit Kältemittel aus einer Fahrzeugklimaanlage gekühlt. Die Fahrzeugbatterie sowie der Chiller befinden sich dabei typischerweise in einem Niedertemperaturkühlmittelkreislauf, der in einem Frontend des Kraftfahrzeugs oder einer Zusatzkühlanlage mit einem Niedertemperaturkühlmittelkühler gekühlt wird. Um eine Aufheizung des Kühlmittelkreislaufs durch die Umgebungsluft zu vermeiden, muss im Chiller-Betrieb der Kühlmittelkühler mittels eines Bypasses umgangen werden, da sonst die vom Chiller abzuführende Wärmemenge zu groß wird.
Um dies erreichen zu können, bedarf es in der Regel für die weiteren Wärmequellen mit Niedertemperaturbedarf, wie beispielsweise eine Elektronik oder Elektromotoren, einen weiteren Kühlmittelkreislauf, da die Wärmeabfuhr aus diesen Komponenten auch bei einem Chiller-Betrieb sichergestellt sein muss und der Chiller mit der gesamt anfallenden Wärmeleistung ansonsten überfordert wäre.
Generell gilt dabei, dass bei reinen Elektrofahrzeugen ein weiterer Niedertemperaturkühlmittelkreislauf noch akzeptabel wäre, während er bei Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen jedoch zu großen Bauraumproblemen führen könnte, da sich neben den beiden Niedertemperaturkühlmittelkühlern (für Chiller und Elektromotor) noch weitere Kühler im Frontend des Kraftfahrzeugs befinden, wie beispielsweise ein Ladeluftkühler, ein Hochtemperaturkühlmittelkühler für eine Brennstoffzelle bzw. die Brennkraftmaschine. Außerdem erhöhen sich durch eine weitere Kühlerebene ein kühlluftseitiger Druckverlust sowie ein Leistungsbedarf von Lüftern.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen konstruktiv deutlich einfacheren Aufbau auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, aufgrund einer erfindungsgemäßen Verschaltung eines Chillers eine bedarfsorientierte autarke Kühlung einer Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug zu bewirken, ohne dass hierfür ein weiterer kompletter Niedertemperaturkühlmittelkreislauf erforderlich wäre. Durch den Wegfall des bislang für den Chiller erforderlichen weiteren Niedertemperaturkühlmittelkreislauf lässt sich der konstruktive Aufwand erheblich reduzieren, wodurch sich auch die damit verbundenen Kosten verringern lassen. Das erfindungsgemäße Kühlsystem weist dabei eine Antriebseinrichtung, beispielsweise einen Elektromotor, sowie eine aufladbare Fahrzeugbatterie auf, die in einen ersten Kühlkreislauf mit einer ersten Kühlmittelpumpe eingebunden sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Chiller, der einerseits in den ersten Kühlkreislauf und andererseits in einen Kältemittelkreislauf, beispielsweise einer Fahrzeugklimaanlage, eingebunden ist. Des Weiteren vorgesehen sind ein die Fahrzeugbatterie und den Chiller umgehender Bypasskanal sowie ein erstes Ventil, das im ersten Kühlkreislauf stromauf des Chillers und der Fahrzeugbatterie angeordnet und derart ausgebildet ist, dass es in einer ersten Schaltstellung einen im ersten Kühlkreislauf strömenden Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie leitet und eine Durchströmung des Bypasskanals blockiert, während es in einer zweiten Stellung den Kühlmittelstrom durch den Bypasskanal leitet. Zusätzlich vorgesehen ist ein zweites Ventil, das ebenfalls im ersten Kühlkreislauf angeordnet ist und welches in einer ersten Schaltstellung einen im ersten Kühlkreislauf strömenden Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie leitet und in einer zweiten Schaltstellung den Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie und den Chiller leitet. Bei sich in ihrer jeweiligen zweiten Stellung befindenden ersten und zweiten Ventilen ist dabei