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Die Erfindung betrifft eine Batteriekühlungsvorrichtung eines MHEV („Mild Hybrid Electric Vehicle“)-Fahrzeugs mit einem gasbetriebenen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein MHEV-Fahrzeug mit gasbetriebenem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 mit einer derartigen Batteriekühlungsvorrichtung.
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik ist es bekannt, neben flüssigen Kraftstoffen auch gasförmige Kraftstoffe zu verwenden. Da die gasförmigen Kraftstoffe im Allgemeinen mit einem gegenüber dem normalen Atmosphärendruck erheblich erhöhten Druck gespeichert werden, muss zu deren Bereitstellung bereits Energie aufgewendet werden. Da üblicherweise ein Betriebsdruck des gasförmigen Kraftstoffs im Vergleich zu einem Speicherdruck vergleichsweise eher geringfügig gegenüber dem normalen Atmosphärendruck erhöht ist, sind Lösungen interessant, die es ermöglichen, die in dem gespeicherten gasförmigen Kraftstoff enthaltene mechanische Energie zu nutzen.
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Beispielsweise beschreibt die
JP 2005 071 830 A einen wasserstoffgetriebenen Kraftwagen, der in der Lage ist, die Hochdruckenergie von unter hohem Druck stehendem Wasserstoffgas als gespeichertem Kraftstoff in einem Antriebssystem des Kraftwagens effizient wiederzugewinnen.
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Der wasserstoffbetriebene Kraftwagen, der als Kraftquelle eine Brennstoffzelle aufweist, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, ist versehen mit:
- einem Hochdruck-Wasserstofftank; einer Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Hochdruck-Wasserstoffgases aus dem Hochdruck-Wasserstofftank und zur Aufnahme von Arbeit aus dem Hochdruck-Wasserstoffgas durch Reduzieren seines Drucks, um es der Brennstoffzelle zuzuführen; einem Luftkompressor und dessen Antriebseinheit, um der Brennstoffzelle Luft durch Erhöhen des Drucks zuzuführen; einer Kühlungsvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und ihrer Leistungselektronikeinheit; und einer Kältespeichereinheit zum Speichern der Kälte des Wasserstoffgases, das durch Verringern seines Druckes durch die Expansionsvorrichtung expandiert wird. Der mit Wasserstoff betriebene Kraftwagen ist dazu aufgebaut, um die in der Kältespeichereinheit gespeicherte Kälte der saugseitigen Luft des Luftkompressors oder sowohl der saugseitigen Luft als auch der auslassseitigen Luft zur Kühlung der Luft zuzuführen, oder um diese (gespeicherte Kälte) der Brennstoffzelle zum Kühlen der Brennstoffzelle zuzuführen.
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Weiterhin sind auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik Hybridelektrokraftfahrzeuge („Hybrid Electric Vehicle“, HEV), kurz auch Hybrid-Fahrzeuge, bekannt, bei denen typischerweise neben einem Verbrennungsmotor auch zumindest ein Elektromotor verwendet wird.
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Sogenannte MHEV („Mild Hybrid Electric Vehicle“)-Fahrzeuge sind im Allgemeinen mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor ausgestattet, typischerweise in einer Parallel-Hybrid-Konfiguration, so dass der Verbrennungsmotor in bestimmten Fahrsituationen temporär von dem zumindest einen Elektromotor unterstützt oder ersetzt werden kann, wodurch ein Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs verringert werden kann. Im Unterschied zu HEV-Kraftfahrzeugen weisen MHEV-Kraftfahrzeuge keinen ausschließlich rein elektrischen Antriebsmodus auf.
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Als elektrische Energiequelle des zumindest einen Elektromotors kann beispielsweise ein wiederaufladbarer Akkumulator eingesetzt werden. In dieser Anmeldung wird auch der umgangssprachliche Begriff „Batterie“ bzw. „Antriebsbatterie“ als Synonym für einen wiederaufladbaren Akkumulator verwendet.
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Derartige Batterien werden während des Betriebs aufgrund ihres elektrischen Innenwiderstandes erwärmt. Es ist im Stand der Technik bekannt, die Temperatur solcher Batterien während des Betriebs innerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters zu halten, um einen bestmöglichen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und eine möglichst große Anzahl von Lade-/Entladezyklen zu erreichen.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungswege zur Kühlung derartiger Batterien vorgeschlagen worden.
