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Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf. Der Kühlmittelkreislauf ist von einem Kühlfluid durchströmbar, wobei hierzu eine Pumpe das Kühlfluid fördert. Des Weiteren umfasst der Kühlmittelkreislauf stromauf zur Pumpe eine Kühleinrichtung für eine Batterie, die von dem Kühlfluid durchströmbar ist, und stromab zur Pumpe einem Wärmetauscher. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlmittelkreislaufs sowie ein Kraftfahrzeug hierzu.
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Ein Kühlmittelkreislauf dient dazu, ein sich selbst erwärmendes oder von außen erwärmtes Bauteil abzukühlen. Dabei kann es sich bei dem wärmeerzeugenden Bauteil insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher, das heißt eine Batterie, handeln. Im Allgemeinen umfasst der Kühlmittelkreislauf eine von einem Kühlfluid durchströmbare Leitung, eine Pumpe und eine Wärmesenke. Die Wärmesenke kann beispielsweise als ein Wärmetauscher realisiert sein, der eine Abwärme des wärmerzeugenden Bauteils an eine Umgebung des Bauteils abgeben kann. Das im Kreislauf zirkulierende Kühlfluid wird an dem zu kühlenden Bauteil entlanggeführt und/oder durch einen Hohlraum innerhalb eines Bauteilgehäuses hindurchgeführt, erwärmt sich dabei und gibt die aufgenommene Wärme an dem Wärmetauscher wieder ab. Wird das Kühlfluid nur entlang einer einzigen Strömungsrichtung geleitet, dann kann dies eine Temperaturdifferenz zwischen einer Vorlauftemperatur und einer Rücklauftemperatur des Kühlfluids, das heißt eine sogenannte Temperaturspreizung, und/oder eine Temperaturdifferenz zwischen einer Vielzahl an Batteriezellen eines Zellstapels beziehungsweise eines Batteriemoduls zur Folge haben. Um eine jeweilige Temperaturdifferenz zu reduzieren beziehungsweise auszugleichen, kann beispielsweise die Strömungsrichtung des Kühlmittels periodisch umgekehrt werden. Eine Strömungsumkehr kann zum Beispiel mittels eines Ventils erzwungen werden, wobei hierzu in dem Stand der Technik bereits mögliche Varianten erläutert werden.
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Die
US 2004/0137313 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einem Kühlmittelkreislauf, wobei zwei Strömungsventile eine Strömungsrichtung einstellen können. Aus der
DE 10 2009 035 480 A1 ist eine Batterie mit einem Kühlkreislauf bekannt, der eine Ventileinrichtung (zum Beispiel regelbares oder getaktetes Ventil) oder ein Proportionalitätsventil (zum Beispiel DreiWegeventil) aufweist. Die
DE 10 2011 054 041 A1 beschreibt ein Thermomanagementsystem für eine Batterie mit einer Vielzahl an Ventilen, wobei durch eine Flussumkehr einer Luft eine Luftkühlung oder eine Luftheizung bereitgestellt ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kühlmittelkreislauf der eingangs genannten Art zu verbessern, sodass eine jeweilige Temperaturdifferenz möglichst gering ist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlmittelkreislaufs sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kühlmittelkreislauf bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Kühlmittelkreislauf bereitgestellt, der von einem Kühlfluid durchströmbar ist. Der Kühlmittelkreislauf umfasst eine Pumpe zum Fördern des Kühlfluids, eine Kühleinrichtung für eine Batterie, die stromauf zur Pumpe angeordnet und von dem Kühlfluid durchströmbar ist, und einen Wärmetauscher, der stromab zur Pumpe angeordnet ist. Mit anderen Worten fördert die Pumpe das den Kühlmittelkreislauf durchströmende Kühlfluid - ausgehend von der Pumpe - zunächst zur Kühleinrichtung. Bevor das in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlfluid wieder zur Pumpe zurückgeführt wird, wird es durch einen Wärmetauscher geleitet. Beim Durchströmen des Kühlmittelkreislaufs können einzelne Komponenten (das heißt die Pumpe, die Kühleinrichtung und der Wärmetauscher) mittels jeweiliger Leitungsabschnitte (zum Beispiel Rohrabschnitte) fluidisch leitend miteinander verbunden sein. Bei dem durchströmenden Kühlfluid kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser, Öl oder eine Wasser-Glykol-Mischung) handeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlfluid ein Gas (zum Beispiel Luft oder Kohlendioxid) umfassen. Um das Kühlfluid zu transportieren, das heißt eine Strömung des Kühlfluids vorzugeben, ist die Pumpe vorgesehen. Diese kann beispielsweise als eine Strömungspumpe (Kreiselpumpe) oder eine Verdrängerpumpe vorliegen.
