DE102018214211A1 - Einrichtung und Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Jochen Westhäuser
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Carsten Wachsmuth
Arne-Christian Voigt
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Abstract

Es werden eine Einrichtung (10) und ein Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) offenbart. Die Einrichtung (10) umfasst ein Temperiersystem (20) mit einem Expansionstemperiermittel (22), welches an einer ersten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher (12) gebracht wird. Das Expansionstemperiermittel (22) wird an einer von der ersten Stelle verschiedenen zweiten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit einem externen Temperierfluid (34) aus einer fahrzeugexternen Temperiervorrichtung (36) gebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Um Kraftfahrzeuge, insbesondere Landkraftfahrzeuge, mit elektrischer Energie für einen elektrischen Traktionsantrieb zu versorgen, ist es erforderlich, elektrische Energiespeicher des Kraftfahrzeugs zu laden. Für den Lagevorgang besteht der Wunsch nach einem möglichst geringen Zeitaufwand. Mit zunehmenden Ladestrom sinkt zwar der Zeitaufwand, jedoch steigt die auftretende Wärmeentwicklung des elektrischen Energiespeichers ungefähr quadratisch zum Ladestrom an. Es besteht daher in der Praxis eine technische Herausforderung darin, die entstehende Wärme vom elektrischen Energiespeicher, insbesondere aus dem Kraftfahrzeug, abzuführen. Des Weiteren haben elektrische Energiespeicher ein temperaturabhängiges Leistungsverhalten, so dass in bestimmten Situationen, zum Beispiel niedrigen Außentemperaturen, eine Erwärmung des elektrischen Energiespeichers erforderlich ist.
  • Vor diesem Hintergrund existieren bereits technische Lösungen, um eine Temperierung (Kühlung und/oder Erwärmung) des elektrischen Energiespeichers sicherzustellen. Typischerweise wird eine Flüssigkeitstemperierung oder eine Kältemitteltemperierung vorgesehen. Das den elektrischen Energiespeicher direkt kühlende Flüssigkeitstemperiermittel beziehungsweise Kältemittel muss dabei zumindest in bestimmten Betriebssituation selbst gekühlt, insbesondere aktiv, werden: Bekannt sind für diesen Zweck konzipierte Temperiersysteme, welche dem Kraftfahrzeug von außen außerhalb des Kraftfahrzeugs gekühltes Flüssigkeitstemperiermittel zuführen.
  • Beispielweise wird im Dokument US 2017/0097073 A1 eine Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug beschrieben, welche einen Wärmeübertrager aufweist, in welchem eine fahrzeugexterne Kühlflüssigkeit in thermischen Kontakt mit einer fahrzeuginternen Kühlflüssigkeit gebracht wird, ohne dass die Flüssigkeiten sich vermischen. Mittels Wärmeübertragung von der fahrzeuginternen Kühlflüssigkeit auf die fahrzeugexterne Kühlflüssigkeit erfolgt eine Wärmeabfuhr beim Laden des elektrischen Energiespeichers.
  • Im Dokument DE 11 2012 003 115 T5 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Ladens eines Elektrofahrzeugs beschrieben. In einer Ausführungsform kann ein fahrzeuginternes Kühlsystem mit einem flüssigen Kühlmittel selektiv, insbesondere während des Ladevorgangs, über Eingangs- und Ausgangskanäle an eine fahrzeugexterne Kühleinrichtung angeschlossen werden, so dass das flüssige Kühlmittel extern gekühlt werden kann. Alternativ dazu wird beschrieben, dass die zu ladende Batterie mittels eines Umschaltventils wechselweise mit fahrzeuginternem Kühlmittel und fahrzeugexternem Kühlmittel direkt gekühlt wird.
  • Das Dokument DE 10 2016 202 407 A1 betrifft eine Ladestation zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, welche gezielt dem Kraftfahrzeug an vorgegebenen Stellen oder in vorgegebenen Bereichen ein Kühlmedium zuführt. Als Kühlmedium wird konkret gekühlte Luft angesprochen, welche luftseitig zu einem Verdampfer einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs über eine Leiteinrichtung geführt wird, wobei der elektrische Energiespeicher thermisch an die Klimaanlage angeschlossen ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug effizient zu temperieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zum Temperieren, insbesondere zum wahlweisen Kühlen und/oder Erwärmen, eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Temperieren (insbesondere zum Kühlen und/oder Erwärmen) eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeugs und/oder in einem Kraftfahrzeug, umfasst ein Temperiersystem mit einem Expansionstemperiermittel, welches an einer ersten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher bringbar ist. Das Expansionstemperiermittel ist an einer von der ersten Stelle verschiedenen zweiten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit einem externen Temperierfluid aus einer fahrzeugexternen Temperiervorrichtung bringbar.