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Beispielsweise beschreibt die
US 6 422 027 B1 ein Batteriekühlsystem zur Verwendung mit einem Fahrzeug, das mehrere Batterien oder Batteriemodule umfasst, die das Fahrzeug mit Strom versorgen. Das System beinhaltet ein Kältemittelgasleitungs- oder Kältemittelgasführungssystem, das in effektiver Weise Kältemittelgas durch den Batteriesatz und das System speichern, komprimieren, ausdehnen und zirkulieren kann. Ein erstes „Hochdruck“-Leitungssystem mit mehreren Rohren oder Rohrleitungen, die im gesamten Fahrzeug angeordnet sind, wird verwendet, um unter Druck stehendes oder komprimiertes Kältemittelgas selektiv zu dem Batteriepaket zu transportieren. Es beinhaltet eine Pumpe, einen Wärmetauscher, Expansionsventile und Rohrleitungen. Ein zweites „Niederdruck“-Rohrleitungssystem wird verwendet, um das „expandierte“ oder dekomprimierte Kältemittelgas durch den Batteriesatz zu zirkulieren und das Kältemittelgas zur erneuten Kompression zur Pumpe zurückzuführen. Das Niederdruck-Leitungssystem umfasst Rohrleitungen, die mit einer oder mehreren Seiten der verschiedenen Batteriemodule in Kontakt stehen und die Wärme von den Batteriemodulen aufnehmen und/oder abführen, und Rohrleitungen, die das umgewälzte Kältemittelgas zur Pumpe zurückführen.
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Des Weiteren beschreibt die
US 9 490 509 B2 ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Batteriemodul, das dazu konfiguriert ist, durch komprimiertes Gas, beispielsweise gasförmiges Kältemittel oder Luft, gekühlt zu werden. Das Batteriemodul weist ein Kühlsystem auf, das einen Speicher für bedrucktes Gas beinhaltet, das dem Batteriemodul zur Kühlung zugeführt werden kann. Eine Steuervorrichtung steuert die Zufuhr von Gas von dem Speicher zu dem Batteriemodul in Abhängigkeit von mindestens einem Ausgabewert zumindest eines Sensors, der zum Messen eines Stromausgangs des Batteriemoduls konfiguriert ist. Das Kraftfahrzeug kann als Hybridelektrofahrzeug (HEV) ausgebildet sein.
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Derartige Systeme zur Batteriekühlung und auch Batterieheizung sind kommerziell verfügbar. Der Automobilzulieferer Modine Manufacturing Company bewirbt Lösungen für Batteriekühlung und -heizung im Internet (http://www.modine.com/web/en/products/ automotive/battery-cooling-heating. htm). Um eine maximale Lebensdauer und optimale Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, regulieren die Batteriekühl- und -heizungslösungen eine Temperatur der Batterie in einem optimalen Betriebsbereich unter allen Bedingungen, indem in einem zweiphasigen Wärmeübertragungsprozess Wärme vom Batteriekühlmittel mittels eines Batteriekühlgerätes übertragen wird. Das Kühlmittel kann von R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan) oder R1234yf (2,3,3,3-Tetrafluorpropen) gebildet sein.
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Modine bietet vakuumgelötete LC-Wärmetauscher (Layered-Core) mit optionalem integriertem Wärmeausdehnungsventil und gestanzten Kühlplatten mit Wirbelvorrichtungen für die Batterietemperatursteuerung an. Diese Wärmetauscher gewährleisten eine zuverlässige Temperaturregulierung, die letztendlich zur Lebensdauer der Batterie und zu längeren Fahrzyklen beitragen soll.
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Im Stand der Technik sind ebenfalls Lösungen zur Kühlung der beschriebenen Batterien vorgeschlagen worden, die Klimageräte der Kraftfahrzeuge einbeziehen.
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Beispielsweise beschreibt die
US 2017/0001493 A1 eine Fahrzeugklimasteuerung und ein Verfahren zur Steuerung der Fahrzeugklimasteuerung zur Temperaturregelung einer Fahrzeugbatterie. Die Fahrzeugklimasteuerung weist einen Kühlkreislauf auf, der mindestens einen Kompressor, einen Gaskühler/Kondensator, ein Expansionselement, einen Verdampfer sowie Kältemittelleitungen zum Verbinden der Komponenten enthält. Ein Zwischenexpansionselement ist in Kältemittelströmungsrichtung gesehen stromaufwärts des Expansionselements angeordnet. Ein Wärmetauscher zur Temperaturregulierung einer Fahrzeugbatterie ist zwischen den Expansionselementen angeordnet.
