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Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter für einen Kühlmittelkreislauf eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Ausgleichsbehälter ist mit einer Luft und einem Kühlmittel gefüllt und umfasst eine aktive Druckregeleinheit mit einer Ventileinrichtung. Um einen Druck in dem Ausgleichsbehälter zu verringern, strömt teilweise die Luft durch die Ventileinrichtung aus dem Ausgleichsbehälter in eine Umgebung des Ausgleichsbehälters aus. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kühlmittelkreislauf sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlmittelkreislaufs.
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Es ist bekannt, ein sich selbst erwärmendes und/oder von außen erwärmtes Bauteil eines Kraftfahrzeugs mittels eines Kühlmittelkreislaufs zu temperieren. Temperieren im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere ein Kühlen, kann aber auch ein Wärmen des Bauteils bedeuten. Dabei kann es sich bei dem wärmeerzeugenden Bauteil insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher, das heißt eine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgende und/oder antreibende Batterie, handeln. Im Allgemeinen umfasst der Kühlmittelkreislauf eine von einem Kühlmittel durchströmbare Leitung (zum Beispiel ein Schlauch oder ein Rohr), eine Kühlmittelpumpe zum Fördern des Kühlmittels und eine Wärmesenke, beispielsweise einem Wärmetauscher. Da sich das Kühlmittel bei Erwärmung ausdehnt, steigt ein Druck in dem Kühlmittelkreislauf und ein Volumen des Kühlmittels ändert sich. Um diesen Effekt auszugleichen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen Ausgleichsbehälter stromab zur Kühlmittelpumpe in den Kühlmittelkreislauf zu integrieren, der das expandierende und überschüssige Kühlmittel aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben kann.
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Für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor offenbart beispielsweise die
EP 2 492 467 A1 ein Kühlsystem. Beim Starten des Verbrennungsmotors wird eine Druckluft aus einem Speicherbehälter über eine Ventileinrichtung und eine Drosselklappe zu einem Ausgleichsbehälter geleitet.
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Ferner beschreibt die
US 2005/0061264 A1 ein Kühlsystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor. Ein elektronisch gesteuertes Ventil bringt einen Ausgleichsbehälter selektiv in Verbindung mit einem unter Druck stehenden Motorlufteinlass, um einen gewünschten Druck im Ausgleichsbehälter aufrechtzuerhalten und einen Rückfluss von Flüssigkeit in den Motorlufteinlass zu verhindern.
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Im Zusammenhang mit einem Elektrofahrzeug ist aus der
CN206598720 U ein Kühlsystem mit einem Ausgleichsbehälter bekannt. Übersteigt ein Druck in dem Ausgleichsbehälter, beispielsweise durch Einströmen eines Kühlwasserdampfes, einen vorgegebenen Druck, dann öffnet sich ein Druckventil.
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Die bekannten und genannten Lösungen ermöglichen in dem Ausgleichsbehälter eine Druckerhöhung mittels Einströmen von Druckluft und/oder eine Druckreduktion mittels Ausströmen von Luft in eine Umgebung.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ausgleichsbehälter für einen Kühlmittelkreislauf der eingangs genannten Art zu verbessern, sodass ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug besonders effizient zu temperieren ist. Zusätzlich ist es die Aufgabe der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kühlmittelkreislauf sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlmittelkreislaufs 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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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Temperieren eines Bauteils in einem Kühlmittelkreislauf eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs eine Maximaltemperatur des Kühlmittels bei jedem bestimmungsgemäßen Betrieb geringer ist als jene eines mittels eines Verbrennungsmotors angetriebenen Kraftfahrzeugs. Insbesondere ist die Maximaltemperatur gering, wenn es sich bei dem Bauteil um eine das Kraftfahrzeug antreibende Batterie handelt. Zusätzlich erfordert ein derartiges Bauteil einen hohen Volumenstrom an Kühlmittel, was eine leistungsstarke Kühlmittelpumpe erfordert, die dazu ausgebildet ist, hohe Drucksprünge zu realisieren. Aufgrund der vergleichsweise geringen Temperatur des Kühlmittels herrscht in einem Ausgleichsbehälter des Kühlmittelkreislaufs allerdings ein vergleichsweise geringer Druck, der annähernd einem Umgebungsdruck entspricht. Dieser geringe Druck kann gemeinsam mit den hohen Drucksprüngen in einem Vorlauf der Kühlmittelpumpe zu einem großen Unterdruck führen. Einer daraus resultierenden Kavitation in der Kühlmittelpumpe kann durch die Erfindung entgegengewirkt werden.