erfindungsgemäß ein vom ersten Kühlkreislauf abgetrennter zweiter Kühlkreislauf gebildet, in dem eine zweite Kühlmittelpumpe angeordnet ist, die einen Kühlmittelstrom im zweiten Kühlkreislauf ausschließlich durch den Chiller und die Fahrzeugbatterie leitet. Selbstverständlich sind dabei Zwischenstellungen der Ventile denkbar. Befinden sich somit das erste und zweite Ventil in ihrer jeweils zweiten Schaltstellung, strömt der Kühlmittelstrom des ersten Kühlkreislaufs über den Bypasskanal sowohl am Chiller als auch an der Fahrzeugbatterie vorbei, während in der jeweiligen zweiten Schaltstellung des ersten und zweiten Ventils eine vom ersten Kühlkreislauf unabhängige Kühlung der Fahrzeugbatterie erfolgen kann, indem aus dem ersten Kühlkreislauf einfach ein in sich geschlossener Teilkreislauf abgetrennt wird, in welchem die zweite Kühlmittelpumpe, der Chiller und die Fahrzeugbatterie in Reihe geschaltet sind. Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist es erstmals möglich, auf einen bislang erforderlichen Niedertemperaturkreislauf für den Chiller gänzlich zu verzichten, wodurch sämtliche hierfür erforderlichen Leitungen entfallen können. Dies ermöglicht erhebliche konstruktive und damit auch monetäre Vorteile.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind das erste Ventil und das zweite Ventil als 3-Wege-Ventile ausgebildet. Derartige 3-Wege-Ventile können als Thermostatventile bzw. als temperaturgesteuerte Magnetventile ausgebildet sein und dadurch entweder selbsttätig oder angesteuert einen Kühlmittelstrom zwischen dem Bypasskanal, dem Chiller bzw. der Fahrzeugbatterie aufteilen. Derartige 3-Wege-Ventile sind dabei kostengünstig und langjährig erprobt. Gleiches gilt auch für den Fall, dass das erste und das zweite Ventil als sogenannte Vier-Wege-Ventile ausgebildet sind.
Zweckmäßig ist das erste Ventil als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, besonders bevorzugt bei T_G ca. 30°C, liegt. Das zweite Ventil ist in diesem Fall vorzugsweise ebenfalls als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, besonders bevorzugt bei T_G ca. 30°C, liegt. Mit steigender Außentemperatur ist eine verstärkte Kühlung der Fahrzeugbatterie erforderlich, um diese in einem für die Leistung und Lebensdauer optimalen Temperaturfenster halten zu können. Über die Kühlmittelströmung im ersten Kühlkreislauf ist dies nicht möglich, da dort die Kühlmitteltemperatur bereits zu hoch wäre. Durch das Umschalten des ersten und zweiten Ventils von seiner jeweiligen ersten in seine jeweilige zweite Schaltstellung, vorzugsweise ab einer Kühlmittelgrenztemperatur von ca. 30°C erfolgt, kann bei weiter ansteigenden Umgebungstemperaturen bzw. Kühlmitteltemperaturen die Fahrzeugbatterie in einen ausschließlich noch vom Chiller gekühlten und damit deutlich tiefer abkühlbaren Temperaturbereich überführt werden. Durch das Abtrennen der Fahrzeugbatterie und des Chillers ab der vordefinierten Kühlmittelgrenztemperatur lässt sich die Fahrzeugbatterie unabhängig von der Kühlmitteltemperatur im ersten Kühlkreislauf verstärkt kühlen und damit in einem für sie optimalen Temperaturfenster halten.