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Weiterhin schlägt die
JP 2018020646 A eine Batteriekühlung mittels einer Wärmepumpe eines Klimageräts vor. Ein Klimasteuergerät beinhaltet eine Kühlvorgangsspeichereinheit, die, wenn eine Batteriekühlung mittels einer Wärmepumpe des Klimageräts durchgeführt wird, bei einem Start der Batteriekühlung bestimmt, ob der Betriebszustand des Klimageräts einer vorbestimmten Bedingung entspricht oder nicht. Die Kühlvorgangsspeichereinheit speichert Batteriekühlungsvorgänge, wenn der Betriebszustand des Klimageräts mit der vorbestimmten Bedingung übereinstimmt. Selbst wenn das Klimagerät aufgrund einer Fehlfunktion zu einer Inspektion und Reparatur gebracht wird, ist es somit möglich zu bestimmen, ob der Grund für das Einbringen des Klimageräts zur Inspektion und Reparatur auf Batteriekühlungsvorgänge zurückzuführen ist, indem bestätigt wird, ob die Batteriekühlungsvorgänge gespeichert sind oder nicht. Infolgedessen können Situationen vermieden werden, in denen die Ursache der Fehlfunktion des Klimageräts nicht identifiziert werden kann, was einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand für Inspektion und Reparatur erforderlich machen würde. Selbst wenn die Batteriekühlung mit der Wärmepumpe der Klimatisierungsvorrichtung durchgeführt wird, kann eine Situation vermieden werden, in der ein erheblicher Zeit- und Arbeitsaufwand für Inspektion und Reparatur erforderlich ist.
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Andere Lösungen zur Kühlung der beschriebenen Batterien nutzen die auftretende Abkühlung des gasförmigen Brennstoffs bei einer Dekompression von einem höheren Speicherdruck zu einem niedrigeren Betriebsdruck aus.
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Die
JP 2008 195 183 A beschreibt eine Batteriekühlvorrichtung eines Fahrzeugs, das mit einer Vielzahl von Gaskraftstoffbehältern ausgestattet ist. Der Antrieb des Fahrzeugs kann als serieller, paralleler oder Misch-Hybridantrieb ausgebildet sein. Um eine Batterie in dem Hybridfahrzeug, das mit zwei Wasserstoffspeicherbehältern beladen ist, effektiv zu kühlen, beinhaltet die Batteriekühlvorrichtung des Fahrzeugs: einen Kraftstoffströmungskanal, der zwei Wasserstofftanks miteinander verbindet; sowie jeweils ein Öffnungs- und Schließventil, die den betreffenden Tank mit dem Kraftstoffströmungskanal verbinden oder von diesem trennen; ein Druckminderventil, das in der Mitte des Kraftstoffströmungskanals angeordnet ist, um den durch das Innere des Kraftstoffströmungskanals strömenden Wasserstoff zu dekomprimieren; einen Luftleitungskanal zum Führen der Luft um das Druckminderventil herum und hin zur Batterie; und einen Kühlventilator, der in der Mitte des Luftleitungskanals angeordnet ist. Die Luft im Luftleitungskanal um das Druckminderventil herum wird durch die Kälte gekühlt, die erzeugt wird, wenn der Wasserstoff durch das Druckminderventil dekomprimiert und expandiert wird. Luft (Kühlluft) wird durch den Kühlventilator in den Luftleitungskanal geleitet und der Batterie durch die Innenseite des Luftleitungskanals zugeführt. Daher ist es möglich, die Batterie mit Kühlluft zu kühlen und einen unerwünschten Anstieg der Temperatur der Batterie zu verhindern.
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Da die Temperaturänderung von Wasserstoffgas bei der in der
JP 2008 195 183 A dargestellten isenthalpen Druckminderung aufgrund der niedrigen Inversionstemperatur von 203 K zu einer Erwärmung des Wasserstoffgases führt, ist dazu allerdings ein nicht beschriebener weiterer Schritt nötig, bei dem das Wasserstoffgas beispielsweise an einer Arbeitsmaschine Arbeit verrichtet, ähnlich wie in der
JP 2005 071 830 A , wodurch die Batteriekühlvorrichtung an Komplexität und Aufwand zunehmen würde. Bei der ebenfalls beschriebenen Verwendung von Erdgas als Kraftstoff entfällt dieser Schritt.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Batteriekühlung von gasbetriebenen MHEV-Fahrzeugen noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batteriekühlungsvorrichtung eines gasbetriebenen MHEV-Fahrzeugs bereitzustellen, die möglichst wirksam und effizient arbeitet und die möglichst unabhängig von einer Bereitstellung von Gas für den Verbrennungsmotor des MHEV-Fahrzeugs ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Batteriekühlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein MHEV-Fahrzeug gemäß Anspruch 10 mit einem gasbetriebenen Verbrennungsmotor und einer derartigen Batteriekühlungsvorrichtung gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Unter dem Begriff „Gas“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere Erdgas verstanden werde. Jedoch liegt es im Sinne der Erfindung, dass auch Erdgas-Ersatzgase, die z.B. mittels der Power-to-Gas Technologie hergestellt werden im Rahmen der Erfindung Verwendung finden. Beispielsweise könnte Methan aus nachhaltigen Energiequellen produziert werden und im Sinne der Erfindung eingesetzt werden. Insofern wird im Folgenden und zuvor der Begriff „Gas“ oder „Erdgas“ benutzt, wobei dieser Begriff nicht beschränkend sein soll, sondern vielmehr alle geeigneten natürlich vorkommenden und technologisch erzeugten Gase umfasst.