  • In einer ersten Ausgestaltungsart umfasst eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug ein Direkttemperiersystem mit einem Direkttemperierfluid, welches in direkten Wämeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher bringbar ist, wobei das Expansionstemperiermittel an der ersten Stelle in einem Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager in Wärmeaustauschkontakt mit dem Direkttemperierfluid bringbar ist.
  • In einer zweiten Ausgestaltungsart ist in einer erfindungsgemäße Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers das Expansionstemperiermittel an der ersten Stelle in unmittelbaren Wärmeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher bringbar. Anders gesagt, das Expansionstemperiermittel tauscht in oder direkt am elektrischen Energiespeicher Wärme mit dem elektrischen Energiespeicher aus.
  • In der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung wird der elektrische Energiespeicher unmittelbar oder mittelbar durch das Direkttemperierfluid mittels des Expansionstemperiermittels temperiert, welches wiederum mittels eines externen Temperierfluids temperiert wird. Das Direkttemperierfluid und/oder das externe Temperierfluid sind bevorzugt jeweils eine Temperierflüssigkeit. Das Direkttemperierfluid und/oder das externe Temperierfluid können chemisch identisch oder verschieden voneinander sein. Das Expansionstemperiermittel ist bevorzugt ein Expansionstemperierfluid, welches insbesondere ein Temperiergas oder (besonders bevorzugt) ein Latentwärmetemperierfluid, das Übergänge zwischen der Gasphase und der Flüssigkeitsphase vollzieht, sein (Kältemittel). Als Temperiergas, welches abhängig von Temperatur und Druck keinen Phasenübergängen unterzogen wird, kann beispielsweise R744 zum Einsatz gelangen. Für Ausführungen mit Latentwärmetemperierfluid als Expansionstemperiermittels kann der Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager auch als Kondensator bezeichnet werden, für Ausführungen mit Temperiergas auch als Gaskühler.
  • Auf diese Weise wird erfindungsgemäß eine besonders effektive direkte (mittelbare oder unmittelbare) Temperierung, insbesondere Kältemitteltemperierung des elektrischen Energiespeichers realisiert. Damit zusammenwirkend wird in vorteilhaftweise Weise eine wirkungsvolle externe Temperierung des Expansionstemperierfluids, insbesondere Kältemittels, über einen Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager, bevorzugt Temperierflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator, verwirklicht, wobei insbesondere gleichzeitig ein direkter Kontakt des externen Temperierfluids mit dem elektrischen Energiespeicher vermieden wird.
  • Ein Wärmeübertrager kann auch als Wärmetauscher bezeichnet werden. Das Temperiersystem und/oder das Direkttemperiersystem sowie der elektrische Energiespeicher können sich im Kraftfahrzeug befinden, also jeweils Teil des Kraftfahrzeugs sein. Der elektrische Energiespeicher kann insbesondere eine Batterie, zum Beispiel eine Lithium-Batterie, sein.
  • In konkreten Ausführungen der ersten Ausgestaltungsart liegt die erfindungsgemäße Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug liegt die zweite Stelle in einem (anderen) Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager des Temperiersystems, insbesondere an einer anderen Stelle als der ersten Stelle des Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertragers, der den Wärmeaustauschkontakt zum Direkttemperierfluid bewirkt. Dabei weist das Temperiersystem einen Fluidanschluss auf, über welchen das externe Temperierfluid aus der fahrzeugexternen Temperiervorrichtung dem Temperiersystem zuführbar ist. Alternativ dazu weist das Temperiersystem einen Fluidanschluss auf, über welchen das Expansionstemperiermittel des Temperiersystems der fahrzeugexternen Temperiervorrichtung zuführbar ist.