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind das erste Ventil als 3-Wege-Ventil und das zweite Ventil als Rückschlagventil ausgebildet. Dies stellt eine besonders günstige Ausführungsform dar, da ein derartiges Rückschlagventil nicht nur kostengünstig, sondern auch konstruktiv einfach ausgebildet ist. Befindet sich in diesem Fall das erste Ventil in seiner ersten Schaltstellung, so wird die Fahrzeugbatterie durch die Kühlmittelströmung im ersten Kühlkreislauf durchströmt, während sowohl der Chiller als auch der Bypasskanal nicht durchströmt sind. Eine Durchströmung des Chillers wird dabei durch das vorzugsweise stromab von diesem angeordnete Rückschlagventil verhindert. Steigt die Kühlmittelgrenztemperatur an, so wechselt das erste Ventil in seine zweite Schaltstellung, in welcher es den Kühlmittelstrom des ersten Kühlkreislaufs ausschließlich über den Bypasskanal und damit vorbei am Chiller und vorbei an der Fahrzeugbatterie führt. In diesem Fall ist somit ein Teilkreislauf des Kühlmittels, das heißt der zweite Kühlkreislauf, in welchem der Chiller, die zweite Kühlmittelpumpe, das Rückschlagventil und die Fahrzeugbatterie angeordnet sind, vom ersten Kühlkreislauf abgetrennt, so dass bei einem Aktivieren der zweiten Kühlmittelpumpe eine Kühlmittelströmung ausschließlich durch den Chiller, die Fahrzeugbatterie und das Rückschlagventil erfolgen kann, so dass in diesem Fall eine vom ersten Kühlkreislauf völlig unabhängige Temperierung, insbesondere verstärkte Kühlung, der Fahrzeugbatterie erfolgen kann.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem zuvor beschriebenen Kühlsystem auszustatten und dadurch die mit diesem Kühlsystem einhergehenden Vorteile auf ein derartiges Kraftfahrzeug zu übertragen.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems nach einem der vorherigen Absätze anzugeben, bei dem sich unterhalb oder bis zu einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G das erste und zweite Ventil in ihrer jeweiligen ersten Stellung befinden, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, besonders bevorzugt bei T_G ca. 30°C, liegt, und die Fahrzeugbatterie mit einem im ersten Kühlreislauf strömenden Kühlmittelstrom gekühlt wird, so dass in diesem Fall die Kühlung der Fahrzeugbatterie ausschließlich durch das im ersten Kühlkreislauf strömende Kühlmittel erfolgt. Bei Überschreiten der Kühlmittelgrenztemperatur T_G werden das erste und zweite Ventil in ihre zweite Stellung verstellt und bilden den geschlossenen und vom ersten Kühlkreislauf abgetrennten zweiten Kühlkreislauf, in welchem die zweite Kühlmittelpumpe eine Kühlmittelströmung ausschließlich durch den Chiller und die Fahrzeugbatterie bewirkt, so dass in diesem Fall die Fahrzeugbatterie individuell und unabhängig vom ersten Kühlkreislauf gekühlt werden kann. Auch dabei kann die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, besonders bevorzugt bei T_G ca. 30°C, liegen. Hierdurch kann die Fahrzeugbatterie in einem für sie optimalen Temperaturfenster gehalten werden, ohne eine weitere Kühlerebene.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems eines Kraftfahrzeugs,
2a eine Darstellung eines Bereichs A aus 1 bei einer ersten Ausführungsform und sich jeweils in ihrer ersten Schaltstellung befindlichen ersten und zweiten Ventilen,
2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch bei sich in ihrer jeweils zweiten Schaltstellung befindlichen ersten und zweiten Ventilen,
3a eine Darstellung wie in 2a, jedoch mit 4-Wege-Ventilen,
3b eine Darstellung wie in 2b, jedoch mit 4-Wege-Ventilen,
4 eine Darstellung wie in 2a, jedoch mit anders angeordneten 3-Wege-Ventilen,
5 eine Darstellung wie in 4, jedoch mit anders angeordneter zweiter Kühlmittelpumpe,
6 ein erfindungsgemäßes Kühlsystem mit zum Chiller in Reihe geschalteter Fahrzeugbatterie,
7 eine Darstellung wie in 6, jedoch bei anders angeordneter zweiter Kühlmittelpumpe,
8 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems, jedoch mit einem als Rückschlagventil ausgebildeten zweiten Ventil,
9 eine Darstellung wie in 8, jedoch bei sich in seiner zweiten Stellung befindlichem ersten Ventil.