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Mittels der Kühleinrichtung kann besonders effizient eine Abwärme der Batterie abgeführt und somit ein Überhitzen der Batterie verhindert werden. Eine Batterie im Sinne der Erfindung umfasst ein Batteriemodul mit einer Batteriezelle oder mehreren Batteriezellen. Die jeweilige Batteriezelle kann beispielsweise als eine prismatische Zelle oder als eine Pouch-Zelle ausgestaltet sein. Eine solche Batteriezelle stellt hierbei bevorzugt eine Spannung im Bereich zwischen 3,5 und 4 Volt bereit. Insbesondere weist das Batteriemodul eine Vielzahl an elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen auf. Dadurch kann eine elektrische Spannung im Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere im Bereich von mehreren 100 Volt, bereitgestellt sein. Bevorzugt sind die Batteriezellen zu einem Zellstapel aneinander angeordnet und von einem Modulgehäuse ummantelt. Ein oder mehrere solcher Batteriemodule können wiederum über ein Wärmeleitmaterial in einem Batteriegehäuse angeordnet sein. Dabei kann das jeweilige Gehäuse (Batteriegehäuse und/oder Modulgehäuse) insbesondere aus einem thermisch leitenden metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl und/oder Aluminium, gefertigt sein.
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Nach einem Passieren, das heißt einem Strömen des Kühlfluids entlang der Batterie im Bereich der Kühleinrichtung, wird das dadurch erwärmte Kühlfluid dem Wärmetauscher zugeführt. Dabei kann eine Wärmeübertragung insbesondere indirekt erfolgen (Rekuperation), wobei zwei Stoffströme (das heißt der Kühlfluidstrom und ein weiterer Stoffstrom) räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand voneinander getrennt sind. Dabei können die beiden Stoffströme insbesondere als Gegenstrom- oder als Gleichstromkonfiguration ausgebildet sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wärmetauscher um einen Plattenwärmetauscher.
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Um eine jeweilige Temperaturdifferenz zwischen einer Vorlauftemperatur und einer Rücklauftemperatur des Kühlfluids (Temperaturspreizung) und/oder zwischen einer Vielzahl an Batteriezellen gering zu halten, weist der Kühlmittelkreislauf ein einziges Vierwegeventil auf. Das Vierwegeventil ist dazu ausgebildet, eine jeweilige Strömungsrichtung des Kühlfluids an der Batterie zyklisch umzukehren. Somit ändert das Vierwegeventil die Strömungsrichtung an der Batterie periodisch und dient als eine Umschalteinrichtung. Dabei kann das Vierwegeventil insbesondere als ein 4/2-Wegeventil ausgebildet sein, das vier Anschlüsse und zwei Ventilstellungen, das heißt eine erste Ventilstellung und eine zweite Ventilstellung, aufweisen kann. Hierbei ist die erste Ventilstellung unterschiedlich zur zweiten Ventilstellung. Das Vierwegeventil unterteilt den Kühlmittelkreislauf in einen ersten Teilkühlmittelkreislauf und in einen zweiten Teilkühlmittelkreislauf. Hierbei kann anhand des jeweiligen Teilkühlmittelkreislaufs ein Strömungsverhalten des Kühlfluids, insbesondere im Hinblick auf die jeweilige Strömungsrichtung, vorgegeben werden. Der erste Teilkühlmittelkreislauf weist hierbei die einzige Strömungsrichtung unabhängig von der jeweiligen Ventilstellung des Vierwegeventils auf. Somit ist die Strömungsrichtung unveränderlich, das heißt konstant. Hierbei kann mittels des Vierwegeventils keine Strömungsumkehr erzwungen werden. Der zweite Teilkühlmittelkreislauf weist bei der ersten Ventilstellung eine erste Strömungsrichtung und bei der zweiten Ventilstellung eine zu der ersten Strömungsrichtung entgegengesetzte zweite Strömungsrichtung auf. Somit kann die Kühleinrichtung von zwei einander entgegengesetzten Seiten abwechselnd durchströmt werden.