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Die Erfindung betrifft ein Temperiersystem zur Direkttemperierung einer elektrischen Komponente eines Elektrofahrzeugs, mit einem zwischen einem Wärmetauscher und der elektrischen Komponente zirkulierenden Temperierfluid, wobei das Temperierfluid elektrisch nicht-leitend ist, und wobei die elektrische Komponente durch das Temperierfluid unmittelbar umströmt ist.
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Temperiersysteme zur Temperierung von elektrischen Komponenten eines Elektrofahrzeugs, beispielsweise einer Traktionsbatterie, eines Traktionsmotors oder einer Leistungselektronik, sind allgemein bekannt. Außerdem sind artgleiche Temperiersysteme aus einem benachbarten Anwendungsgebiet, nämlich zur Kühlung von Ladesäulen, bekannt, wobei mindestens eine in der Ladesäule angeordnete elektrische Komponente durch ein zirkulierendes Temperierfluid bedarfsgerecht temperiert wird. Unter Temperierung der elektrischen Komponente werden sowohl Kühl- als auch Heizvorgänge der elektrischen Komponente verstanden, wobei das Temperiersystem als reines Kühlsystem, als reines Heizsystem oder als ein Kühl-Heiz-System ausgeführt sein kann.
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Die Temperierung der elektrischen Komponente kann direkt oder indirekt erfolgen. Die indirekte Temperierung erfolgt üblicherweise dadurch, dass die zu kühlende elektrische Komponente auf einem Kühl- oder Heizkörper angeordnet ist, wobei die Wärme zwischen dem Kühl- oder Heizkörper und der elektrischen Komponente übertragen wird und der Kühl- oder Heizkörper von einem Temperierfluid eines Temperierkreislaufs durchströmt wird. Bei der direkten Temperierung der elektrischen Komponente wird die zu temperierende elektrische Komponente direkt von dem Temperierfluid umströmt bzw. durchströmt und auf diese Weise gekühlt oder aufgeheizt. Ein derartiges Temperiersystem zur Direktkühlung eines Leistungshalbleitermoduls für ein Kraftfahrzeug offenbart die
DE 10 2017 207 962 A1 , wobei das Leistungshalbleitermodul direkt von einer Kühlflüssigkeit umströmt wird und durch die Kühlflüssigkeit die im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls entstehende Abwärme abgeführt wird. Außerdem offenbart die
DE 10 2018 107 139 A1 ein Kühlsystem zur Direktkühlung einer Traktionsbatterie und die
DE 10 2015 220 852 A1 offenbart eine Direktkühlung eines Traktionsmotors eines Elektrofahrzeugs und die dazugehörige Leistungselektronik.
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Bei Kühlsystemen zur Direktkühlung der elektrischen Komponente wird zwingenderweise ein elektrisch nicht-leitendes Temperierfluid verwendet, so dass bei der Umströmung der elektrischen Komponente eine unerwünschte elektrische Verbindung über das Temperierfluid zwischen mehreren elektrischen Komponenten oder zwischen den Einzelteilen der elektrischen Komponente zuverlässig verhindert wird. Mit zunehmender Betriebsdauer bewirkt das Temperierfluid eine Abrasion an den von dem Temperierfluid durch- bzw. umströmten Bauteilen, wodurch die durch die Abrasion gelösten, elektrisch leitenden Partikel durch das elektrisch nicht-leitenden Temperierfluid mitgeschleppt werden. Außerdem können fertigungsbedingte, elektrisch leitende Unreinheiten durch das Temperierfluid mitgeschleppt werden. Die im Temperierfluid mitschleppenden, elektrisch leitenden Partikel und Unreinheiten bewirken ab einer gewissen Anzahl eine elektrische Leitfähigkeit des Temperierfluids, wodurch eine unerwünschte elektrische Verbindung über das Temperierfluid zwischen mehreren elektrischen Komponenten oder zwischen den Einzelteilen der elektrischen Komponente hergestellt werden kann. Außerdem führen die durch die Abrasion losgelösten und durch das Temperierfluid mitgeschleppten Partikel zu einem erhöhten Verschleiß der von dem Temperierfluid um- und durchströmten Komponenten, beispielsweise der Pumpe des Temperiersystems.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem zur Direkttemperierung einer elektrischen Komponente eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen, mit welchem die elektrische Komponente zuverlässig und schadensfrei über die gesamte Lebensdauer der elektrischen Komponente temperiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem zur Direkttemperierung einer elektrischen Komponente eines Elektrofahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass eine elektromagnetische Filtervorrichtung vorgesehen ist, wobei mindestens ein Elektromagnet von dem elektrisch nicht-leitenden Temperierfluid umströmbar angeordnet ist, kann eine elektrische Leitfähigkeit des Temperierfluids und eine Verschleißerhöhung der von dem Temperierfluid um- und durchströmten Komponenten zuverlässig verhindert werden. Dabei sind die durch die Abrasion losgelösten und durch die fertigungsbedingten Verunreinigungen im Temperierfluid vorliegenden Partikel überwiegend Metallpartikel, welche magnetisch sind. Durch die Bestromung des Elektromagnets baut sich um den Elektromagnet ein Magnetfeld auf, welches dazu genutzt wird, dass sich die magnetischen Partikel am Elektromagnet ablagern und auf diese Weise aus dem Temperierfluid herausgefiltert werden. Im nicht-bestromten Zustand des Elektromagnets können die sich an dem Elektromagnet abgelagerten Partikel definiert abgeführt werden, wobei dies beispielsweise in einem nicht-aktiven Zustand der elektrischen Komponente erfolgt und somit die Gefahr eines Kurzschlusses nicht besteht. Somit kann die Filtervorrichtung einfach gereinigt werden.
