DE102020206529A1 - System zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Kühlen einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, mita. einer Fahrzeugklimatisierungsanlage (2), die einen ersten Kühlkreislauf (K1) umfasst, in dem ein erstes Kühlmedium zirkuliert,b. einem zweiten Kühlkreislauf (K2), in dem ein zweites Kühlmedium zirkuliert,c. einer mit der Batterie (1) in thermischem Kontakt stehenden Kühleinheit (3), wobei die Kühleinheit (3) von dem zweiten Kühlmedium durchströmt wird,d. und mit einen Wärmetauscher (4), der von dem ersten und zweiten Kühlmedium in separaten, in thermischem Kontakt stehenden Kanälen (5, 6) durchströmt wird, wobei in dem Wärmetauscher (4) eine Wärmeabfuhr von dem zweiten Kühlmedium in Richtung des ersten Kühlmediums erfolgt.Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, umfassend ein solches System.Die Erfindung ermöglicht den Betrieb einer Fahrzeugbatterie mit hoher Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit. Ferner ermöglicht das System somit eine verbesserte Kühleffizienz und trägt somit zu einer erhöhten Leistungseffizienz der Fahrzeugbatterie bei.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System.
  • Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist unter einem „Kraftfahrzeug“ insbesondere ein radgebundenes Kraftfahrzeug zu verstehen. Darunter lassen sich PKWs, LKWs, Transportfahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Fahrzeuge zur Personen- oder Güterbeförderung, Agrarfahrzeuge, Baustellenfahrzeuge, Gabelstapler etc. unter einem solchen radgebundenen Kraftfahrzeug subsumieren. Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch bei anderweitigen Fahrzeugen, wie Luftfahrzeugen (z.B. Flugzeugen), Schiffen (Yachten) oder schienengebundenen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Vielerlei der vorgenannten Kraftfahrzeuge oder Fahrzeuge greifen - zumindest teilweise - auf elektrisch erzeugte Antriebsenergie zurück. Um diese Antriebsenergie bereitzustellen wird vielfach auf Batterien oder Batteriesysteme zurückgegriffen. Auch können Batterien zu anderen Zwecken abseits der Bereitstellung von Antriebsenergie eingesetzt werden. Die Erfindung bezieht sich auf Kraftfahrzeuge, die eine solche Batterie oder ein Batteriesystem zur Erzeugung von Antriebsenergie oder anderweitigen Funktionen (z.B. zum Einsatz als Traktionsbatterie etc.) beinhalten. Ferner bezieht sich die Erfindung auf solche Fahrzeuge, die eine Fahrzeugklimatisierungsanlage (kurz: Klimaanlage) aufweisen. Derartige Anlagen sind allgemein bekannt und dienen der Temperatureinstellung und Entfeuchtung der Raumluft.
  • Zum Kühlen von Batterien, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt Luftkühlungen oder Wasserkühlungen zu verwenden.
  • So beschreibt die DE 10 2009 010 145 A1 ein Fahrzeug mit einer Batterie zum Versorgen eines das Fahrzeug antreibenden Elektromotors mit elektrischer Energie. Anschlusskabel der Batterie sind in wärmeleitfähigem Kontakt mit einem Wärmetauscher. Der Wärmetauscher wird einerseits mit Luft beaufschlagt, um auf diese Weise Wärme von der Batterie abzuführen. Des Weiteren ist ein Fluidkanal für ein Kühlmittel einer Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs durch den Wärmetauscher hindurchgeführt. Eine Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel der Klimatisierungseinrichtung durch diesen Fluidkanal und trägt so ebenfalls zur Kühlung des Wärmetauschers und somit der Batterie bei. Eine Förderleistung der Pumpe wird hierbei an die zu übertragende Wärmeleistung angepasst.
  • Auf einer Luftkühlung basierende Batteriekühlsysteme haben den Nachteil, dass sie stark von der Temperatur der Lufttemperatur im Fahrzeuginnenraum - oder auch der Lufttemperatur außerhalb des Fahrzeugs abhängen. Wird über eine Klimaanlage gekühlte Luft zur Kühlung der Batterie verwendet, bedarf es beispielsweise beim Start des Fahrzeugs einer gewissen Anlaufzeit, um eine ausreichende Kühlung bereitzustellen. Je nachdem, ob die von der Klimaanlage gekühlte Luft aus dem Fahrzeuginnenraum oder von außen angesaugt wird, hängt die Kühleffizienz zudem von lokalen Temperaturfluktuationen der durch die Klimaanlage angesaugten Luft bzw. von der im Fahrzeug befindlichen Personenzahl ab. Bei nicht ausreichend effizienter Kühlung der Batterie, so kann die Leistung der Batterie und damit - im Falle der Verwendung in einem Elektrofahrzeug - auch die Antriebsleistung beeinträchtigt werden.
  • Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, Fahrzeugbatterien mit fluiden Kühlmitteln in eigens zur Batteriekühlung vorgesehenen Kühlaggregaten bzw. Kühlkreisläufen zu kühlen. Dabei kann die Batterie von einem Kühlaggregat zumindest teilweise umgeben sein oder in thermischen Kontakt mit diesem stehen, wobei ein entsprechendes Kühlmittel durch das Kühlaggregat strömt. Dabei wird überschüssige Wärmeenergie der Batterie an das Kühlmittel abgegeben. Im Kühlkreislauf eines derartigen Kühlaggregats ist häufig ein Expansionsventil und/oder Niedrigtemperaturheizelement integriert. Solche Anordnungen können zu ungewünscht hohen Temperaturanstiegen führen, die im Fahrzeuginnenraum wahrnehmbar sind und sich nachteilig auf das Raumklima in der Fahrgastzelle auswirken.
  • Unter Berücksichtigung der vorangehenden Ausführungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches den Betrieb einer Batterie mit hoher Betriebssicherheit sowie Zuverlässigkeit ermöglicht. Ferner soll es eine Aufgabe sein, die Kühleffizienz im Vergleich zu bekannten Batteriekühlsystemen zu verbessern und somit zudem eine erhöhte Leistungseffizienz der Batterie zu ermöglichen. Die gleiche Aufgabe unterliegt dem vorliegend beschriebenen Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein System zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Elektrofahrzeugs, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, ferner ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
  • Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
  • Das System umfasst:
    1. a. einer Fahrzeugklimatisierungsanlage, die einen ersten Kühlkreislauf umfasst, in dem ein erstes Kühlmedium zirkuliert,
    2. b. einem zweiten Kühlkreislauf, in dem ein zweites Kühlmedium zirkuliert,
    3. c. einer mit der Batterie in thermischem Kontakt stehenden Kühleinheit, wobei die Kühleinheit von dem zweiten Kühlmedium durchströmt wird,
    4. d. und mit einen Wärmetauscher, der von dem ersten und zweiten Kühlmedium in separaten, in thermischem Kontakt stehenden Kanälen durchströmt wird, wobei in dem Wärmetauscher eine Wärmeabfuhr von dem zweiten Kühlmedium in Richtung des ersten Kühlmediums erfolgt.
  • Wie erwähnt, umfasst das erfindungsgemäße System zunächst eine Fahrzeugklimatisierungsanlage, die in Kurzform auch als „Klimaanlage“ bezeichnet wird. Heutzutage weisen die meisten Kraftfahrzeuge, auch Elektrofahrzeuge, eine serienmäßig - ab Werk - integrierte Klimaanlage auf. Bekannt - und ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst - sind manuell regelbare Klimaanlagen sowie Klimaanlagen mit selbstregelnder Klimaautomatik. Moderne Fahrzeugklimatisierungsanlagen können neben der Innenraumtemperatur auch die Luftmenge (z.B. durch automatische Wahl der Gebläse-Stufe) und die Luftverteilung (durch Ansteuern der verschiedenen Luftauslässe) regeln. Ferner sind auch Mehrzonen-Klimaanlagen bekannt, die ebenfalls Teil des hier vorgestellten Systems sein können.
  • Üblicherweise - und so auch bei der vorliegenden Erfindung der Fall - weist eine solche Fahrzeugklimatisierungsanlage eine Mehrzahl von bezogen auf eine Zirkulationsrichtung des ersten Kühlmediums in dem ersten Kühlkreislauf nacheinander angeordnete Funktionseinheiten auf, nämlich einen Verdichter, einen Kondensator, eine Expansionseinheit, und eine Verdampfungseinheit, wobei die Funktionseinheiten jeweils von dem ersten Kühlmedium durchströmt werden. Die Zirkulation des ersten Kühlmediums wird durch den Verdichter angetrieben, wobei der Verdichter auch als Kompressor bezeichnet werden kann. Der erste Kühlkreislauf weist eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite auf, wobei die Hochdruckseite durch jenen zwischen dem Kompressor und der Expansionseinheit angeordneten Bereich gebildet ist und die Niederdruckseite durch jenen zwischen der Expansionseinheit und dem Kompressor angeordneten Bereich. Das erste Kühlmedium kann beim Durchlaufen des ersten Kühlkreislaufs unterschiedliche Aggregatszustände annehmen, insbesondere die Aggregatszustände flüssig und gasförmig.