  • Mit anderen Worten sind erfindungsgemäße zweite Temperiersysteme in der ersten Ausgestaltungsart entweder in einer ersten Gruppe von konkreten Ausführungen der erfindungsgemäßen Einrichtung expansonstemperiermittelseitig an einen Wärmeübertrager zu einem externen Temperierfluid anschließbar oder in einer zweiten Gruppe von konkreten Ausführungen temperierfluidseitig mit einer Quelle des externen Temperierfluids (und entsprechend mit einer Senke des externen Temperierfluids) verbindbar. Auf diese zwei verschiedenen Weisen kann die Verbindung zur fahrzeugexternen Wärmeübertragung geschaffen werden.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung umfasst das Temperiersystem einen Kraftfahrzeugkältekreislauf, welcher einen Kompressor und einen Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager aufweist. Der Kraftfahrzeugkältekreislauf kann Teil einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs sein, insbesondere einen Expansionstemperiermittelverdampfer zur Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs aufweisen Anders gesagt, in besonders bevorzugten Ausführungsformen befinden sich mindestens zwei Wärmeübertrager auf der Hochdruckseite eines Kältekreislaufs in einem Kraftfahrzeug: Ein Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager, bevorzugt Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, und ein (anderer) Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager, bevorzugt Temperierflüssigkeits-Kältemittel-Wärmeübertrager, welcher über ein externes Temperierfluid, insbesondere eine externe Temperierflüssigkeit temperiert wird. Der Kompressor kann auch als Verdichter bezeichnet werden.
  • In derartigen Ausführungsformen erfolgt beim Laden die Wärmeabgabe des Expansionstemperiermittels, insbesondere Kältemittels, zweistufig: Es wird sowohl der für den normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs vorhandene luftseitig gekühlte Kondensator als auch der temperierfluidseitig gekühlte Kondensator verwendet. In Strömungsrichtung des Expansionstemperiermittels ist zunächst der Luft-Wärmeübertrager und dann der andere Temperierfluid-Wärmeübertrager angeordnet.
  • Darüber hinaus kann in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Temperieren der Fahrzeugkältekreislauf einen steuerbaren Lüfter aufweisen, welcher dem Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager zugeordnet ist. Mittels des steuerbaren Lüfters kann Luft zu dem und/oder von dem zugeordneten Wärmeübertrager geführt werden, so dass eine gute Kühlleistung erreichbar ist. In der Praxis ist es aus energetischen Gründen sinnvoll den Lüfter möglichst wenig zu betreiben, sofern die Kühlleistung des (anderen) Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertragers ausreichend ist. Erst bei nicht mehr ausreichender Kühlleistung wird aktiv über den Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager gekühlt, insbesondere durch eine im Vergleich zum normalen Betrieb des Kraftfahrzeugs gesteigerten Lüfterdrehzahl. Der Lüfter kann auch als Ventilator bezeichnet werden.
  • In der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Temperieren kann des Weiteren oder alternativ dazu das Temperiersystem schaltbar als Wärmepumpe betreibbar sein, beispielsweise unter Strömungsumkehr im Temperiersystem. Auf diese Weise kann insbesondere eine Erwärmung des elektrischen Energiespeichers durch Wärmeenergie, welche mittels des externen Temperierfluids der Einrichtung an der zweiten Stelle über einen Wärmeübertrager von einer Wärmequelle zugeführt wird, erfolgen. Dabei kann der Wärmeübertrager, der Kondensator, als Verdampfer verwendet werden. Anders gesagt, die erfindungsgemäße Einrichtung kann eine Wärmepumpe in einem Kraftfahrzeug aufweisen, dessen Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke über mindestens eine Flüssigkeitsleitung mit der Umgebung in Austausch steht. Auf diese Weise kann die Wärmepumpe dazu verwendet werden, Wärme aus dem der Einrichtung zugeführten zweiten Temperierfluids zu entnehmen, um damit den elektrischen Energiespeicher zu erwärmen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die erfindungsgemäße Einrichtung zum Temperieren eine Regelungseinrichtung für die Temperatur des elektrischen Energiespeichers mit wenigstens einer Stellgröße der Betriebsparameter von Komponenten desTemperiersystems auf. In vorteilhafter Weise kann dadurch eine bedarfsgerechte Ansteuerung, insbesondere bedarfsgerechte Regelung, des Lüfters in Abhängigkeit der Kühllast erfolgen. Dabei wird bevorzugt aus energetischen Gründen ein maximaler Anteil der Kühllast über den (anderen) Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager abgeführt. Die restliche Wärmelast wird an die Luft über den Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager übertragen. Hierfür ist der Lüfter am Wärmeübertrager bedarfsgerecht einzuregeln. Grundsätzlich ist der Energieverbrauch des Lüfters höher als der einer Kühlmittelpumpe.