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Vorzugsweise umfasst die elektrische Filtervorrichtung ein Filtergehäuse, welches einen durch das Temperierfluid durchströmbaren Strömungskanal begrenzt, wobei in dem Strömungskanal mindestens ein Elektromagnet angeordnet ist. Dadurch kann das Temperiersystem auf eine einfache und kostengünstige Weise, auch nachträglich, mit einer elektromagnetischen Filtervorrichtung ausgestattet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der mindestens eine Elektromagnet orthogonal zur Strömungsrichtung des Temperierfluids angeordnet. Dadurch können die elektrisch leitenden Partikel zuverlässig herausgefiltert werden, indem der Elektromagnet sich über den gesamten Durchströmungsquerschnitt erstreckt, wobei die Strömung des Temperierfluids nicht wesentlich durch den Elektromagneten negativ beeinflusst wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind über die gesamte, durch das Temperierfluid durchströmbare Querschnittsfläche des Strömungskanals mehrere Elektromagnete vorgesehen, wobei die Elektromagnete beabstandet zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die beabstandet zueinander angeordnete Elektromagnete stabförmig ausgeführt und parallel zueinander angeordnet. Dadurch kann die Filterfähigkeit erhöht werden, wodurch die elektrisch leitenden Partikel zuverlässig herausgefiltert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektromagnetische Filtervorrichtung als Ventil ausgeführt, wobei das Ventil zwei Fluideinlässe, zwei Fluidauslässe und einen Ventilkörper aufweist, wobei in einer ersten Stellung des Ventilkörpers ein erster Fluideinlass mit einem ersten Fluidauslass fluidisch verbunden ist und in einer zweiten Stellung des Ventilkörpers ein zweiter Fluideinlass mit einem zweiten Fluidauslass fluidisch verbunden ist, und wobei der Ventilkörper in der ersten Stellung magnetisiert ist und in der zweiten Stellung nicht magnetisiert ist. Der erste Fluideinlass und der erste Fluidauslass sind mit einem Temperierkreislauf verbunden, wobei während dem Temperiervorgang der elektrischen Komponente der Ventilkörper in der ersten Stellung angeordnet ist. Der Ventilkörper ist als Elektromagnet ausgeführt, wobei der Elektromagnet eine Spule und einen Kern aufweist.
Während des Temperiervorgangs wird der Elektromagnet bestromt, wodurch die elektrisch leitenden und magnetischen Partikel sich am Ventilkörper ablagern. In der zweiten Stellung des Ventilkörpers werden die Partikel über einen zusätzlichen Spülkreislauf freigespült, wobei der Elektromagnet nicht mehr bestromt wird und die Partikel nicht mehr an dem Ventilkörper anhaften. Auf diese Weise können die elektrisch leitenden Partikel zuverlässig aus dem Temperierfluid herausgefiltert werden und die elektromagnetische Filtervorrichtung einfach und zuverlässig von den elektrisch leitenden Partikeln gereinigt werden, wobei ein manuelles und aufwendiges Reinigen der Filtervorrichtung entfällt.