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Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter für einen Kühlmittelkreislauf eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Eine Kühlmittelpumpe fördert das in dem Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel, das an einem zu kühlenden Bauteil entlang strömt, sich dabei erwärmt und eine aufgenommene Wärme an einem Wärmetauscher wieder abgibt. Bei dem durchströmenden Kühlmittel kann es sich insbesondere um eine Kühlflüssigkeit (zum Beispiel Wasser, Öl oder eine Wasser-Glykol-Mischung) handeln. Der Ausgleichsbehälter (AGB) oder ein sogenannter Ausdehnungsbehälter ist stromab zur Kühlmittelpumpe in den Kühlmittelkreislauf angeordnet, um bei einer temperaturbedingten Ausdehnung des Kühlmittels ein schwankendes Volumen des Kühlmittels auszugleichen. Hierzu weist der Ausgleichsbehälter ein erstes mit einer Luft gefülltes Teilvolumen und ein zweites mit einem Kühlmittel gefülltes Teilvolumen auf. Somit ist der Ausgleichsbehälter bereichsweise sowohl mit Luft als auch mit dem Kühlmittel gefüllt.
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Um einen Druck innerhalb des Ausgleichsbehälters zu regeln, weist der Ausgleichsbehälter eine aktive Druckregeleinheit auf. Dadurch kann die aktive Druckregeleinheit den Druck in dem Ausgleichsbehälter und somit auch in dem Kühlmittelkreislauf regeln. Hierzu kann die Druckregeleinheit einen Regler aufweisen, der laufend einen vorgegebenen Sollwert (Sollgröße) einem erfassten, das heißt gemessenen Istwert (Prozessgröße) vergleichend gegenüberstellt. Bei einer ermittelten Differenz (Regelabweichung) ergibt sich ein einzustellender Stellwert (Stellgröße), welcher einer Abweichung entgegenwirken soll. Bei einem jeweiligen Wert kann es sich beispielsweise um einen Druckwert, einen Temperaturwert, einen Zeitwert und/oder einen Füllstandswert handeln. Der Regler (Steuergerät) kann hierzu eine Prozessoreinheit aufweisen, die einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder einen DSP (Digital Signal Processor) umfassen kann. Des Weiteren kann die Prozessoreinheit einen in einem Datenspeicher der Prozessoreinheit gespeicherten Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinheit den Druck zu regeln. Beispielsweise ermittelt der Regler anhand der jeweiligen Werte, ob für einen aktuellen Betriebszustand der Druck in dem Ausgleichsbehälter zu erhöhen, zu verringern oder beizubehalten ist.
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Um den Druck entsprechend einstellen zu können, weist die aktive Druckregeleinheit eine Ventileinrichtung auf. Ist ein Druckabbau, das heißt ein Verringern des Drucks in dem Ausgleichsbehälter, vorgesehen, dann strömt teilweise die Luft durch die Ventileinrichtung aus dem Ausgleichsbehälter in eine Umgebung des Ausgleichsbehälters aus. Hierzu kann die Ventileinrichtung beispielsweise ein Druckventil aufweisen, das dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Ausgleichsbehälter zu regeln. Das Druckventil kann beispielsweise als ein Druckbegrenzungsventil (DBV) einen maximal zulässigen Druck in dem Ausgleichsbehälter begrenzen, um diesen gegen einen unzulässigen Druckanstieg, das heißt einen Druck größer als den maximal zulässigen Druck, abzusichern (Überdruckabsicherung) und/oder um einen Schaden an dem Ausgleichsbehälter zu vermeiden. Übersteigt der Druck den maximal zulässigen Druck, dann strömt die Luft über die Ventileinrichtung aus dem Ausgleichsbehälter in dessen Umgebung. Die Ventileinrichtung kann somit einen Weg für die Luft in die Umgebung freigeben. Da im Ausgleichsbehälter ein Überdruck herrscht, strömt die Luft aus dem Ausgleichsbehälter und verringert so den Druck in dem Ausgleichsbehälter.