  • Darüber hinaus oder alternativ dazu kann in einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Einrichtung das zweite Temperiersystem eine Expansionstemperiermittel-Pumpe aufweisen, welche stromab der zweiten Stelle und stromauf der ersten Stelle angeordnet ist, insbesondere zusätzlich zum Kompressor, wobei ein Latentwärmetemperierfluid als Expansionstemperiermittel genutzt wird. Dabei kann der Kompressor mit einem Bypass versehen sein.
  • Für den Fall, dass das Temperaturniveau auf der Expansionstemperiermittelseite in der ersten Ausgestaltungsart am (energiespeicherseitigen) Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager oder in der zweiten Ausgestaltungsart direkt am elektrischen Energiespeicher oberhalb der Temperatur der Kältemittelseite am (fahrzeugexternseitigen) zweiten Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager liegt, kann das Expansionstemperiermittel, bevorzugt Kältemittel, über die Pumpe ohne signifikante Verdichtung umgepumpt werden. Hierdurch ist eine deutlich höhere Effizienz möglich, als bei einem Verdichtungsbetrieb über den Kompressor. Notwendige Bedingung für das Umpumpen des Kältemittels ist es dabei, dass das Expansionstemperiermittel flüssig vorliegt. Aus diesem Grund muss die angesprochene Expansionstemperiermittel-Pumpe in dieser Weiterentwicklung stromab des (anderen) Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertragers angeordnet sein, damit nur flüssiges Expansionstemperiermittel und kein Gas-Flüssiggemisch über die Pumpe gefördert wird.
  • Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein gleisloses Landkraftfahrzeug, zum Beispiel ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist einen elektrischen Traktionsantrieb und einen elektrischen Energiespeicher des elektrischen Traktionsantriebs auf. Es umfasst erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Temperieren des elektrischen Energiespeichers mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung auf. Das Kraftfahrzeug kann ein rein elektrisch angetriebenes oder ein hybridisch, beispielsweise in Zusammenwirkung mit einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzelle, angetriebenes Kraftfahrzeug sein.
  • Auch steht ein Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens. Das erfinderische Verfahren wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug ausgeführt. Dazu kann ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Temperieren wird in einem Temperiersystem ein Expansionstemperiermittel an einer ersten Stelle in Wämeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher gebracht. Das Expansionstemperiermittel wird an einer von der ersten Stelle verschiedenen zweiten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit einem externen Temperierfluid aus einer fahrzeugexternen Temperiervorrichtung gebracht.
  • In konkreten Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Temperieren wird der elektrische Energiespeicher mittels des Expansionstemperiermittels (unmittelbar oder mittelbar durch ein Direkttemperierfluid) gekühlt, insbesondere während der elektrische Energiespeicher geladen wird und/oder nachdem der elektrische Energiespeicher geladen wurde, und/oder wird der elektrische Energiespeicher mittels des Expansionstemperiermittels (unmittelbar oder mittelbar durch ein Direkttemperierfluid) erwärmt. Das Erwärmen kann insbesondere zum Konditionieren des elektrischen Energiespeichers auf eine Arbeitstemperatur vor einer Energieentnahme erfolgen. Das Erwärmen und/oder das Kühlen können dabei temperaturgesteuert oder temperaturgeregelt erfolgen.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, eine Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung zu verwenden.
  • Wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren in einer Einrichtung zum Temperieren mit einem Fahrzeugkältekreislauf als Teil des Temperiersystems, welcher einen Kompressor, einen Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager und einen dem Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager zugeordneten steuerbaren Lüfter aufweist, verwirklicht, kann eine Wärmelast über den (anderen) Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager abgeführt werden und bedarfsweise zusätzlich eine restliche Wärmelast über den Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager mit einer gesteigerten Drehzahl des Lüfters abgeführt werden.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden mit weiteren Vorteilen anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt und näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten vorteilhaften Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigt im Einzelnen:
    • 1 ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug, und
    • 2 ein Schema einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Wärmepumpe.