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Die erfindungsgemäße Batteriekühlungsvorrichtung ist anwendbar in einem MHEV-Fahrzeug mit einem erdgasbetriebenen Verbrennungsmotor, zumindest einem Elektromotor, einer Batterie zur Versorgung des zumindest einen Elektromotors und einem Druckspeicher zur Aufnahme von Erdgas zur Versorgung des Verbrennungsmotors, wobei der Druckspeicher an einer Austrittsöffnung mit einem Druckminderer/Gasregler ausgestattet ist. Die Batteriekühlungsvorrichtung weist zumindest eine Wärmetauschvorrichtung auf, die mit der Batterie zumindest wärmeleitungsmäßig verbunden ist.
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Erfindungsgemäß beinhaltet die Batteriekühlungsvorrichtung eine zusätzliche Kältesteuerungs- oder Kälteregelungseinheit, die zwischen dem Druckminderer/Gasregler und der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung angeordnet und mit diesen fluidtechnisch verbunden und dazu vorgesehen ist, eine Zufuhr eines Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler ausströmendem Erdgas zu der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung zu steuern oder zu regeln.
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Unter dem Begriff „MHEV-Fahrzeug“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Hybridelektrokraftfahrzeug verstanden werden, bei dem eine maximal von der Batterie bzw. dem Elektromotor bereitstellbare Leistung geringer ist als 20% einer maximal vom Verbrennungsmotor erzeugbaren Leistung, und das keinen ausschließlich rein elektrischen Antriebsmodus aufweist.
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Unter einem „Fahrzeug“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Sattelschlepper oder ein Kraftomnibus verstanden werden.
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Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere speziell dafür programmiert, ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
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Durch Reduzierung der Zustandsgröße „Druck“ des Erdgases von einem Speicher-Druckwert im Druckspeicher zu einem Betriebsdruckwert hinter dem Druckminderer kann eine erhebliche Abkühlung des Erdgases erreicht werden, da der mittlere Joule-Thomson-Koeffizient von Erdgas etwa 0,53 K/bar beträgt.
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Mit der erfindungsgemäßen Batteriekühlungsvorrichtung kann die Batterie in einem Betriebszustand auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei der sie mit einem günstigeren Wirkungsgrad betrieben werden kann. Eine unvorteilhafte Erwärmung der Batterie kann in allen Betriebsweisen wie beispielsweise, aber nicht abschließend, elektrischer Fahrmodus, Over Boost-Modus, Traktionshilfe, Einparkmodus und Rekuperationsmodus vermieden werden. Außerdem kann durch Vermeiden einer erhöhten Temperatur eine besonders lange Lebensdauer der Batterie erzielt werden.
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Da die maximale Leistung des Elektromotors im Vergleich zu der maximal vom Verbrennungsmotor erzeugbaren Leistung bei einem MHEV-Fahrzeug gering ist, wird eine Bereitstellung von Erdgas für den Verbrennungsmotor des MHEV-Fahrzeugs von dem Bedarf an Erdgas für die Batteriekühlungsvorrichtung nicht wesentlich beeinflusst, so dass diese weitgehend unverändert und ungestört vonstattengehen kann. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Eisbildung am Druckminderer/Gasregler während des Betriebs des MHEV-Fahrzeugs und damit eine potentielle Störung des Betriebs verhindert werden.