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Ist hingegen ein Druckanstieg, das heißt ein Erhöhen des Drucks in dem Ausgleichsbehälter, notwendig, kann die aktive Druckregeleinheit einen Verdichter (Kompressor) regeln, der hierzu eine Umgebungsluft unmittelbar aus der Umgebung ansaugt. Das bedeutet, dass die Umgebungsluft direkt in den Ausgleichsbehälter einströmt, wobei hierzu der Verdichter die Umgebungsluft aktiv einbläst und/oder verdichtet. Somit befüllt der Verdichter den Ausgleichsbehälter zusätzlich zur Luft mit der Umgebungsluft, wobei sich der Druck in dem Ausgleichsbehälter erhöht. Dadurch kann ein bestehender Unterdruck abgebaut werden. Ein Verdichter im Sinne der Erfindung ist eine ausschließlich Gas (Luft) fördernde Pumpe (Luftpumpe), die Umgebungsluft beim Fördern in den Ausgleichsbehälter verdichtet, das heißt komprimiert. Dabei saugt der Verdichter die Umgebungsluft an und presst diese in den Ausgleichsbehälter. Auf ein Einleiten von Druckluft aus einem externen und mit dem Ausgleichsbehälter verbundenen Speicherbehälter kann verzichtet werden. Der Druckanstieg kann beispielsweise erforderlich sein, wenn das Kühlmittel eine geringe Temperatur aufweist und die Kühlmittelpumpe zeitgleich hoch angesteuert ist.
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Somit umfasst die aktive Druckregeleinheit die Ventileinrichtung zum Druckabbau sowie den Verdichter zum Druckanstieg. Durch eine derartige aktive Regelung des Drucks in dem Ausgleichsbehälter kann der Ausgleichsbehälter vorteilhafterweise für einen geringeren maximalen Druck ausgelegt sein. Daraus ergibt sich, dass der Ausgleichsbehälter einen geringeren Bauraumbedarf aufweist sowie kostengünstiger und einfacher zu fertigen ist. In weiterer Folge ergeben sich auch Vorteile für den Kühlmittelkreislauf. Beispielsweise begrenzt oder verhindert die aktive Druckregeleinheit ein Zusammenziehen von einem Schlauch, der Komponenten des Kühlmittelkreislaufs (beispielsweise Kühlmittelpumpe, Wärmetauscher und Ausgleichsbehälter) fluidisch leitend miteinander verbindet. Dadurch kann der eine Kavität verursachender Unterdruck vor der Kühlmittelpumpe verhindert und eine Lebensdauer der Kühlmittelpumpe erhöht werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Ventileinrichtung ein Ventil und ein weiteres Ventil aufweist. Bei dem Ventil handelt es sich bevorzugt um das im Zusammenhang mit der Ventileinrichtung bereits erörterte Druckventil, das beispielsweise als Druckbegrenzungsventil (DBV) ausgebildet sein kann. Durch das Ventil strömt bei dem Überdruck die Luft aus. Somit wird der druckbeaufschlagte Ausgleichsbehälter vorteilhafter vor dem Überdruck geschützt, indem eine Druckentlastung eintritt, wenn der maximal zulässige Druck von dem Druck überschritten ist. Dadurch können vorteilhaft eine Drucküberlastung und ein daraus resultierender Schaden (zum Beispiel Bersten einer der Komponenten des Kühlmittelkreislaufs) verhindert werden. Das weitere Ventil ist bei einem Ansaugen der Umgebungsluft stromauf zu der Luftpumpe angeordnet. Die Umgebungsluft strömt somit von der Luftpumpe über das weitere Ventil in den Ausgleichsbehälter. Ferner verhindert das weitere Ventil einen Austritt der angesaugten Umgebungsluft aus dem Ausgleichsbehälter. Somit kann vorteilhafterweise ein Ausströmen der in den Ausgleichsbehälter eingepressten Umgebungsluft und/oder der Luft verhindert werden, beispielsweise falls der Verdichter außer Betrieb ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem weiteren Ventil um ein Rückschlagventil, dass eine Strömung der Umgebungsluft nur in einer Richtung, das heißt von der Umgebung in den Ausgleichsbehälter zulässt. Alternativ oder zusätzlich kann das weitere Ventil als ein Absperrventil oder ein Drosselrückschlagventil ausgebildet sein. Dabei können das Ventil und/oder das weitere Ventil insbesondere elektronisch von dem Regler der aktiven Druckregeleinheit angesteuert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die aktive Druckregeleinheit eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines aktuellen Messwerts in dem Ausgleichsbehälter und/oder in dessen