Entsprechend der 1 ist ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug 1 gezeigt, welches beispielsweise als reines Elektrofahrzeug, als Hybridfahrzeug oder als Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet sein kann. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 weist eine Antriebseinrichtung 2, insbesondere einen Elektromotor, sowie eine aufladbare Fahrzeugbatterie 3 auf. Daneben ist eine Elektronik 4 vorgesehen, über welche beispielsweise alle möglichen elektronischen Funktionen im Kraftfahrzeug 1 steuerbar bzw. regelbar sind. Die Fahrzeugbatterie 3, sowohl die Elektronik 4 sind dabei in einen ersten Kühlkreislauf 5 mit einer ersten Kühlmittelpumpe 6 eingebunden. Ebenfalls vorgesehen ist ein Chiller 7 (vgl. auch die 2 bis 9), welcher einerseits in den ersten Kühlkreislauf 5 und andererseits in einen Kältemittelkreislauf 8 eingebunden ist. Die Fahrzeugbatterie 3 und der Chiller 7 sind dabei entsprechend den 1 bis 5 sowie 8 und 9 im ersten Kühlkreislauf 5 parallel zueinander geschaltet, während sie in den 6 und 7 in Reihe zueinander angeordnet sind. Aus 1 bis 9 weiter zu entnehmen ist, dass ein die Fahrzeugbatterie 3 und den Chiller 7 umgehender Bypasskanal 9 vorgesehen ist. Über diesen Bypasskanal 9 kann der Chiller 7 und die Fahrzeugbatterie 3 umgangen werden. Stromauf des Chillers 7 ist dabei im ersten Kühlkreislauf 5 ein erstes Ventil 10 angeordnet, wobei das erste Ventil 10 in diesem Fall auch stromauf der Fahrzeugbatterie 3 angeordnet ist. Zudem ist das erste Ventil 10 derart ausgebildet, dass es in einer ersten Schaltstellung einen im ersten Kühlkreislauf 5 strömenden Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie 3 leitet und eine Durchströmung des Bypasskanals 9 blockiert, während es in einer zweiten Stellung den Kühlmittelstrom durch den Bypasskanal 9 leitet. Weiter vorgesehen ist ein zweites Ventil 11, das ebenfalls im ersten Kühlkreislauf 5 angeordnet ist und welches in einer ersten Schaltstellung einen im ersten Kühlkreislauf 5 strömenden Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie 3 und in einer zweiten Schaltstellung den Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie 3 und den Chiller 7 leitet, wobei bei sich in ihrer jeweiligen zweiten Stellung befindenden ersten und zweiten Ventilen 10,11 ein vom ersten Kühlkreislauf 5 abgetrennter zweiter Kühlkreislauf 18 gebildet ist, in dem eine zweite Kühlmittelpumpe 12 angeordnet ist, die einen Kühlmittelstrom im zweiten Kühlkreislauf 18 ausschließlich durch den Chiller 7 und die Fahrzeugbatterie 3 leitet. Hierdurch ist somit eine Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich durch den Chiller 7 und unabhängig vom ersten Kühlkreislauf 5 möglich. Die einzelnen Schaltstellungen der Ventile 10, 11 sind dabei gemäß den 2a, 2b, 3a und 3b gezeigt.
Im ersten Kühlkreislauf 5 ist zusätzlich ein Kühlmittelkühler 13 angeordnet, während im Kältemittelkreislauf 8 ein Kondensator 14 und der Chiller 7 angeordnet sind. Des Weiteren ist gemäß der 1 im ersten Kühlkreislauf 5 ein Wärmeübertrager 15 angeordnet, der zur Kühlung der Antriebseinrichtung 2 dient.
Gemäß den 2 bis 9 sind dabei jeweils Bereiche A aus 1 gezeigt, mit jeweils unterschiedlicher Anordnung bzw. Ausbildung der Ventile 10, 11 sowie der zweiten Kühlmittelpumpe 12. Der erste Kühlkreislauf 5, die erste Kühlmittelpumpe 6, der Kühlmittelkühler 13, der Kondensator 14, der Kältemittelkreislauf 8 sowie der Chiller 7 und die Fahrzeugbatterie 3 sind dabei Bestandteil eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 16, das hinsichtlich seiner Funktionsweise anhand der 2 bis 9 näher erläutert wird. Das Kühlsystem 16 ist dabei in einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges 1 eingebettet, der gemäß der 1 unterhalb der punktierten Linie gezeichnet ist, während eine Klimaanlage 17 zur Klimatisierung einer Fahrzeugkabine oberhalb der punktierten Linie angeordnet ist. Die Klimaanlage 17 ist dabei in den Kältemittelkreislauf 8 eingebunden, in welchen auch der Chiller 7 eingebunden ist.