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Batteriezellen bereitgestellt werden und dadurch auch eine Alterung (Konditionierung) der Batteriezellen verringert, das heißt minimiert werden kann. Dadurch kann ein Austauschintervall der Batterie vergrößert werden, welcher von einer alterungsabhängigen Ladekapazität vorgegeben ist. Des Weiteren kann eine Differenz zwischen der Vorlauftemperatur des Kühlfluids und einer Temperatur der jeweiligen Batteriezellen erhöht werden, ohne die Alterung der Batterie zu begünstigen. Dadurch kann insbesondere eine Kühlleistung des Kühlmittelkreislaufs erhöht werden. Auch kann ein bestehender Kühlmittelkreislauf besonders einfach aufgerüstet werden, indem dieser lediglich um das Vierwegeventil ergänzt wird.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der erste Teilkühlmittelkreislauf die Pumpe, einen ersten Anschluss des Vierwegeventils stromauf zur Pumpe, einen zweiten Anschluss des Vierwegeventils stromab zum Wärmetauscher und den Wärmetauscher aufweist. Den zweiten Teilkühlmittelkreislauf bilden hingegen die Kühleinrichtung für die Batterie, ein dritter Anschluss des Vierwegeventils stromab zur Kühleinrichtung und ein vierter Anschluss des Vierwegeventils stromauf zur Kühleinrichtung. Somit strömt im zweiten Teilkühlmittelkreislauf das gekühlte Kühlfluid zunächst von dem dritten Anschluss des Vierwegeventils zur Kühleinrichtung. Beim Durchströmen der Kühleinrichtung erwärmt sich das Kühlfluid und strömt als erwärmtes Kühlfluid zum vierten Anschluss. Das erwärmte Kühlfluid wird über das Vierwegeventil von dem zweiten Kühlmittelkreislauf in den ersten Kühlmittelkreislauf geleitet. Hierbei bezieht sich die Bezeichnung „dritter“ Anschluss und „vierter“ Anschluss auf eine aktuelle der jeweiligen Strömungsrichtungen des zweiten Teilkühlmitelkreislaufs. Somit wird bei der jeweiligen Strömungsumkehr der dritte Anschluss zum vierten Anschluss und umgekehrt. Ausgehend von dem vierten Anschluss des Vierwegeventils strömt das erwärmte Kühlfluid zum Wärmetauscher, wo das Kühlfluid gekühlt wird und als gekühltes Kühlfluid zur Pumpe geleitet wird, die das gekühlte Kühlfluid in Richtung des ersten Anschlusses pumpt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass lediglich im erforderlichen Bereich, das heißt an der Kühleinrichtung, die Strömungsumkehr stattfindet. Dadurch werden der Wärmetauscher, insbesondere bei einem Betreiben im Gegenstromprinzip, und die Pumpe stets in der einzigen Strömungsrichtung durchströmt. Dadurch können diese besonders effizient betrieben und eine Kühlleistung erhöht werden. Bei der Batterie und/oder der Kühleinrichtung handelt es sich hingegen um eine innerhalb des Kühlmittelkreislaufs statische Komponente, sodass die Strömungsumkehr die Kühlleistung begünstigen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass ein durchströmtes erstes Leitungsvolumen des ersten Teilkühlmittelkreislaufs größer als ein durchströmtes zweites Leitungsvolumen des zweiten Teilkühlmittelkreislaufs ist. Das jeweilige Leitungsvolumen gibt hier einen von dem Kühlfluid einnehmenden Hohlraum