Umgebung aufweist. Die Umgebung kann dabei beispielsweise einen Vorlauf der Kühlmittelpumpe, die Kühlmittelpumpe selbst und/oder ein Bauteil des Kraftfahrzeugs umfassen. In Abhängigkeit von dem erfassten Messwert regelt die aktive Druckregeleinheit den Druck. Somit wird eine Regeltätigkeit aktiv von dem erfassten Messwert beeinflusst. Der aktuelle Messwert kann in diesem Zusammenhang der Istwert einer Regelgröße sein. Dabei kann das Erfassen insbesondere kontinuierlich, das heißt stetig erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erfassen in vorgegebenen Messintervallen durchgeführt werden. Die Sensoreinrichtung kann zumindest einen Sensor, das heißt einen sogenannten Detektor, Messaufnehmer oder Messfühler, umfassen. Dieser kann in diesem Zusammenhang insbesondere die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften in dem Ausgleichsbehälter (das heißt des Kühlmittels und/oder der Luft und/oder der angesaugten Umgebungsluft) und/oder in dessen Umgebung als Messgröße quantitativ erfassen. Die Sensoreinrichtung umfasst einen Drucksensor. Mittels des Drucksensors kann vorteilhafterweise der Überdruck und/oder der Unterdruck in dem Ausgleichsbehälter identifiziert werden. Dieser kann beispielsweise als ein Relativdrucksensor ausgebildet sein, der den Druck im Vergleich zu einem atmosphärischen Luftdruck als Referenzpunkt misst. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Sensoreinrichtung einen Füllstandssensor. Dieser kann einen Füllstand (Standhöhe) des Kühlmittels in dem Ausgleichsbehälter insbesondere kontinuierlich erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann anstelle des Füllstandssensors ein Füllstandgrenzschalter eingesetzt werden. Durch den Füllstand kann vorteilhafterweise ein Trockenlauf und/oder eine Überfüllung des Ausgleichsbehälters erkannt werden. Insbesondere kann eine Messung des Füllstands als eine Konduktivmessung, das heißt Leitfähigkeitsmessung, erfolgen. Durch Überprüfen des Füllstands kann verhindert werden, dass das Kühlmittel über den Ausgleichsbehälter aus dem Kühlmittelkreislauf austritt. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Sensoreinrichtung einen Temperatursensor. Mittels des Temperatursensors kann ein Temperaturwert ermittelt werden, welcher ein objektives Maß für Wärme oder Kälte ist. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Überhitzen und/oder ein Unterkühlen des Ausgleichsbehälters verhindert werden. Der Temperatursensor kann beispielsweise als ein integrierter Halbleiter-Temperatursensor ausgebildet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die aus der Umgebung angesaugte Luft unverdichtet ist. Das bedeutet, dass die Umgebungsluft erst durch das Ansaugen und Einpressen in den Ausgleichsbehälter durch den Verdichter einen im Vergleich zur Umgebung höheren Druck aufweist. Somit kann auf ein Erzeugen, ein Speichern und ein Verteilen einer Druckluft vorab verzichtet werden. Dadurch sind mögliche direkte und/oder indirekte Druckluftverluste auf einem Weg von dem Erzeugen zum Speichern und Verteilen obsolet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Ausgleichsbehälter ein die beiden Teilvolumen umfassendes Fassungsvolumen zwischen 0,6 und 3,0 Liter aufweist. Somit stehen zwischen 0,6 und 3,0 Liter in dem Ausgleichsbehälter zur Verfügung, um das expandierende und überschüssige Kühlmittel, die Luft und die Umgebungsluft aufnehmen und/oder bei Bedarf selektiv abzugeben. Vorteilhafterweise reicht das von dem Ausgleichsbehälter bereitgestellte Fassungsvolumen aus, um Schwankungen des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf zu kompensieren. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass in dem Ausgleichsbehälter die aktive Druckregeleinheit in einem Bereich des ersten Teilvolumens angeordnet ist. Somit kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass das Kühlmittel bei Überdruck aus dem Ausgleichsbehälter durch die Ventileinrichtung strömt. Ferner ist bei einem Ansaugen der Umgebungsluft sichergestellt, dass sich die eingepresste Umgebungsluft unmittelbar mit der Luft vermengt und ein Durchströmen des Kühlmittels nicht erforderlich ist.