  • In dem Verdichter (bzw. Kompressor) wird gasförmiges erstes Kühlmedium verdichtet und dadurch erhitzt. Anschließend wird es mit hohem Druck durch den Kondensator befördert, wobei dem ersten (an dieser Stelle erhitzten) Kühlmedium Wärme entzogen wird. Daraus resultierend kondensiert das erste Kühlmedium, geht also vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über.
  • Vorgesehen sein kann ferner, dass dem ersten Kühlmedium mit einer Trocknungseinheit (z.B. einem Filtertrockner) Wasser und Verunreinigungen entzogen werden. Dadurch können die Funktionseinheiten der Fahrzeugklimatisierungsanlage vor Beschädigungen oder Korrosion geschützt werden.
  • Danach strömt das nun flüssige erste Kühlmedium zur Expansionseinheit, die bevorzugt als Expansionsventil ausgebildet ist. Das Ventil sorgt für eine Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Drucks vor dem Ventil, wogegen sich der Druck nach Expansionsventil durch Volumenvergrößerung entspannen kann. Da das Expansionsventil in Zirkulationsrichtung des ersten Kühlmediums unmittelbar vor der Verdampfungseinheit positioniert ist, entspannt sich das erste Kühlmedium in die Verdampfungseinheit hinein. Dabei ändert es seinen Aggregatzustand von flüssig auf gasförmig. Bei diesem physikalischen Prozess entzieht das erste Kühlmedium der Umgebung Wärme, was im Fahrzeuginnenraum als Verdunstungskälte wahrgenommen werden kann. Konkret erfolgt dies, indem die zu kühlende Luft, die aus Energiespargründen hauptsächlich aus bereits abgekühlter Umluft (nicht Umgebungsluft aus dem Fahrzeugaußenraum) besteht, an Kühl-Lamellen der Verdampfungseinheit vorbeigeleitet wird. Die für den Verdampfungsprozess des ersten Kühlmediums notwendige Wärme wird der vorbeiströmenden Luft in der Verdampfungseinheit somit entzogen, wodurch die Luft abkühlt. Gleichzeitig kann der Luft dabei durch Kondensationsvorgänge auch Feuchtigkeit entzogen werden. Das an den Lamellen der Verdampfungseinheit entstehende Kondenswasser wird sodann nach fahrzeugaußen abgeleitet. Die abgekühlte Luft wird sodann über ein Ventilationssystem bzw. geeignete Auslässe in den Fahrzeuginnenraum geleitet. An der Niederdruckseite wird das wieder gasförmige Kühlmittel zurück zum Verdichter geführt und der Kreislauf beginnt erneut.
  • Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass in dem der Klimaanlage zugehörigen ersten Kühlkreislauf das erste Kühlmedium im Zuge der Zirkulation verdampft, verdichtet, kondensiert und durch Expansion wieder die dampfförmige Phase befördert wird.
  • Wie erwähnt, umfasst das System zudem einen zweiten Kühlkreislauf, in dem ein zweites Kühlmedium zirkuliert. Das zweite Kühlmedium tritt bei dessen Zirkulation durch den zweiten Kühlkreislauf stofflich nicht in Kontakt mit jenem in dem ersten Kühlkreislauf zirkulierenden ersten Kühlmedium. Zur Kühlung der Batterie durchströmt es die erwähnte Kühleinheit, die mit der Batterie in thermischem Kontakt steht. Während der Zirkulation des zweiten Kühlmediums durch den zweiten Kühlkreislauf erfährt das zweite Kühlmedium vorzugsweise keine Änderung des Aggregatszustands, bleibt also vorzugsweise flüssig.
  • Wie ebenfalls bereits vorangehend erwähnt, durchströmt das zweite Kühlmedium (und auch das erste Kühlmedium) einen Wärmetauscher. In dem Wärmetauscher sind separate, in thermischem Kontakt stehende Kanäle vorhanden, die jeweils von dem ersten und zweiten Kühlmedium durchströmt werden. Die Kanäle können aneinander angrenzen, sind jedoch zur Vermeidung des Stoffkontakts zwischen ersten und zweiten Kühlmedium durch eine Trennwand voneinander separiert. Die Geometrie (insbesondere in Bezug auf die Kanalführung), Größe und Querschnittsform der Kanäle kann variieren.