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Durch Verwendung einer zusätzlichen Kältesteuerungs- oder Kälteregelungseinheit zur Steuerung oder Regelung der Zufuhr eines Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler ausströmendem Erdgas kann der Teilstrom, insbesondere im Vergleich zu einer potentiellen Steuerung oder Regelung durch den Druckminderer/Gasregler selbst, mit einer wesentlich höheren Genauigkeit erfolgen.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Batteriekühlungsvorrichtung weist die zusätzliche Kältesteuerungs- oder Kälteregelungseinheit zumindest einen elektronischen Steuerungs- oder Regelungskreis und einen zwischen dem Druckminderer/Gasregler und der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung angeordneten Lüfter auf, der von dem zumindest einen elektronischen Steuerungs- oder Regelungskreis basierend auf zumindest einer ermittelten batteriebezogenen Kenngröße steuer- oder regelbar ist.
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Dadurch kann auf einfache Weise erreicht werden, dass die Batterie im Betriebszustand weitgehend in dem vorgebbaren Temperaturbereich betrieben wird. Eine Steuerung kann beispielsweise, aber nicht einschränkend, als Einstellung einer Lüftergeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem Batteriestrom vorgesehen sein.
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Bevorzugt ist die ermittelte batteriebezogene Kenngröße von einer Temperatur gebildet und von zumindest einem Temperatursensor bereitgestellt, der mit einem Teil der Batterie in wärmeleitungsmäßigem Kontakt steht. Auf diese Weise ist der Einsatz eines elektronischen Regelungskreises ermöglicht, wodurch ein weitgehender Betrieb der Batterie innerhalb eines besonders schmalen Temperaturbereichs, mit besonders großen Vorteilen hinsichtlich des Wirkungsgrads der Batterie und deren Lebensdauer, erreicht werden kann.
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Im bevorzugten Ausführungsformen weist die zusätzliche Kältesteuerungs- oder Kälteregelungseinheit ein steuerbares Ventil zur Steuerung oder Regelung der Zufuhr eines Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler ausströmendem Erdgas zu der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung auf. Diese Weise kann im Betriebszustand der Batterie eine besonders exakte und dynamische Steuerung und Regelung der Zufuhr eines Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler ausströmendem Erdgas erreicht werden.
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Bevorzugt ist der zumindest eine elektronische Steuerungs- oder Regelungskreis dazu vorgesehen, eine von dem zumindest einen Temperatursensor bereitgestellte Temperatur innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs zu regeln oder zu steuern.
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Dadurch kann die Batterie im Betriebszustand in einem vorgebbaren Temperaturbereich betrieben werden, in der sie einen optimalen Wirkungsgrad erreichen kann. Außerdem kann durch einen weitestgehenden Betrieb innerhalb des vorgebbaren Temperaturbereichs eine besonders lange Lebensdauer der Batterie erzielt werden.
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Bevorzugt weist die zumindest eine Wärmetauschvorrichtung zumindest ein Wärmetauschelement auf, das als Rippen-Kühlkörper ausgebildet ist. Auf diese Weise kann insbesondere bei Batterien mit eher geringer maximaler Leistung eine konstruktiv einfache und kosteneffiziente Lösung zur Abkühlung der Batterie im Betriebszustand bereitgestellt werden. Der Rippen-Kühlkörper kann beispielsweise als gerippter Metallblock aus Aluminium ausgebildet sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Batteriekühlungsvorrichtung weist die zumindest eine Wärmetauschvorrichtung zumindest ein Wärmetauschelement auf, das als Gas-Flüssig-Wärmetauscher ausgebildet ist. Dabei ist das von der zusätzlichen Kältesteuerungs- oder Kälteregelungseinheit zu der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung zugeführte Erdgas der Gasseite des Wärmetauschers zugeordnet. Diese Lösung zur Kühlung der Batterie im Betriebszustand ist insbesondere für Batterien mit vergleichsweise hoher maximaler Leistung vorteilhaft, bei denen eine vergleichsweise größere Verlustleistung innerhalb der Batterie entsteht.
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Bevorzugt weist die zumindest eine Wärmetauschvorrichtung eine Vielzahl von Wärmetauschelementen auf, die in einer Richtung abwechselnd mit jeweils einem Stapel einer vorbestimmten Anzahl von Batteriezellen der Batterie angeordnet sind. Auf diese Weise kann im Betriebszustand der Batterie eine besonders gleichmäßige Abkühlung der Batteriezellen erreicht werden.