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Ferner ist durch die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlmittelkreislauf bereitgestellt. Der Kühlmittelkreislauf ist von einem Kühlmittel durchströmbar und umfasst einen Ausgleichsbehälter sowie eine stromab zum Ausgleichsbehälter angeordnete Kühlmittelpumpe zum Fördern des Kühlmittels. Die Kühlmittelpumpe gibt eine Strömung des Kühlmittels vor. Sie kann beispielsweise als eine Strömungspumpe (Kreiselpumpe) oder eine Verdrängerpumpe ausgebildet sein. Der Ausgleichsbehälter und die Kühlmittelpumpe sind über einen Schlauch fluidisch leitend miteinander verbunden.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Ausgleichsbehälter um eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälters. Diese weist zum Regeln eines Drucks in dem Ausgleichsbehälter eine aktive Druckregeleinheit mit einer Ventileinrichtung und einem Verdichter auf. Durch eine derartige aktive Regelung des Drucks kann vorteilhafterweise ein Zusammenziehen von dem Schlauch begrenzt oder verhindert werden. Dadurch ist eine konstruktive Gestaltung (zum Beispiel Package) des Schlauchs weniger Zwängen ausgesetzt, beispielsweise kann dadurch auf ein kostenintensives Verstärken und/oder ein Ersetzen des Schlauchs durch ein starres Rohr verzichtet werden, da lediglich eine Auslegung auf einen geringeren Maximalruck erforderlich ist. Dabei kann ein Druckverlust in dem Kühlmittelkreislauf höher ausfallen, ohne einen problematischen Unterdruck vor der Kühlmittelpumpe zu erzeugen. Da ein Gesamtdruck in dem Kühlmittelkreislauf von dem Druck in dem Ausgleichsbehälter abgängig ist, kann ein Druck in einem Vorlauf der Kühlmittelpumpe erhöht sein. Somit kann das Kraftfahrzeug besonders kostengünstig gefertigt werden. Das Kraftfahrzeug weist einen Hybrid- und/oder einen Elektroantrieb auf. Dadurch ist das Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrisch antreibbar. Hierbei kann eine mittels des Kühlmittelkreislaufs temperierte Batterie für den Hybrid- und/oder Elektroantrieb beispielsweise als eine Traktionsbatterie ausgebildet sein und einen Lithium-Ionen-Akkumulator aufweisen. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, oder als ein Personenbus oder ein Motorrad ausgestaltet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass eine Maximaltemperatur des Kühlmittels in jedem bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs unmittelbar nach dem Wärmetauscher geringer als 65 Grad Celsius ist. Somit bleibt die Maximaltemperatur des Kühlmittels stets unterhalb von 65 Grad Celsius, solange das Kraftfahrzeug bestimmungsgemäß betrieben wird. Der bestimmungsgemäße Betrieb umfasst jenen Betrieb, für den das Kraftfahrzeug technisch ausgelegt ist. Dadurch unterscheidet sich die Maximaltemperatur von einer für einen Verbrennungsmotor geläufigen Maximaltemperatur, die beispielsweise zwischen 80 und 125 Grad Celsius liegen kann. Dadurch ergeben sich vorteilhafterweise entsprechend geringere Temperaturanforderungen an den jeweiligen Kühlmittelkreislauf und dessen jeweilige Komponenten für das zumindest teilweise elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug. Die jeweilige Maximaltemperatur bezieht sich auf jene Temperatur unmittelbar nach einem Wärmetauscher.