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Vorzugsweise sind der zweite Fluideinlass und der zweite Fluidauslass über einen Spülkreislauf mit einem Spülreservoir fluidisch verbunden, wobei in dem Spülreservoir ein Dauermagnet angeordnet ist. Durch den Dauermagnet werden die aus dem Temperierfluid herausgefilterten und durch ein Spülfluid in das Spülreservoir mitgeschleppten, magnetischen und elektrisch leitenden Partikel aus dem Spülfluid herausgefiltert, wodurch der Reinigungsprozess der elektromagnetischen Filtervorrichtung beschleunigt wird und der durch die im Spülfluid mitgeschleppten Partikel verursachte Verschleiß der von dem Spülfluid durchströmten Komponenten, beispielsweise der Pumpe des Spülkreislaufs, reduziert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Temperierfluid eine maximale spezifische Leitfähigkeit von 10-10 1/(Ohm*cm) auf, wodurch ein Kurzschluss über das Temperierfluid zuverlässig verhindert wird.
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Vorzugsweise ist die elektrische Komponente eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, wobei die einzelnen Batteriezellen und elektrischen Verbindungen zwischen den Batteriezellen direkt mit dem Temperierfluid umströmt werden und dadurch die Kühlung der Traktionsbatterie verbessert wird.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperiersystems zur Direkttemperierung einer elektrischen Komponente eines Elektrofahrzeugs, mit einem Ventil in einer ersten Stellung,
- 2 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperiersystems nach 1, mit dem Ventil in einer zweiten Stellung,
- 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperiersystems zur Direkttemperierung einer elektrischen Komponente eines Elektrofahrzeugs.
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1 und 2 zeigen ein Temperiersystem 10 zur Direkttemperierung einer elektrischen Komponente 12 eines Elektrofahrzeugs. Die elektrische Komponente 12 ist eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, welche eine in den Figuren nicht gezeigte Antriebseinheit des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Alternativ kann die elektrische Komponente 12 ein Traktionsmotor oder eine Leistungselektronikkomponente für den Traktionsmotor sein.
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Unter einer Direktkühlung der elektrischen Komponente 12 wird verstanden, dass die zu temperierende elektrische Komponente 12 direkt von einem Temperierfluid umströmt oder durchströmt wird. In Abhängigkeit von der elektrischen Komponente 12 kann diese über das Temperiersystem 10 gekühlt, aufgeheizt oder je nach Anforderung gekühlt und aufgeheizt werden.
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Das Temperiersystem 10 weist einen Temperierkreislauf 11 mit einer Pumpe 14 und einem Wärmetauscher 16 auf, wobei mittels der Pumpe 14 das Temperierfluid zwischen dem Wärmetauscher 16 und der elektrischen Komponente 12 zirkuliert. Der Wärmetauscher 16 dient zur Kühlung oder zur Erwärmung des Temperierfluids, wobei im Kühlbetrieb das Temperierfluid die Abwärme der elektrischen Komponente 12 aufnimmt und über den Wärmetauscher 16 an die Umgebung abführt. Im Aufheizbetrieb wird das Temperierfluid im Wärmetauscher 16 erwärmt, wobei die aufgenommene Wärme an die elektrische Komponente 12 übertragen wird.
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Das Temperierfluid ist bei einer Direktkühlung der elektrischen Komponente 12 zwingenderweise ein elektrisch nicht-leitendes Fluid, beispielsweise ein Transformationsöl mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von 10-10 1/(Ohm*cm), so dass eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen mehreren durch das Temperierfluid direktgekühlten elektrischen Komponenten 12 durch das Temperierfluid verhindert wird.
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Die elektrische Leitfähigkeit des Temperierfluids nimmt mit zunehmender Betriebsdauer zu, indem das Temperierfluid eine Abrasion an den von dem Temperierfluid durch- bzw. umströmten Bauteilen bewirkt, wobei die durch die Abrasion gelösten, elektrisch leitenden Partikel durch das elektrisch nicht-leitenden Temperierfluid mitgeschleppt werden. Zusätzlich werden fertigungsbedingte, elektrisch leitende Unreinheiten durch das Temperierfluid mitgeschleppt. Durch die im Temperierfluid mitschleppenden, elektrisch leitenden Partikel und elektrisch leitenden Unreinheiten steigt die elektrische Leitfähigkeit des Temperierfluids derart an, dass die Gefahr besteht, dass eine unerwünschte elektrische Verbindung über das Temperierfluid zwischen mehreren elektrischen Komponenten 12 oder zwischen den Einzelteilen einer einzigen elektrischen Komponente 12 hergestellt wird.