vor, welcher beim Durchströmen des jeweiligen Teilkühlmittelkreislaufs durchströmt wird. Durch eine derartige Verortung des Vierwegeventils in einer Nähe zur Kühleinrichtung kann ein Einfluss einer thermischen Masse des Kühlfluids verringert werden. Somit kann nach der Strömungsumkehr stets gekühltes Kühlfluid in die Kühleinrichtung einströmen und bereits erwärmtes Kühlfluid durch das Vierwegeventil ausströmen. Insbesondere kann der zweite Teilkühlmittelkreislauf zwei Leitungsabschnitte umfassen, die jeweils von dem Vierwegeventil zu der Kühleinrichtung reichen. Um einen Einfluss der thermischen Masse des Kühlfluids weiter zu reduzieren, können die beiden Leistungsabschnitte insbesondere gleichartig im Hinblick auf einen Durchmesser und/oder eine Leitungslänge ausgebildet sein, sodass die thermische Masse trotz Strömungsumkehr gleich bleibt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Kühleinrichtung in die Batterie integriert ist. Die Kühleinrichtung ist somit ein Bauteil der Batterie. Dabei kann die Batterie an dem Batteriegehäuse zwei Anschlüsse zum Zuführen und Abführen des Kühlfluids aufweisen. Innerhalb der Batterie, beispielsweise entlang des Batteriemoduls beziehungsweise jeweiliger Batteriezellen können Leiteinheiten vorgesehen sein, welche das Kühlfluid verteilen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Wechsel der Batterie eine mögliche Anpassung der Kühleinrichtung unterbleiben kann. Alternativ ist die Kühleinrichtung als eine thermisch an die Batterie gekoppelte Kühlplatte ausgebildet. Somit sind die Kühleinrichtung und die Batterie zwei separate Bauteile. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Tausch der Batterie besonders einfach erfolgen kann, da auf einen fluidischen Anschluss der Batterie verzichtet werden kann. Hierbei kann eine thermische Koppelung mittels eines Wärmeleitmaterials realisiert sein. Dabei kann es sich bei dem Wärmeleitmaterial beispielsweise um ein niederviskoses und aushärtendes Zwei-Komponenten-Wärmeleitmaterial oder ein hochviskoses EinKomponenten-Wärmeleitmaterial handeln. Das Wärmeleitmaterial kann als sogenannter thermischer Lückenfüller (thermal gap filler) insbesondere als eine Wärmeleitpaste (thermal grease) oder als ein Wärmeleitpad (thermal pad) ausgebildet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Vorlauftemperatur des Kühlfluids zwischen 7 und 13 Grad Celsius beträgt, wobei die Temperaturdifferenz zwischen mehreren Batteriezellen der Batterie 7 bis 10 Kelvin und/oder die Temperaturspreizung für das entlang der mehreren Batteriezellen strömende Kühlfluid 4 bis 6 Kelvin beträgt. Somit kann die Vorlauftemperatur des Kühlfluids von beispielsweise 15 Grad Celsius auf 7 bis 13 Grad Celsius, insbesondere auf 10 Grad Celsius, verringert werden. Die Temperaturdifferenz zwischen mehreren Batteriezellen der Batterie, das heißt der heißesten zur kühlsten Batteriezelle, ist zwischen 7 und 10 Kelvin, das heißt 7, 8, 9 oder 10 Kelvin. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur (das heißt beim Eintritt in die Kühleinrichtung) und der Rücklauftemperatur (das heißt beim Austritt aus der Kühleinrichtung) des Kühlfluids 4, 5 oder 6 Kelvin. Dabei kann die Temperaturdifferenz innerhalb der Batterie größer als die Temperaturspreizung des Kühlfluids sein. Vor dem Durchströmen der Kühleinrichtung beträgt die Vorlauftemperatur des Kühlfluids 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13 Grad Celsius. Eine derartige Vorlauftemperatur kann ausgehend von der zulässigen Temperaturspreizung von 4 bis 6 Kelvin durch die zyklische Strömungsumkehr eingestellt werden. Dabei kann eine Temperaturdifferenz von der Batterie zum Kühlfluid von üblicherweise 30 Kelvin durch Absenken der Vorlauftemperatur auf 10 Grad Celsius beispielsweise auf 35 Kelvin erhöht und dadurch die Kühlleistung um 17 % gesteigert werden. Hierbei kann die Temperaturdifferenz in Abhängigkeit von einer Ausgestaltung der Kühleinrichtung, zum Beispiel je nach Kühlplattenbauart, unterschiedlich sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass eine Zyklusdauer der jeweiligen umkehrbaren Strömungsrichtung zumindest 30 Sekunden beträgt. Somit wird die jeweilige Strömungsrichtung für eine Zeitspanne von mindestens 30 Sekunden beibehalten, bevor diese umzukehren ist. Dadurch kann besonders vorteilhaft sichergestellt werden, dass die Zyklusdauer der jeweiligen Strömungsrichtung ausreicht, um beispielsweise entlang sämtlicher Batteriezellen der Batterie zu strömen und/oder eine ausreichend große thermische Masse des Kühlfluids bewegt wird. Die Zyklusdauer kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Größe der Batterie angepasst werden. Beispielsweise kann die Zyklusdauer für ein Elektrofahrzeug mit einer vergleichsweise großen Batterie größer als jene für ein Hybridfahrzeug mit einer vergleichsweise kleineren Batterie sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Kältemittelkreislauf einen Sensor zum zyklischen Erfassen eines aktuellen Temperaturwerts und/oder eines aktuellen Strömungsparameters aufweist. Der aktuelle Temperaturwert kann beispielsweise eine Temperatur einer jeweiligen Batteriezelle und/oder des Kühlfluids angeben. Alternativ oder zusätzlich kann der aktuelle Strömungsparameter des Kühlfluids ermittelt werden. Aufgrund des zyklischen, das heißt periodischen Erfassens kann beispielsweise mittels mehrerer zeitlich aufeinanderfolgenden Temperaturwerten und/oder Strömungsparametern ein jeweiliges Profil erstellt werden. Anhand des Temperaturwerts kann beispielsweise die Temperaturdifferenz innerhalb der Batterie zwischen mehreren Batteriezellen und/oder die Temperaturspreizung des Kühlfluids ermittelt werden. Zum Erfassen des Temperaturwerts kann beispielsweise ein elektrischer oder elektronischer Temperatursensor (Temperaturfühler) eingesetzt werden, zum Beispiel ein integrierter Halbleiter-Temperatursensor, ein Thermoelement oder ein Pyrometer. Der Strömungsparameter kann beispielsweise einen Druck, eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Volumenstrom oder eine Wandschubspannung umfassen. Anhand des Strömungsparameters kann ein Strömungsverhalten des Kühlfluids charakterisiert und beispielsweise visualisiert werden. Eine Steuereinrichtung des Kühlmittelkreislaufs kann den erfassten Temperaturwert und/oder den erfassten Strömungsparameter im Hinblick auf eine vorgegebene, das heißt definierte Stellbedingung auswertet. Wird erkannt, dass der Temperaturwert und/oder der Strömungsparameter die Stellbedingung erfüllen, dann stellt das Vierwegeventil die jeweilige Ventilstellung ein. Hierzu kann die Steuereinrichtung beispielsweise einen entsprechenden Steuerbefehl zum Einstellen der jeweiligen Ventilstellung vorab übermitteln. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Kühlmittelkreislauf laufend überwacht und bei Bedarf dynamisch angepasst werden kann.