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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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Ferner ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Der Kühlmittelkreislauf weist einen Ausgleichsbehälter mit einem ersten mit Luft gefüllten Teilvolumen und einem zweiten mit Kühlmittel gefüllten Teilvolumen auf. Der Ausgleichsbehälter umfasst ferner eine aktive Druckregeleinheit mit einer Ventileinrichtung und einem Verdichter. Bevorzugt handelt es sich bei dem Ausgleichsbehälter um eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälters. In einem Schritt des Verfahrens wird ein Druck in dem Ausgleichsbehälter durch zumindest teilweises Ausströmen der Luft aus dem Ausgleichsbehälter mittels der Ventileinrichtung verringert. In einem weiteren Schritt wird der Drucks in dem Ausgleichsbehälter durch Ansaugen einer Umgebungsluft unmittelbar aus der Umgebung mittels des Verdichters erhöht. Dadurch kann der Kühlmittelkreislauf besonders effizient und druckoptimiert betrieben werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass ein Regelsignal in Abhängigkeit von einem erfassten Druckwert in dem Ausgleichsbehälter erzeugt wird. Das Regelsignal kann einen Steuerbefehl für das Ventil und/oder den Verdichter umfassen. Diese kann beispielsweise von einem Regler der aktiven Druckeinrichtung ermittelt werden. Falls der erfasste Druckwert in dem Ausgleichsbehälter größer als 2,0 Bar, insbesondere größer als 2,6 Bar ist, wird die Ventileinrichtung durch das Regelsignal geregelt. Dadurch kann ein Ausströmen der Luft durch die Ventileinrichtung aus dem Ausgleichsbehälter erreicht werden, sodass ein Überdruck abgebaut werden kann. Ziel hierbei ist es, den Druck des Ausgleichsbehälters kleiner oder gleich 2,0 Bar, insbesondere kleiner oder gleich 2,6 Bar, einzustellen. Falls der erfasste Druckwert in dem Ausgleichsbehälter kleiner als 0,3 Bar, insbesondere kleiner 0,1 Bar ist, wird der Verdichter durch das Steuersignal geregelt. Dadurch kann ein Einströmen der Umgebungsluft in den Ausgleichsbehälter durch den Verdichter initiiert werden, sodass ein Unterdruck abgebaut werden kann. Ziel hierbei ist es, den Druck des Ausgleichsbehälters größer oder gleich 0,3 Bar, insbesondere größer oder gleich 0,1 Bar, einzustellen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das die Ventileinrichtung und der Verdichter bedarfsgerecht in Abhängigkeit von dem erfassten Druckwert geregelt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass ein Füllstand des Kühlmittels in dem Ausgleichsbehälter erfasst wird. Somit wird eine Standhöhe des Kühlmittels in dem Ausgleichsbehälter bestimmt. Falls der Füllstand höher als ein vorgegebener maximaler Füllstand des Kühlmittels ist, wird ein Ventil und/oder ein weitere Ventil gesperrt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Ventil und/ oder dem weiteren Ventil um eine Ausführungsform des zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter beschriebenen des Ventils und/ oder des weiteren Ventils. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Trockenlauf und/oder eine Überfüllung des Ausgleichsbehälters identifiziert werden. Durch Überprüfen des Füllstands kann beispielsweise verhindert werden, dass das Kühlmittel über den Ausgleichsbehälter aus dem Kühlmittelkreislauf austritt.
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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 Ausgleichsbehälters und/oder des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Kühlmittelkreislauf; und
- 2 eine Darstellung eines Ausgleichsbehälter mit einer aktiven Druckregeleinheit für den Kühlmittelkreislauf.