Generell gibt es bei elektrifizierten Antriebssträngen das Bedürfnis, unterschiedliche Komponenten, wie beispielsweise eine Fahrzeugbatterie 3, zur Erhaltung ihrer Lebensdauer und Leistung innerhalb eines kleinen Temperaturfensters zu betreiben und damit unter Umständen verstärkt zu kühlen. Hierzu wird der Chiller 7 verwendet, der in der Lage ist, die Fahrzeugbatterie 3 unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Der Chiller 7 wird dabei mit Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 8 der Klimaanlage 17 des Kraftfahrzeugs 1 gekühlt.
Bislang war es dabei so, dass sich die Fahrzeugbatterie 3 und der Chiller 7 typischerweise in einem weiteren Niedertemperaturkreislauf befanden, der im Frontend des Kraftfahrzeugs 1 mit einem Niedertemperaturkühlmittelkühler gekühlt wurde. Dieser musste ggf. durch einen Bypass umgangen werden, um eine Aufheizung des ersten Kühlkreislaufs 5 durch die Umgebungsluft zu vermeiden. Aus diesem Grund wurden bei bislang bekannten Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ein weiterer Kühlkreislauf implementiert, da eine Wärmeabfuhr aus weiteren Wärmequellen, wie beispielsweise der Antriebseinrichtung 2 und der Elektronik 4, auch bei einem Chiller-Betrieb sichergestellt sein mussten und der Chiller 7 mit der gesamt anfallenden Wärmeleistung ansonsten überfordert wäre. Ein derartiger weiterer Kühlkreislauf ist jedoch nicht nur konstruktiv aufwendig, sondern auch teuer und insbesondere bei Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen aufgrund von Bauraumproblemen kaum zu realisieren.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem 16 kann auf einen derartigen weiteren Kühlkreislauf verzichten, da es die Möglichkeit bietet, über die beiden Ventile 10, 11 einen abgetrennten Kühlkreislauf 18 (vgl. die 2b und 3b) zu schaffen, in welchem zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich der Chiller 7 verwendet wird.
Betrachtet man die 2a, 3a und 8, so kann man erkennen, dass in diesem Fall die Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich über den Kühlmittelkühler 13 erfolgt und der Chiller 7 vom ersten Kühlkreislauf 5 entkoppelt ist. Der Kühlmittelstrom im ersten Kühlkreislauf 5 umgeht somit den Chiller 7, was durch die beiden Ventile 10, 11, die sich hierbei jeweils in ihrer ersten Schaltstellung befinden, bewirkt wird. Bei den Ventilen 10, 11 gemäß den 2, 4 bis 9 handelt es sich um 3-Wege-Ventile, während es sich bei den Ventilen 10 und 11 gemäß den 3a und 3b um 4-Wege-Ventile handelt. In den 8 und 9 ist dabei das jeweils zweite Ventil 11 als Rückschlagventil 21 ausgebildet.
Soll nun eine verstärkte Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 unter die Temperatur des Kühlmittelstroms im ersten Kühlkreislauf 5 erfolgen, werden die beiden Ventile 10, 11 in ihre zweite Stellung verstellt, was gemäß den 2b, 3b und 9 dargestellt ist und was dazu führt, dass der abgetrennte Kühlkreislauf 18 gebildet wird, bei welchem die zweite Kühlmittelpumpe 12 den Kühlmittelstrom im abgetrennten Kühlkreislauf 18 durch den Chiller 7 und die Fahrzeugbatterie 3 fördert und dadurch eine individualisierte Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 auch unter die Umgebungstemperatur ermöglicht. Der erste Kühlkreislauf 5 umgeht dabei sowohl den Chiller 7 als auch die Fahrzeugbatterie 3 durch den Bypasskanal 9. Insgesamt kann somit mit der zweiten Kühlmittelpumpe 12 und den beiden Ventilen 10, 11 ein individuelles Kühlen der Fahrzeugbatterie 3 auch ausschließlich mittels des Chillers 7 erreicht werden, wodurch die Fahrzeugbatterie 3 in einem für ihre Leistung und Lebensdauer optimalen Temperaturfenster gehalten werden kann, ohne dass hierfür ein weiterer Kühlkreislauf erforderlich wäre.