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Durch die Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs bereitgestellt. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufs. Zunächst wird der Kühlmittelkreislauf bereitgestellt. Hierzu werden eine Pumpe, eine stromauf zur Pumpe angeordnete Kühleinrichtung für eine Batterie, ein stromauf zur Pumpe angeordneter Wärmetauscher und ein einziges Vierwegeventil fluidisch leitend miteinander verbunden. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise mittels als Rohre ausgebildeten Leitungsabschnitten realisiert sein. Ein Kühlfluid durchströmt den Kühlmittelkreislauf, wobei das Vierwegeventil den Kühlmittelkreislauf in einen ersten Teilkühlmittelkreislauf und in einen zweiten Teilmittelkühlkreislauf unterteilt. Hierzu wird das Kühlfluid mittels der durchströmten Pumpe gefördert, wobei das Kühlfluid eine erste Temperatur aufweist. Beispielsweise liegt die erste Temperatur des Kühlfluids bei 10 Grad Celsius. Die Batterie wird mittels der durchströmten Kühleinrichtung temperiert, wobei eine von der ersten Temperatur unterschiedliche zweite Temperatur des Kühlfluids eingestellt wird. Diese Temperatur kann beispielsweise 15 Grad Celsius betragen. Anschließend durchströmt das Kühlfluid, das die zweite Temperatur aufweist, den Wärmetauscher. Hierbei wird anstelle der zweiten Temperatur die erste Temperatur des Kühlfluids eingestellt. Um den Kühlmittelkreislauf besonders effizient betreiben zu können, wird eine jeweilige Strömungsrichtung des Kühlfluids an der Batterie mittels des Vierwegeventils zyklisch umgekehrt. Hierzu wird in dem ersten Teilkühlmittelkreislauf eine einzige Strömungsrichtung unabhängig von einer Ventilstellung des Vierwegeventils eingestellt. Des Weiteren wird in dem zweiten Teilkühlmittelkreislauf bei einer ersten Ventilstellung eine erste Strömungsrichtung und bei einer von der ersten Ventilstellung unterschiedlichen zweiten Ventilstellung eine zu der ersten Strömungsrichtung entgegengesetzte zweite Strömungsrichtung eingestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass beim Temperieren mittels der Kühleinrichtung die Batterie durch Abführen von Wärme gekühlt und/oder durch Zuführen von Wärme beheizt wird. Somit kann eine Temperatur der Batterie mittels der Kühleinrichtung erhöht, reduziert und/oder gehalten werden. Beispielsweise kann dies in Abhängigkeit von einer witterungsbedingten Außentemperatur erfolgen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kühleinrichtung multifunktional ausgebildet ist.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufs beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Auch ist durch die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf bereitgestellt. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufs. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, oder als ein Personenbus oder ein Motorrad ausgestaltet. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug als ein Hybridfahrzeug oder als ein Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Hierbei kann eine Batterie, die mittels einer Kühleinrichtung des Kühlmittelkreislaufs gekühlt werden, die beispielsweise als eine Traktionsbatterie ausgebildet sein kann und einen Lithium-Ionen-Akkumulator aufweist.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufs beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kühlmittelkreislaufs aus dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kühlmittelkreislaufs mit einem eine erste Strömungsrichtung aufweisenden zweiten Teilkühlmittelkreislauf;
- 3 eine schematische Darstellung des weiteren Ausführungsbeispiels des Kühlmittelkreislaufs mit dem eine zweite Strömungsrichtung aufweisenden zweiten Teilkühlmittelkreislauf; und
- 4 eine schematische Flussdarstellung eines Verfahrens zum Betreiben des weiteren Ausführungsbeispiels des Kühlmittelkreislaufs.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einer als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildeten Batterie 12 zum elektrischen Versorgen des Kraftfahrzeugs 10. Die Batterie 12 kann hierzu ein Batteriemodul 14 aufweisen, das eine Vielzahl an elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen aufweisen kann. Um das Batteriemodul 14 beziehungsweise deren Batteriezellen zu temperieren, insbesondere zu kühlen, ist eine als Kühlplatte ausgebildete Kühleinrichtung 16 vorgesehen. Diese Kühleinrichtung 16 ist thermisch mit der Batterie 12 über ein Wärmeleitmaterial gekoppelt und Teil eines Kühlmittelkreislaufs 18, der stromab zur Kühleinrichtung 16 eine Pumpe 20 und stromauf zur Kühleinrichtung 16 einen Wärmetauscher 22 aufweist. Die Kühleinrichtung 16, die Pumpe 20 und der Wärmetauscher 22 sind fluidisch mittels Leitungsabschnitten 24a, 24b verbunden, durch welche ein Kühlfluid strömt. Hierbei fließt durch die Leitungsabschnitte 24a das gekühlte Kühlfluid mit einer ersten Temperatur T1 und durch die Leitungsabschnitte 24b das erwärmte Kühlfluid mit einer zweiten Temperatur T2.