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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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In der 1 ist beispielhaft ein Kraftfahrzeug 10 mit einem schematisch dargestellten Kühlmittelkreislauf 12 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 10 weist zum elektrischen Versorgen und zum elektrischen Antreiben eine Batterie 14 auf, die sich beim Betrieb erwärmt. Eine Abwärme der Batterie 14 wird mittels des Kühlmittelkreislaufs 12 abgeführt. Der Kühlmittelkreislauf 12 ist hierzu von einem Kühlmittel durchströmbar und umfasst eine Kühlmittelpumpe 16 zum Fördern des Kühlmittels sowie stromauf dazu einen Ausgleichsbehälter 18. Dabei sind der Ausgleichsbehälter 18 und die Kühlmittelpumpe 16 über einen Schlauch 20 fluidisch leitend miteinander verbunden. In jedem bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 ist eine Maximaltemperatur des Kühlmittels geringer als 65 Grad Celsius.
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Die 2 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit 1 bereits beschriebenen Komponenten schematisch den Ausgleichsbehälter 18 sowie in einer Vergrößerung eine aktive Druckregeleinheit 22. Der Ausgleichsbehälter 18 befindet sich in einer Umgebung 24 und weist ein erstes mit einer Luft gefülltes Teilvolumen 26 und ein zweites mit dem Kühlmittel gefülltes Teilvolumen 28 auf. Ein die beiden Teilvolumen 26, 28 umfassendes Fassungsvolumen kann zwischen 0,6 und 3,0 Liter aufweisen. In einem Bereich des ersten Teilvolumens 26 ist die aktive Druckregeleinheit 22 angeordnet. Die aktive Druckregeleinheit 22 umfasst eine Ventileinrichtung 30, eine Sensoreinrichtung 32 und einen Verdichter 34, die jeweils mit einem Regler 36 verbunden sind.
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Die Ventileinrichtung 30 umfasst zwei Ventile 38, 40, das heißt ein als ein Druckventil ausgebildetes Ventil 38 und ein als ein Rückschlagventil ausgebildetes weiteres Ventil 40. Durch das Ventil 38 kann bei einem Überdruck die Luft teilweise zum Verringern eines Drucks in dem Ausgleichsbehälter 18 in die Umgebung 24 ausströmen. Hierbei handelt es sich um einen Schritt S1 eines Verfahrens zum Betreiben des Kühlmittelkreislaufs 12. Das weitere Ventil 40 verbindet den Verdichter 34 mit dem Ausgleichsbehälter 18. Zum Erhöhen des Drucks, d.h. einem Abbau eines Unterdrucks, in dem Ausgleichsbehälter 18 saugt der Verdichter 34 eine unverdichtete Umgebungsluft unmittelbar aus der Umgebung 24 an. Hierbei handelt es sich um einen weiteren Schritt S2 des Verfahrens zum Betreiben des Kühlmittelkreislaufs 12. Einen Austritt der angesaugten Umgebungsluft aus dem Ausgleichsbehälter 18 verhindert das weitere Ventil 40, das somit bei einem Ansaugen der Umgebungsluft stromauf zu dem Verdichter 34 angeordnet ist.
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Die Sensoreinrichtung 32 umfasst einen Drucksensor 42, einen auf einer Leitfähigkeitsmessung basierenden Füllstandssensor 44 und einen Temperatursensor 46. Der jeweilige Sensor 42, 44, 46 kann jeweils einen aktuellen Messwert in dem Ausgleichsbehälter 18 und in dessen Umgebung 24, beispielsweise in dem Kraftfahrzeug 10, der Batterie 14, der Kühlmittelpumpe 16, insbesondere in einem Vorlauf der Kühlmittelpumpe 16, erfassen. Der aktuelle Messwert wird an den Regler 36 übermittelt, der in Abhängigkeit von dem erfassten Messwert den Druck in dem Ausgleichsbehälter 18 regelt. Hierzu kann der Regler 36 die aktive Druckregeleinheit 22, das heißt zumindest eine Komponente 30, 32, 34 davon, und ferner die Kühlmittelpumpe 16 mittels eines Regelsignals selektiv ansteuern.