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Unter dem Begriff „Vielzahl“ soll im Sinne der Erfindung insbesondere eine Anzahl von zumindest zwei verstanden werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Batteriekühlungsvorrichtung, in denen die zusätzliche Kältesteuerungs- oder Kälteregelungseinheit einen Lüfter und/oder ein steuerbares Regelventil und zumindest einen elektronischen Steuerungs- oder Regelungskreis beinhaltet, weist die Batteriekühlungsvorrichtung weiterhin ein Gehäuse auf, in dem im betriebsbereiten Zustand der Batteriekühlungsvorrichtung zumindest die Batterie und die zumindest eine Wärmetauschvorrichtung aufgenommen sind. Dabei weist das Gehäuse eine Eingangsöffnung auf und der Lüfter und/oder das steuerbare Regelventil ist oder sind in der Eingangsöffnung angeordnet und in Verbindung mit der Eingangsöffnung als Stellglied bei der Zufuhr eines Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler ausströmenden Erdgases zu der zumindest einen Wärmetauschvorrichtung vorgesehen. Dadurch kann auf konstruktiv einfache Weise eine effektive Zufuhr eines Teilstroms des Erdgases zur Kühlung der Batterie im betriebsbereiten Zustand erzielt werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein MHEV-Fahrzeug bereitgestellt, das einen erdgasbetriebenen Verbrennungsmotor, zumindest einen Elektromotor, eine Batterie zur Versorgung des zumindest einen Elektromotors und einem Druckspeicher zur Aufnahme von Erdgas zur Versorgung des Verbrennungsmotors beinhaltet. Dabei ist der Druckspeicher an einer Austrittsöffnung mit einem Druckminderer/Gasregler ausgestattet.
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Das MHEV-Fahrzeug weist ferner eine Ausführungsform der hierin vorgeschlagenen Batteriekühlungsvorrichtung auf. Die im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Batteriekühlungsvorrichtung beschriebenen Vorteile sind in vollem Umfang auf das MHEV-Fahrzeug übertragbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines MHEV-Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Batteriekühlungsvorrichtung, und
- 2 eine schematisierte Detailansicht der Batteriekühlungsvorrichtung gemäß der 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines MHEV-Fahrzeugs 10 mit einer erfindungsgemäßen Batteriekühlungsvorrichtung 44.
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Das MHEV-Fahrzeug 10 ist als Personenkraftwagen ausgebildet und beinhaltet einen mit Erdgas („compressed natural gas“, CNG) betreibbaren Verbrennungsmotor 12. Der Verbrennungsmotor 12, der in der 1 symbolisch, aber nicht einschränkend, mit drei Zylindern 14 gezeigt ist, weist eine Lufteinlassstrecke 16 mit einem Einlasskrümmer zur Zuführung von Luft zu den Zylindern 14 sowie eine Abgasstrecke 18 auf, die mit einer Abgasturbine (nicht dargestellt) eines Abgasturboladers 20 strömungstechnisch verbunden ist. Die Abgasturbine treibt auf einer gemeinsamen Achse einen Verdichter (nicht dargestellt) des Abgasturboladers 20 an. Ein Lufteinlass des Verdichters ist strömungstechnisch mit einem Luftfilter 22 zur Reinigung der vom Verdichter angesaugten Luft verbunden. Ein Auslass des Verdichters ist strömungstechnisch mit einer Eingangsstrecke 26 eines an sich bekannten Ladeluftkühlers 24 verbunden, dessen Auslassseite 28 mit der Lufteinlassstrecke 16 des Verbrennungsmotors 12 strömungstechnisch gekoppelt ist.
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Das MHEV-Fahrzeug 10 beinhaltet zudem einen Elektromotor 30. Der Verbrennungsmotor 12 und der Elektromotor 30 bilden eine parallele Hybridantriebsanordnung, bei der beide Motoren 12, 30 zum Antrieb einzeln oder gleichzeitig auf den Antriebsstrang einwirken können, der in der 1 durch einen Getriebekasten 32 symbolisiert ist.
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Die Versorgung des Elektromotors 30 erfolgt durch eine Batterie 34 des MHEV-Fahrzeugs 10. Elektromotor 30 und Batterie 34 sind durch elektrische Leitungen 38 und elektronische Vorrichtungen derart miteinander gekoppelt, dass die Batterie 34 im Anforderungsfall elektrischen Strom an den Elektromotor 30 abgeben kann, und dass der Elektromotor 30 in einer Fahrverzögerungssituation einen durch Rekuperation gewonnenen Strom an die Batterie 34 liefern kann, um diese zu laden.