  • Die 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung 10 zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers 12 in einem Kraftfahrzeug 14, mit welchem eine effiziente Kühlung des elektrischen Energiespeichers 12 erreicht werden kann. Der elektrische Energiespeicher 12, hier eine Batterie, dient als Energiequelle für einen elektrischen Traktionsantriebs des Kraftfahrzeugs 14, das bevorzugt ein gleisloses Landkraftfahrzeug ist. Die Einrichtung 10 zum Temperieren umfasst in dieser Ausführungsform ein Direkttemperiersystem 16 in Form eines Energiespeicherkühlkreislaufs, durch welchen ein Direkttemperiermittel, hier eine Kühlflüssigkeit, zirkuliert (Fluss 18 des Direkttemperierfluids). Dieser Kühlkreislauf weist neben der Batterie auch einen im Zusammenhang der Erfindung bedeutsamen Wärmeübertrager 24 auf: Erfindungsgemäß weist die in der 1 gezeigt Ausführungsform ein Temperiersystem 20 in Form eines Fahrzeugkältekreislaufs auf. Durch diesen Kältekreislauf gibt es einen Fluss 22 eines Expansionstemperiermittels, hier ein Kältemittel, welches mit dem flüssig-gasförmigen Phasenübergang arbeitet, so dass im Kältemittel latent Wärme aufgenommen und abgegeben werden kann. Konkret ist daher in dieser Ausführungsform der Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 24 ein Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager, in welchem das Kältemittel Wärme von der im Energiespeicherkühlkreislauf zirkulierenden Kühlflüssigkeit aufnimmt. Gasförmiges Kältemittel gelangt stromab des Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager in einen Kompressor 26.
  • Dem gasförmigen, komprimierten Kältemittel wird Wärme erfindungsgemäß über zwei Wege entzogen: Zum einen gelangt stromab des Kompressors 26 das Kältemittel in einen Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 28, hier also einen Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager. Auf diese Weise kann Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Zum anderen, weiter stromab durchströmt das Kältemittel einen anderen Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 30, hier einen anderen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager innerhalb des Fahrzeugs 14. In diesem steht das Temperiersystem 20 wärmeübertragend mit einem Fluss 34 eines externen Temperierfluids, hier eine externe Kühlflüssigkeit, in Wirkverbindung, sofern das Fahrzeug 14 an einen fahrzeugexternen Kühlkreislauf angeschlossen ist. Dem gasförmigen Kältemittel wird mittels der Wärmeübertrager so viel Wärme entzogen, dass es in die flüssige Phase übergeht. Daher werden die Wärmeübertrager 28, 30 auch als Kondensatoren bezeichnet.
  • Das Fahrzeug 14 verfügt über Fluidschnittstellen zum Einströmen beziehungsweise zum Ausströmen des externen Temperierfluids, hier der externen Kühlflüssigkeit. Im Fluss 34 des externen Temperierfluids, anders gesagt im externen Kühlkreislauf, befindet sich fahrzeugextern, außerhalb des Fahrzeugs 14 eine fahrzeugexterne Temperiervorrichtung 36, hier Kühlvorrichtung. Auf diese erfindungsgemäße Weise erfolgt eine effiziente Kühlung des elektrischen Energiespeichers 12, indem eine wirkungsvolle Kältemittelkühlung mit einer externen Kühlmittelkühlung kombiniert wirksam ist.
  • Der Fahrzeugkühlkreislauf weist darüber hinaus in zum Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager 24 parallelem Fluss des Kältemittels einen Verdampfer 32 auf, mit dessen Hilfe ein Innenraum des Kraftfahrzeugs gekühlt werden kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann in der bevorzugten Ausführungsform auch ein Erwärmungsbetrieb durchgeführt werden: Die Richtung des Flusses 22 des Expansionstemperiermittels wird umgekehrt (Zirkulation entgegen der Pfeilrichtung). Der Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 30 und gegebenenfalls ebenfalls auch der Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 28 werden als Verdampfer und der Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 24 wird als Kondensator betrieben. Konstruktiv wird das durch nicht zeichnerisch dargestellte Schaltventile erreicht, welche den Betrieb des Kompressors 26 in die andere Richtung des Flusses 22 erlauben, so dass eine Verdichtung stromauf des Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 24 erfolgt.