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Beispielsweise erfasst der Drucksensor 42 einen Druckwert in dem Ausgleichsbehälter 18, woraufhin der Regler 36 in Abhängigkeit davon das Regelsignal erzeugt, das die Ventileinrichtung 30 oder den Verdichter 34 ansteuern kann. Somit überwacht und misst der Drucksensor 42 den Druck in dem Ausgleichsbehälter 18 und übermittelt, das heißt meldet diesen an den Regler 36. Insbesondere regelt das Regelsignal die Ventileinrichtung 30 zum Abbau des Überdrucks, falls der erfasster Druckwert in dem Ausgleichsbehälter 18 größer als 2,0 Bar, insbesondere größer als 2,6 Bar ist. Alternativ regelt das Regelsignal den Verdichter 34 zum Abbau des Unterdrucks, falls der erfasste Druckwert in dem Ausgleichsbehälter kleiner als 0,3 Bar, insbesondere kleiner 0,1 Bar ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Füllstandssensor 44 einen Füllstand des Kühlmittels in dem Ausgleichsbehälter 18 erfassen, wobei zumindest eines der Ventile 38, 40 der Ventileinrichtung 30 Ventil gesperrt wird, falls der Füllstand höher als ein vorgegebener maximaler Füllstand des Kühlmittels ist. Somit laufen im Regler 36 (Steuergerät) sämtliche Regelgrößen zusammen, beispielsweise der erfasste Messwert (zum Beispiel der Druckwert in dem Ausgleichsbehälter 18, ein Temperaturwert des Kühlmittels) sowie ein jeweiliger Steuerparameter des Verdichters 34 und der Kühlmittelpumpe 16. Über die Regelgrößen, das heißt anhand einer derartigen Bedatung, ermittelt, das heißt errechnet der Regler 36, ob in einem aktuellen Betriebszustand der Druck des Ausgleichsbehälters 18 zu erhöhen, zu verringern oder beizubehalten ist.
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Durch die aktive Druckregeleinheit 22 kann beispielsweise der Unterdruck verhindert werden, sodass der Schlauch 20, der in der Regel nicht für diesen ausgelegt ist, sich aufgrund dessen zusammenzieht und einen zusätzlichen Druckverlust bedingt, welcher ein Durchströmen des Kühlmittelkreislaufs 12 komplett zum Erliegen bringen könnte. Denn dann könnte ein zu kühlendes Bauteil, zum Beispiel die Batterie 14 des Kraftfahrzeugs 10, nur noch unzureichend oder nicht mehr gekühlt werden und überhitzen. Gleichzeitig könnte der zusammengezogene Schlauch 20 die Kühlmittelpumpe 16 zum kavitieren bringen, wodurch diese ebenfalls geschädigt werden kann. Um dies zu verhindern gibt es die Möglichkeit, den Schlauch 20 zu verstärken beziehungsweise diesen durch ein Rohr zu ersetzen, was zusätzliche Kosten beziehungsweise einen Zwang im Package nach sich ziehen würde. Gleichzeitig sind der Schlauch 20 und weitere Bauteile im Kühlmittelkreislauf 12 auf einen derart hohen Druck auszulegen, der nur in einer absoluten Grenzsituation auftritt. Wird dieser Druck überschritten, bläst der Ausgleichsbehälter 18 über das Ventil 38 Kühlmittel ab. Aktuell kann der Kühlmittelkreislauf 12 auf den Worst-Case, das heißt eine schlechteste oder eine ungünstigste (anzunehmende) Grenzsituation, ausgelegt werden - das bedeutet, eine maximale Befüllung mit Kühlmittel und eine maximale Temperatur des Kühlmittels kombiniert mit einem derart hohen Druck.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine aktive Druckregelung des Kühlmittels in dem Ausgleichsbehälter 18 bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2492467 A1 [0003]
- US 2005/0061264 A1 [0004]
- CN 206598720 U [0005]