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Um eine Strömung des Kühlfluids zu erzeugen, fördert die Pumpe 20 das gekühlte Kühlfluid zunächst durch den Leitungsabschnitt 24a zur Kühleinrichtung 16. Beim Durchströmen der Kühleinrichtung 16 entlang der Batterie 12 erwärmt sich das Kühlfluid, wobei das Kühlfluid beim Eintritt die erste Temperatur T1 und beim Austritt die zweite Temperatur T2 aufweist. Hierbei geben die beiden Temperaturen T1, T2 eine Temperaturspreizung des Kühlfluids an. Das erwärmte Kühlfluid strömt durch den Leitungsabschnitt 24b zu dem als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 22. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 22 kühlt das Kühlfluid ab, wobei das Kühlfluid die zweite Temperatur T2 beim Eintritt und die erste Temperatur T1 beim Austritt aufweist. Das abgekühlte Kühlfluid mit einer Temperatur T1 strömt entlang des Leitungsabschnitts 24a zur Pumpe 20. In der 1 durchströmt das Kühlfluid die Kühleinrichtung 16 in einer einzigen Strömungsrichtung R1. Bauartbedingt kann sich ein thermischer Unterschied zwischen einströmenden und ausströmenden Kühlfluid ergeben, sodass auch unter optimalen Bedingungen ein Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen der Batterie 14 entstehen kann.
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Die 2 und die 3 zeigen unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit 1 bereits beschriebenen Komponenten ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlmittelkreislaufs 18. Zusätzlich umfasst der Kühlmittelkreislauf 18 ein Vierwegeventil 25, das als ein 4/2-Wegeventil ausgebildet ist. Somit weist das Vierwegeventil 25 vier Anschlüsse A1, A2, A3, A4 sowie zwei voneinander unterschiedliche Ventilstellungen V1, V2 auf. Das Vierwegeventil 25 unterteilt den Kühlmittelkreislauf 18 in einen ersten Teilkühlmittelkreislauf 26a und in einen zweiten Teilmittelkühlkreislauf 26b. Der erste Teilkühlmittelkreislauf 26a umfasst die Pumpe 20, den ersten Anschluss A1 sowie den zweiten Anschluss A2 des Vierwegeventils 25 und den Wärmetauscher 22. Der zweite Teilkühlmittelkreislauf 26b wird gebildet von der Kühleinrichtung 16, dem dritten Anschluss A3 sowie dem vierten Anschluss A4 des Vierwegeventils 25. Dabei kann ein durchströmtes erstes Leitungsvolumen des ersten Teilkühlmittelkreislaufs 26a größer als ein durchströmtes zweites Leitungsvolumen des zweiten Teilkühlmittelkreislaufs 26b sein.
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Das Vierwegeventil 25 ist dazu ausgebildet, in dem zweiten Teilkühlmittelkreislauf 26b eine jeweilige Strömungsrichtung R21, R22 des Kühlfluids an der Batterie 12 zyklisch in Abhängigkeit von der Ventilstellung V1, V2 umzukehren. Im Vergleich zu 2 wechselt in 3 aufgrund der Strömungsumkehr eine jeweilige Bezeichnung für die Anschlüsse A3, A4, sodass der dritte Anschluss A3 zum vierten Anschluss A4 wird. Dabei kann eine Zyklusdauer der jeweiligen umkehrbaren Strömungsrichtung R21, R22 zumindest 30 Sekunden betragen. Bei der ersten Ventilstellung V1 wird in dem zweiten Teilkühlmittelkreislauf 26b die erste Strömungsrichtung R21 eingestellt, wie in 2 gezeigt, und bei der zweiten Ventilstellung V2 wird eine zu der ersten Strömungsrichtung R21 entgegengesetzte zweite Strömungsrichtung R22 eingestellt, wie in 3 dargestellt. Der erste Teilkühlmittelkreislauf 26a weist eine einzige Strömungsrichtung R1 unabhängig von der Ventilstellung V1, V2 des Vierwegeventils 25 auf.