  • In der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 in einem Kraftfahrzeug 14 mit einer Expansionstemperiermittel-Pumpe 38 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine effiziente Einrichtung 10 zum Erwärmen des elektrischen Energiespeichers 12 verwirklicht. Die weitere Ausführungsform ist insofern mit der unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen Ausführungsform identisch, als gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
  • Der elektrische Energiespeicher 12, hier eine Batterie, dient als Energiequelle für einen elektrischen Traktionsantriebs des Kraftfahrzeugs 14, das bevorzugt ein gleisloses Landkraftfahrzeug ist. Die Einrichtung 10 zum Temperieren umfasst in dieser Ausführungsform ein Direkttemperiersystem 16 in Form eines Energiespeicherwärmekreislaufs, durch welchen ein Direkttemperiermittel, hier eine Erwärmungsflüssigkeit, zirkuliert (Fluss 18 des Direkttemperierfluids). Dieser Wärmekreislauf weist neben der Batterie auch einen im Zusammenhang der Erfindung bedeutsamen Wärmeübertrager 24 auf: Erfindungsgemäß weist die in der 2 gezeigt Ausführungsform ein Temperiersystem 20 in Form eines Fahrzeugkältekreislaufs auf. Durch diesen Kältekreislauf gibt es einen Fluss 22 eines Expansionstemperiermittels, hier ein Kältemittel, welches mit dem flüssig-gasförmigen Phasenübergang arbeitet, so dass im Kältemittel latent Wärme aufgenommen und abgegeben werden kann. Konkret ist daher in dieser Ausführungsform der Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 24 ein Erwärmungsflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager, in welchem das Kältemittel Wärme an die im Energiespeicherkühlkreislauf zirkulierende Erwärmungsflüssigkeit überträgt. Wird der Fahrzeugkältekreislauf in dieser Weise betrieben, so ist keine Kompression des (im Wärmeübertrager 24 abgekühlten) flüssigen Kältemittels stromab des Erwärmungsflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager erforderlich. Aus diesem Grunde ist ein Bypass 40 über den Kompressor vorgesehen. Bevorzugt wird dem Kältemittel keine weitere Wärme mittels des stromab liegenden Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertragers 28, hier also eines Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers, des Fahrzeugkältekreislaufs entzogen.
  • Dem flüssigen Kältemittel wird Wärme erfindungsgemäß über einen anderen Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 30, hier einen anderen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager innerhalb des Fahrzeugs 14 zugeführt: Weiter stromab durchströmt das Kältemittel einen anderen Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager 30, hier einen anderen Erwärmungsflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager innerhalb des Fahrzeugs 14. In diesem steht das Temperiersystem 20 wärmeübertragend mit einem Fluss 34 eines externen Temperierfluids, hier einer externen Erwärmungsflüssigkeit, in Wirkverbindung, sofern das Fahrzeug 14 an einen fahrzeugexternen Erwärmungskreislauf angeschlossen ist. Dem flüssigen Kältemittel wird mittels des Wärmeübertragers 30 Wärme zugeführt, ohne dass es in die gasförmige Phase übergeht.
  • Das Fahrzeug 14 verfügt über Fluidschnittstellen zum Einströmen beziehungsweise zum Ausströmen des externen Temperierfluids, hier der externen Erwärmungsflüssigkeit. Im Fluss 34 des externen Temperierfluids, anders gesagt im externen Erwärmungskreislauf, befindet sich fahrzeugextern, außerhalb des Fahrzeugs 14 eine fahrzeugexterne Temperiervorrichtung 36, hier Erwärmungsvorrichtung. Auf diese erfindungsgemäße Weise erfolgt eine effiziente Erwärmung des elektrischen Energiespeichers 12, indem eine wirkungsvolle Kältemittelerwärmung mit einer externen Erwärmungsmittelerwärmung kombiniert wirksam ist.
  • Stromab des anderen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager 30 befindet sich eine Wärmepumpe 38, mit welcher das flüssige Kältemittel im Fahrzeugkältekreislauf umgewälzt wird. Der Fahrzeugkühlkreislauf weist darüber hinaus in zum Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager 24 parallelem Fluss des Kältemittels einen Verdampfer 32 auf, mit dessen Hilfe ein Innenraum des Kraftfahrzeugs gekühlt werden kann. Im Erwärmungsbetrieb ist es bevorzugt, dass dieser parallele Kältemittelweg abgesperrt wird, sofern ein Erwärmen des Innenraums unerwünscht ist.