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Um einen Kurzschluss über das Temperierfluid zuverlässig zu verhindern, umfasst das Temperiersystem 10 erfindungsgemäß eine elektromagnetische Filtervorrichtung 20. Die Filtervorrichtung ist als Ventil 22 ausgeführt, wobei das Ventil 22 einen Ventilraum 28 aufweist, welcher mit einem ersten Fluideinlass 24, einem zweiten Fluideinlass 40, einem ersten Fluidauslass 26 und einem zweiten Fluidauslass 42 fluidisch verbunden ist.
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Der erste Fluideinlass 24 und der erste Fluidauslass 26 sind mit einem Temperierkreislauf 11 fluidisch verbunden. Der zweite Fluideinlass 40 und der zweite Fluidauslass 42 sind mit einem Spülkreislauf 44 fluidisch verbunden. Der Spülkreislauf 44 weist eine Pumpe 46 und ein Spülreservoir 48 auf, wobei im Spülkreislauf ein Spülfluid zwischen dem Ventil 22 und dem Spülreservoir 48 zirkuliert. In dem Spülreservoir 48 ist ein Dauermagnet 50 angeordnet.
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Im Ventilraum 28 ist ein Ventilkörper 30 angeordnet, wobei der Ventilkörper 30 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verstellbar ist. In der ersten Stellung ist der erste Fluideinlass 24 mit dem ersten Fluidauslass 26 fluidisch miteinander verbunden, wobei durch den Temperierkreislauf das Temperierfluid strömt und die elektrische Komponente 12 direktgekühlt wird. In der zweiten Stellung ist der zweite Fluideinlass 40 mit dem zweiten Fluidauslass 42 fluidisch miteinander verbunden, wobei durch den Spülkreislauf das Spülfluid strömt.
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Der Ventilkörper 30 weist einen in den Figuren nicht gezeigten Elektromagnet auf, wobei der Elektromagnet über eine elektrische Verbindung 62 mit einer Stromquelle 60 verbunden ist, wobei der Elektromagnet in der ersten Stellung des Ventilkörpers 30 bestromt ist und in der zweiten Stellung des Ventilkörpers 30 unbestromt ist. Dadurch ist der Ventilkörper 30 in der ersten Stellung magnetisiert und in der zweiten Stellung nicht magnetisiert.
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Der Filtervorgang des Temperierfluids erfolgt in der ersten Stellung des Ventilkörpers 30, wobei die durch das Temperierfluid mitgeschleppten elektrisch leitenden und magnetischen Partikel an dem magnetisierten Ventilkörper 30 anhaften und dadurch aus dem Temperierfluid herausgefiltert werden.
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In der zweiten Stellung erfolgt der Spülvorgang des Ventils 22, wobei der Ventilkörper 30 nicht magnetisiert ist, so dass die bei Bestromung des Elektromagneten am Ventilkörper 30 anhaftenden, elektrisch leitenden und magnetischen Partikel mit Beenden der Bestromung des Elektromagneten sich von dem Ventilkörper 30 lösen. Durch die Strömung des Kühlfluids werden die elektrisch leitenden Partikel durch das Kühlfluid in das Spülreservoir mitgeschleppt, wobei die elektrisch leitenden und magnetischen Partikel am im Spülreservoir 48 angeordneten Dauermagneten 50 anhaften, wodurch das Kühlfluid gefiltert wird.
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3 zeigt eine zweite Ausführung einer elektromagnetischen Filtervorrichtung 70, wobei die Filtervorrichtung 70 ein rohrartiges Filtergehäuse 72 aufweist, welches einen Strömungskanal 76 begrenzt. In dem Strömungskanal 76 sind eine Mehrzahl von Elektromagneten 74 angeordnet, wobei die Elektromagnete 74 stabförmig ausgeführt sind und parallel zueinander sowie quer zur Strömungsrichtung des Temperierfluids angeordnet sind. Die Elektromagnete 74 sind über eine elektrische Leitung 82 elektrisch mit einer Stromquelle 80 verbunden.
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Im Filtervorgang des Temperierfluids sind die Elektromagnete 74 bestromt, wodurch ein Magnetfeld um die Elektromagnete 74 vorliegt. Das Temperierfluid durchströmt die Zwischenräume zwischen den Elektromagneten 74, wobei die durch das Temperierfluid mitgeschleppten elektrisch leitenden und magnetischen Partikel durch das Magnetfeld angezogen werden und an den Elektromagneten 74 anhaften, wodurch das Temperierfluid gefiltert wird.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen. Es können beispielweise die elektromagnetische Filtervorrichtung, der Temperierkreislauf oder der Spülkreislauf anders ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017207962 A1 [0003]
- DE 102018107139 A1 [0003]
- DE 102015220852 A1 [0003]