Betrachtet man die 4, so ist diese im Wesentlichen baugleich zu der 2, wobei lediglich ein Abzweig 19 stromab des ersten Ventils 10 angeordnet ist und nicht wie in den 2 stromauf desselben. Gleichzeitig ist auch eine Mündung 20 des Bypasskanals 9 in den ersten Kühlkreislauf 5 gemäß der 4 stromab des zweiten Ventils 11 angeordnet, während sie gemäß den 2a und 2b stromauf desselben angeordnet ist. Für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kühlsystems 16 ist dies jedoch unerheblich.
Gemäß der 5 ist lediglich die zweite Kühlmittelpumpe 12 an anderer Stelle angeordnet.
Generell bezieht sich der Begriff „stromauf“ und „stromab“ in der Figurenbeschreibung immer auf eine Strömungsrichtung im ersten Kühlkreislauf 5 bei jeweils sich in ihrer ersten Schaltstellung befindlichen Ventilen 10, 11.
Gemäß den 6 und 7 sind noch zwei Kühlsysteme 16 gezeigt, bei welchen die Fahrzeugbatterie 3 und der Chiller 7 jeweils in Reihe geschaltet sind. Auch bei diesen Ausführungsformen ist selbstverständlich durch jeweils sich in ihrer zweiten Schaltstellung befindliche Ventile 10, 11, ein Abtrennen des zweiten Kühlkreislaufs 18 und damit ein individuelles Kühlen der Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich durch den Chiller 7 möglich, während in diesem Fall der Kühlmittelstrom des ersten Kühlkreislaufes 5 durch den Bypasskanal 9 läuft. Ein Entkoppeln des Chillers 7 ist bei diesen Ausführungsformen jedoch nicht möglich, so dass bei sich jeweils in ihrer ersten Schaltstellung befindlichen Ventilen 10, 11 die Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 sowohl durch den ersten Kühlkreislauf 5 und den Kühlmittelkühler 13 als auch durch den Chiller 7 bewirkt wird. In diesem Fall müsste der Chiller 7 beispielsweise separat aktiviert bzw. deaktiviert werden.
Das erste Ventil 10 kann auch als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet sein, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, besonders bevorzugt bei T_G ca. 30°C, liegt. Zusätzlich kann das zweite Ventil 11 als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet sein, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, besonders bevorzugt bei T_G ca. 30°C, liegt.
Betrachtet man die 8 und 9, so kann bei diesen erkennen, dass der Chiller 7 und die Fahrzeugbatterie 3 parallel zueinander angeordnet sind und dass das erste Ventil 10 als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist, während das zweite Ventil 11 als Rückschlagventil 21 ausgebildet ist. Gemäß der 8 befindet sich dabei das erste Ventil 10 in seiner ersten Stellung, in welcher die Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich vom Kühlmittelkühler 13 gekühlt wird. Soll nun die Fahrzeugbatterie 3 unter die Temperatur des Kühlmittelkühlers 13 gekühlt werden, so wird das erste Ventil 10 in seine zweite Stellung überführt, wie dies gemäß der 9 dargestellt ist, in welcher der Chiller 7 und die Fahrzeugbatterie 3 nunmehr in dem abgetrennten zweiten Kühlkreislauf 18 angeordnet sind. Wird nun die zweite Kühlmittelpumpe 12 aktiviert, so kann die Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich mittels des Chillers 7 gekühlt werden, wobei der Chiller 7 auch in diesem Fall in den Kältemittelkreislauf 8 eingebunden und mittels des Kondensators 14 gekühlt wird. Die gemäß den 8 und 9 dargestellte Variante stellt dabei eine besonders kostengünstige Alternative dar, da das zweite Ventil 11 als kostengünstiges und konstruktiv einfach aufgebautes Ventil ausgebildet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem 16 ist es erstmals möglich, mit vergleichsweise geringem technischem und konstruktivem Aufwand eine individuelle Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 ausschließlich durch den Chiller 7 zu ermöglichen. Dies hilft insbesondere in Situationen, in welchen eine Kühlung der Fahrzeugbatterie 3 unterhalb der Temperatur des ersten Kühlkreislaufes 5 gewünscht ist.