  • Die in den 1 und 2 gezeigten Aspekte fürs Kühlen und Erwärmen Ausführungsformen können auch gemeinsam, in Kombination verwirklicht sein. Auf diese Weise kann insbesondere sowohl ein Kühlen als auch ein Heizen der Batterie als Temperieren in einer Einrichtung 10 verwirklicht werden. Dabei werden die Temperierfluide und das Expansionstemperiermittel mit beiden Funktionalitäten der Wärmezufuhr zum und der Wärmeabfuhr vom elektrischen Energiespeicher 12 genutzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Einrichtung zum Temperieren
    12
    elektrischer Energiespeicher
    14
    Kraftfahrzeug
    16
    Direkttemperiersystem
    18
    Fluss des Direkttemperierfluids
    20
    Temperiersystem
    22
    Fluss des Expansionstemperiermittels
    24
    Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager
    26
    Kompressor
    28
    Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager
    30
    anderer Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager
    32
    Verdampfer
    34
    Fluss des externen Temperierfluids
    36
    fahrzeugexterne Temperiervorrichtung
    38
    Expansionstemperiermittel-Pumpe
    40
    Bypass über Kompressor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017/0097073 A1 [0004]
    • DE 112012003115 T5 [0005]
    • DE 102016202407 A1 [0006]

Claims (14)

  1. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14), umfassend ein Temperiersystem (20) mit einem Expansionstemperiermittel (22), welches an einer ersten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher (12) bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionstemperiermittel (22) an einer von der ersten Stelle verschiedenen zweiten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit einem externen Temperierfluid (34) aus einer fahrzeugexternen Temperiervorrichtung (36) bringbar ist.
  2. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Direkttemperiersystem (16) mit einem Direkttemperierfluid (18), welches in direkten Wämeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher (12) bringbar ist, wobei das Expansionstemperiermittel (22) an der ersten Stelle in einem Direkttemperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager (24) in Wärmeaustauschkontakt mit dem Direkttemperierfluid (18) bringbar ist.
  3. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Stelle das Expansionstemperiermittel (22) in unmittelbaren Wärmeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher (12) bringbar ist.
  4. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stelle in einem Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager (30) des Temperiersystems (20) liegt und das Temperiersystem (20) einen Fluidanschluss aufweist, über welchen das externe Temperierfluid (34) aus der fahrzeugexternen Temperiervorrichtung (36) dem Temperiersystem (20) zuführbar ist, oder dass das Temperiersystem (20) einen Fluidanschluss aufweist, über welchen das Expansionstemperiermittel (22) des Temperiersystems (20) der fahrzeugexternen Temperiervorrichtung (36) zuführbar ist.
  5. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem (20) einen Kraftfahrzeugkältekreislauf umfasst, welcher einen Kompressor (26) und einen Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager (28) aufweist.
  6. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugkältekreislauf einen steuerbaren Lüfter aufweist, welcher dem Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager (28) zugeordnet ist.
  7. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem (20) schaltbar als Wärmepumpe betreibbar ist.
  8. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung für die Temperatur des elektrischen Energiespeichers (12) mit wenigstens einer Stellgröße der Betriebsparameter von Komponenten des Temperiersystems (20).
  9. Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiersystem (20) eine Expansionstemperiermittel-Pumpe (38) aufweist, welche stromab der zweiten Stelle und stromauf der ersten Stelle angeordnet ist.
  10. Kraftfahrzeug (14) mit einem elektrischen Traktionsantrieb und einem elektrischen Energiespeicher (12) des elektrischen Traktionsantriebs, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10) zum Temperieren des elektrischen Energiespeichers (12) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
  11. Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14), in welchem in einem Temperiersystem (20) ein Expansionstemperiermittel (22) an einer ersten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit dem elektrischen Energiespeicher (12) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionstemperiermittel (22) an einer von der ersten Stelle verschiedenen zweiten Stelle in Wärmeaustauschkontakt mit einem externen Temperierfluid (34) aus einer fahrzeugexternen Temperiervorrichtung (36) gebracht wird.
  12. Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (12) mittels des Expansionstemperiermittels (22) gekühlt wird und/oder der elektrische Energiespeicher (12) mittels des Expansionstemperiermittels (22) erwärmt wird.
  13. Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9.
  14. Verfahren zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) für ein Kraftfahrzeug (14) gemäß Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Einrichtung (10) zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers (12) gemäß Anspruch 6, Abführen einer Wärmelast über den Temperierfluid-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager (30) und bedarfsweises zusätzliches Abführen einer restlichen Wärmelast über den Luft-Expansionstemperiermittel-Wärmeübertrager (28) mit einer gesteigerten Drehzahl des Lüfters.
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