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Beim Durchströmen des Kühlmittelkreislaufs 18 kann eine Vorlauftemperatur, das heißt die erste Temperatur T1, des Kühlfluids zwischen 7 und 13 Grad Celsius betragen. Die Temperaturspreizung T1, T2 für das entlang der mehreren Batteriezellen strömende Kühlfluid kann 4 bis 6 Kelvin und eine Temperaturdifferenz zwischen mehreren Batteriezellen der Batterie 12 kann 7 bis 10 Kelvin betragen. Des Weiteren kann der Kühlmittelkreislauf 18 einen Sensor zum zyklischen Erfassen eines aktuellen Temperaturwerts und eines aktuellen Strömungsparameters aufweisen. Sofern diese eine vorgegebene Stellbedingung erfüllen, stellt das Vierwegeventil 25 die jeweilige Ventilstellung V1, V2 ein.
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Die 4 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den 1 bis 3 bereits beschriebenen Komponenten schematisch ein Verfahren zum Betreiben des in den 2 und 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiels des Kühlmittelkreislaufs 18. In einem ersten Schritt S1 wird der Kühlmittelkreislauf 18 bereitgestellt. Hierzu werden die Pumpe 20, die Kühleinrichtung 16 für die Batterie 12, der Wärmetauscher 22 und das Vierwegeventil 25 fluidisch leitend miteinander verbunden. In einem weiteren Schritt S2 durchströmt das Kühlfluid den Kühlmittelkreislauf 18, wobei das Vierwegeventil 25 den Kühlmittelkreislauf 18 in den ersten Teilkühlmittelkreislauf 26a und in den zweiten Teilmittelkühlkreislauf 26b unterteilt. In einem weiteren Schritt S3 wird das Kühlfluid mittels der durchströmten Pumpe 20 gefördert, wobei das Kühlfluid die erste Temperatur T1 aufweist. In einem weiteren Schritt S4 wird die Batterie 12 mittels der durchströmten Kühleinrichtung 16 temperiert, wobei die zweite Temperatur T2 des Kühlfluids eingestellt wird. Hierbei kann die Kühleinrichtung 16 die Batterie 12 durch Abführen von Wärme kühlen und alternativ oder zusätzlich durch Zuführen von Wärme beheizen. In einem weiteren Schritt S5 durchströmt das Kühlfluid, das die zweite Temperatur T2 aufweist, den Wärmetauscher 22. Hierbei wird die erste Temperatur T1 des Kühlfluids eingestellt. In einem weiteren Schritt S6 wird die jeweilige Strömungsrichtung R21, R22 des Kühlfluids an der Batterie 12 mittels des Vierwegeventils 25 zyklisch umgekehrt. Hierzu wird in dem ersten Teilkühlmittelkreislauf 26a die einzige Strömungsrichtung R1 unabhängig von der Ventilstellung V1, V2 des Vierwegeventils 25 eingestellt. Des Weiteren wird in dem zweiten Teilkühlmittelkreislauf 26b bei der ersten Ventilstellung V2 die erste Strömungsrichtung R21 und bei der zweiten Ventilstellung V2 die zweite Strömungsrichtung R22 eingestellt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Verschaltungsvariante eines Kühlsystems (Kühlmittelkreislauf 18) für eine Batteriekonditionierung bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0137313 A1 [0003]
- DE 102009035480 A1 [0003]
- DE 102011054041 A1 [0003]