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Des Weiteren weist das MHEV-Fahrzeug 10 einen Druckspeicher 40 zur Aufnahme von Erdgas zur Versorgung des Verbrennungsmotors 12 auf. Dabei ist der Druckspeicher 40 an einer Austrittsöffnung mit einem Druckminderer/Gasregler 42 strömungstechnisch gekoppelt. Wenn der Druckminderer/Gasregler 42 angesteuert wird, um Erdgas aus dem Druckspeicher 40 freizugeben, wird der Druck des Erdgases von einem Speicherdruck, der im Druckspeicher 40 herrscht, auf einen niedrigeren Betriebsdruck gesenkt, wodurch die Temperatur des freigegebenen Erdgases gegenüber der Temperatur des Erdgases im Druckspeicher 40 abgesenkt ist. Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 12 steht somit an einem Ausgang des Druckminderers/Gasreglers 42 ein Reservoir 43 von abgekühltem Erdgas zur Verfügung.
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Wie nachfolgend beschrieben wird, weist die Batteriekühlungsvorrichtung 44 eine Wärmetauschvorrichtung 46 auf, die mit der Batterie 34 wärmeleitmäßig verbunden und dazu vorgesehen ist, eine während eines Betriebs der Batterie 34 in dieser entstehende Verlustwärme abzuführen.
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Die Wärmetauschvorrichtung 46 weist eine Vielzahl von Wärmetauschelementen 48 auf (2). In dieser speziellen Ausführungsform sind die Wärmetauschelemente 48 als Rippen-Kühlkörper ausgebildet. In anderen Ausführungsformen der Batteriekühlungsvorrichtung können die Wärmetauschelemente als Gas-Flüssig-Wärmetauscher ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen der Batteriekühlungsvorrichtung können einige Wärmetauschelemente der Vielzahl von Wärmetauschelementen als Rippen-Kühlkörper und andere Wärmetauschelemente der Vielzahl von Wärmetauschelementen als Gas-Flüssig-Wärmetauscher ausgebildet sein.
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Die Batterie 34 beinhaltet eine Vielzahl von Stapeln 36 einer vorbestimmten, gleichen Anzahl von Batteriezellen. Die Stapel 36 der Vielzahl von Stapeln 36 sind voneinander beabstandet und parallel zueinander angeordnet.
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Je ein Wärmetauschelement 48 der Vielzahl von Wärmetauschelementen 48 ist in der Stapelrichtung der Stapel 36 von Batteriezellen abwechselnd mit jeweils einem Stapel 36 von Batteriezellen angeordnet. Eine ebene Oberfläche der Rippen-Kühlkörper befindet sich in einem betriebsbereiten Einbauzustand in mechanischer Anlage mit einem der Stapel 36 von Batteriezellen der Batterie 34. Zur Verbesserung eines Wärmeübergangs zwischen den Rippen-Kühlkörpern und den Stapeln 36 von Batteriezellen kann die Gesamtanordnung von Rippen-Kühlkörpern und Stapeln 36 durch geeignete Federn, Bänder, beispielsweise Stahlbänder, oder Zugstangen gegeneinander mechanisch verspannt sein. Ferner kann zwischen der ebenen Oberfläche der Rippen-Kühlkörper und dem betreffenden Stapel 36 von Batteriezellen in an sich bekannter Weise ein flüssiges oder pastöses Wärmeleitungsmittel verwendet werden.
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Zu dem Zweck, eine während des Betriebs der Batterie 34 in dieser entstehende Verlustwärme abzuführen, weist die Batteriekühlungsvorrichtung 44 eine zusätzliche Kälteregelungseinheit 50 auf. Die zusätzliche Kälteregelungseinheit 50 ist zwischen dem Druckminderer/Gasregler 42 und der Wärmetauschvorrichtung 46 angeordnet und mit dieser fluidtechnisch verbunden.
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Die Batteriekühlungsvorrichtung 44 beinhaltet ein Gehäuse 52, in dem im betriebsbereiten Einbauzustand die Batterie 34 und die Wärmetauschvorrichtung 46 aufgenommen sind. Das Gehäuse 52 weist eine Eingangsöffnung 54 und eine Ausgangsöffnung 56 auf. Die Eingangsöffnung 54 steht mit dem Reservoir 43 von abgekühltem Erdgas am Ausgang des Druckminderers/Gasreglers 42 in fluidtechnischer Verbindung. Die Ausgangsöffnung 56 steht mit einer Gaseinlassstrecke (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 12 in fluidtechnischer Verbindung.