Claims

Kühlsystem (16) eines Kraftfahrzeugs (1), insbesondere eines Elektrofahrzeugs, eines Hybridfahrzeugs oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs, - mit einer Antriebseinrichtung (2) und einer aufladbaren Fahrzeugbatterie (3), die in einen ersten Kühlkreislauf (5) mit einer ersten Kühlmittelpumpe (6) eingebunden sind, - mit einem Chiller (7), der einerseits in den ersten Kühlkreislauf (5) und andererseits in einen Kältemittelkreislauf (8) eingebunden ist, - mit einem die Fahrzeugbatterie (3) und den Chiller (7) umgehenden Bypasskanal (9), - mit einem ersten Ventil (10), das im ersten Kühlkreislauf (5) stromauf des Chillers (7) und der Fahrzeugbatterie (3) angeordnet und derart ausgebildet ist, dass es in einer ersten Schaltstellung einen im ersten Kühlkreislauf (5) strömenden Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie (3) leitet und eine Durchströmung des Bypasskanals (9) blockiert, während es in einer zweiten Stellung den Kühlmittelstrom durch den Bypasskanal (9) leitet, - mit einem zweiten Ventil (11), das im ersten Kühlkreislauf (5) angeordnet ist und welches in einer ersten Schaltstellung einen im ersten Kühlkreislauf (5) strömenden Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie (3) leitet und in einer zweiten Schaltstellung den Kühlmittelstrom durch die Fahrzeugbatterie (3) und den Chiller (7) leitet, - wobei bei sich in ihrer jeweiligen zweiten Stellung befindenden ersten und zweiten Ventilen (10,11) ein vom ersten Kühlkreislauf (5) abgetrennter zweiter Kühlkreislauf (18) gebildet ist, in dem eine zweite Kühlmittelpumpe (12) angeordnet ist, die einen Kühlmittelstrom im zweiten Kühlkreislauf (18) ausschließlich durch den Chiller (7) und die Fahrzeugbatterie (3) leitet.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (10) und das zweite Ventil (11) als 3-Wege-Ventile oder als 4-Wege-Ventile ausgebildet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (3) und der Chiller (7) parallel oder in Reihe geschaltet geschaltet sind.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das erste Ventil (10) als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet ist, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, liegt, und/oder - dass das zweite Ventil (11) als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet ist, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von ca. 30 °C von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt, wobei die Kühlmittelgrenztemperatur T_G in einem Bereich zwischen 20°C ≤ T_G ≤ 50°C, bevorzugt zwischen 25°C ≤ T_G ≤ 35°C, liegt.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (10) als 3-Wege-Ventil und das zweite Ventil (11) als Rückschlagventil (21) ausgebildet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (10) als Thermostatventil oder als temperaturgesteuertes Magnetventil ausgebildet ist, welches bei Überschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von ca. 30 °C von seiner ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wechselt.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (2) ein Elektromotor ist.
Als Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug (1), mit einem Kühlsystem (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem - sich unterhalb oder bis zu einer Kühlmittelgrenztemperatur T_G von ca. 30 °C das erste und zweite Ventil (10,11) in ihrer jeweiligen ersten Stellung befinden und die Fahrzeugbatterie (3) mit einem im ersten Kühlreislauf strömenden Kühlmittelstrom gekühlt wird, - bei Überschreiten der Kühlmittelgrenztemperatur T_G von ca. 30 °C das erste und zweite Ventil (10,11) in ihre zweite Stellung verstellt werden und einen geschlossenen und vom ersten Kühlkreislauf (5) abgetrennten zweiten Kühlkreislauf (18) bilden, in welchem die zweite Kühlmittelpumpe (12) eine Kühlmittelströmung ausschließlich durch den Chiller (7) und die Fahrzeugbatterie (3) bewirkt.