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Die zusätzliche Kälteregelungseinheit 50 weist einen elektronischen Regelungskreis 66, einen zwischen dem Druckminderer/Gasregler 42 und der Wärmetauschvorrichtung 46 angeordneten Lüfter 58 und eine Vielzahl von drei Temperatursensoren 60, 62, 64 auf. Jeder der Temperatursensoren 62, 64, 66 steht mit einem der Stapel 36 von Batteriezellen in wärmeleitungsmäßigem Kontakt und ist jeweils dazu vorgesehen, dem elektronischen Regelungskreis 66 ein Signal bereitzustellen, das einer von dem Temperatursensor 60, 62, 64 ermittelten Temperatur des betreffenden Stapels 36 von Batteriezellen entspricht.
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Der elektronische Regelungskreis 66 kann Teil einer elektronischen Fahrzeugsteuerungseinheit („vehicle control unit“, VCU) sein. Der elektronische Regelungskreis 66 kann aber auch als eine separate Elektronikeinheit ausgebildet sein.
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Die zusätzliche Kälteregelungseinheit 50 ist dazu vorgesehen, eine Zufuhr eines Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler 42 ausströmendem Erdgas zu der Wärmetauschvorrichtung 46 zu regeln. Zu diesem Zweck ist ein Betrieb des Lüfters 58 durch den elektronischen Regelungskreis 66, basierend auf den bereitgestellten Signalen der Temperatursensoren 60, 62, 64, regelbar.
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In dieser speziellen Ausführungsform bilden die bereitgestellten Signale der Temperatursensoren 60, 62, 64, die den ermittelten Temperaturen der Stapel 36 von Batteriezellen der Batterie 34 entsprechen, ermittelte batteriebezogene Kenngrößen, auf deren Basis eine Regelung der Zufuhr des Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler 42 ausströmendem Erdgas zu der Wärmetauschvorrichtung 46 erfolgen kann. In anderen Ausführungsformen können auch eine oder mehrere andere ermittelte batteriebezogene Kenngrößen diesen Zweck erfüllen, beispielsweise ein gemessener Batteriestrom.
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Der Lüfter 58 ist in der Eingangsöffnung 54 angeordnet und dient in Verbindung mit der Eingangsöffnung 54 als Stellglied des elektronischen Regelungskreises 66 bei der Zufuhr des Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler 42 ausströmendem Erdgas zu der Wärmetauschvorrichtung 46.
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In anderen Ausführungsformen der Batteriekühlungsvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ zu dem Lüfter 58 ein steuerbares Regelventil (nicht dargestellt) zur Regelung der Zufuhr des Teilstroms von am Druckminderer/Gasregler 42 ausströmenden Erdgas zu der Wärmetauschvorrichtung 46 vorgesehen sein.
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Für jeden Temperatursensor 60, 62, 64 und somit für die Stapel 36 von Batteriezellen der Batterie 34 ist für den Betrieb der Batterie 34 ein Soll-Temperaturbereich vorgegeben. Der elektronische Regelungskreis 66 ist dazu vorgesehen, durch Ansteuerung des Lüfters 58 die von der Vielzahl von Temperatursensoren 60 62, 64 bereitgestellten Temperaturen innerhalb des für jeden der Temperatursensoren 60, 62, 64 vorgegebenen Temperaturbereichs zu regeln. Der zur Kühlung der Batterie 34 genutzte Teilstrom des am Druckminderer/Gasregler 42 ausströmenden Erdgases wird nach Aufnahme der von der Batterie 34 im Betrieb erzeugten Wärme durch die Ausgangsöffnung 56 des Gehäuses 52 zum Verbrennungsmotor 12 geleitet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- MHEV-Fahrzeug
- 12
- Verbrennungsmotor
- 14
- Zylinder
- 16
- Lufteinlassstrecke
- 18
- Abgasstrecke
- 20
- Abgasturbolader
- 22
- Luftfilter
- 24
- Ladeluftkühler
- 26
- Eingangsstrecke
- 28
- Auslassseite
- 30
- Elektromotor
- 32
- Getriebekasten
- 34
- Batterie
- 36
- Stapel
- 38
- elektrische Leitungen
- 40
- Druckspeicher
- 42
- Druckminderer/Gasregler
- 43
- Reservoir
- 44
- Batteriekühlungsvorrichtung
- 46
- Wärmetauschvorrichtung
- 48
- Wärmetauschelement
- 50
- Kälteregelungseinheit
- 52
- Gehäuse
- 54
- Eingangsöffnung
- 56
- Ausgangsöffnung
- 58
- Lüfter
- 60
- Temperatursensor
- 62
- Temperatursensor
- 64
- Temperatursensor
- 66
- elektronischer Regelungskreis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005071830 A [0003, 0019]
- US 6422027 B1 [0010]
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