  • In dem Wärmetauscher erfolgt eine Wärmeabfuhr von dem zweiten Kühlmedium in Richtung des ersten Kühlmediums. Dies ist darin begründet, dass der Wärmetauscher derart angeordnet ist, dass er von dem ersten Kühlmedium in kaltem Zustand durchströmt wird, während das zweite Kühlmedium aufgrund der Aufnahme von Batteriewärme eine höhere Temperatur aufweist. Die Wärmeabgabe im Wärmetauscher erfolgt also in Richtung des ersten Kühlmediums. Anders ausgedrückt beruht die Erfindung darauf, dass ein bestimmter Anteil der Kühlkapazität (Restkühlkapazität) des ersten Kühlmediums zum Kühlen des zweiten Kühlmediums, bzw. zur Aufnahme von Wärmeenergie, aufgewendet wird. Da das zweite Kühlmedium kontinuierlich durch den zweiten Kühlkreislauf strömt, wird die Batterie kontinuierlich gekühlt, bzw. dessen überschüssige Wärme (solange es die Wärmeaufnahmekapazität des zweite Kühlmediums erlaubt) abgeführt. Unerwartete Temperaturanstiege der Batterie werden somit vermieden und eine zuverlässige und stabile Energiebereitstellung über die Batterie sichergestellt. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten System, ist das vorgeschlagene System zudem einfacher in seinem Aufbau. So kann auf die Verwendung einer separaten Batteriekühlungssystems verzichtet werden, was das Vorsehen eines zusätzlichen Expansionsventils und wohlmöglich weiterer Komponenten (Verdichter etc.) erfordern würde.
  • Je nach Temperatur der Batterie, ist es zudem vorstellbar, das vorgenannte System anstelle der Kühlung auch zum Heizen bzw. Aufwärmen der Batterie zu verwenden. Dies kann im Wesentlichen durch Einstellung der Temperatur des ersten Kühlmediums über die Klimaanlage erfolgen, denn mittelbar lässt sich darüber (insbesondere über den durch den Wärmetauscher vermittelten thermischen Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium) auch die Temperatur des zweiten Kühlmediums beeinflussen, welches im Falle einer oberhalb der Batterietemperatur liegenden Temperatur des zweiten Kühlmediums Wärme an die Batterie abgibt und diese damit aufwärmen kann. Insbesondere beim Starten des Kraftfahrzeugs, beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen, kann dies von Vorteil sein.
  • Es lässt sich festhalten, dass das zweite Kühlmedium thermisch an den ersten Kühlkreislauf (der Klimaanlage) bzw. das erste Kühlmedium gekoppelt ist, so dass das erste Kühlmedium unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer Medienströme, Einfluss auf den zweiten Kühlkreislauf nehmen kann.
  • Nachfolgend seien die in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen sowie weitere vorteilhafte (oder mögliche) Ausgestaltungen des mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems im Detail beschrieben.
  • Nach einer ersten Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann vorgesehen sein, dass die Fahrzeugklimatisierungsanlage eine Mehrzahl von bezogen auf eine Zirkulationsrichtung des ersten Kühlmediums in dem ersten Kühlkreislauf nacheinander angeordnete Funktionseinheiten aufweist, nämlich einen Verdichter, einen Kondensator, eine Expansionseinheit, und eine Verdampfungseinheit, wobei die Funktionseinheiten jeweils von dem ersten Kühlmedium durchströmt werden. Zwischen den Funktionseinheiten sind Leitungsabschnitte des ersten Kühlkreislaufs vorgesehen. Die Funktionsweise der vorgenannten Funktionseinheiten wurde eingangs bereits im Detail erläutert, weshalb auf Wiederholungen an dieser Stelle verzichtet wird. Unter der „Zirkulationsrichtung“ ist eine Kreislaufrichtung bzw. Strömungsrichtung des ersten Kühlmediums zu verstehen, wobei das erste Kühlmedium bei der Zirkulation unterschiedliche Aggregatszustände (flüssig, gasförmig) annehmen kann. In dem zweiten Kühlkreislauf sind derartige Funktionseinheiten nicht vorgesehen, jedoch kann zumindest eine Pumpeneinheit vorgesehen sein, die eine Zirkulation des zweiten Kühlmediums in dem zweiten Kühlkreislauf ermöglicht. Die Pumpeneinheit kann schalt- bzw. steuerbar sein, um die Zirkulationsrichtung des zweiten Kühlmediums bei Bedarf umzukehren. Die Funktionseinheiten der Fahrzeugklimatisierungsanlage, wie auch Komponenten des zweiten Kühlkreislaufs (z.B. die genannte Pumpeneinheit) können über eine zentrale Steuer- und Regelungseinheit steuer- und regelbar sein, was vorzugsweise automatisiert erfolgt.
  • Zusätzlich kann die Fahrzeugklimatisierungsanlage einen Heizkreislauf aufweisen, in welchem z.B. ein Hilfsverdampfer und ein Hilfsentspannungsventil in Reihe geschaltet ist, um die erwärmte Luft in einem Heizbetrieb zu trocknen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann vorgesehen sein, dass ein zwischen der Verdampfungseinheit und dem Verdichter vorgesehener Leitungsabschnitt des ersten Kühlkreislaufs durch den Wärmetauscher hindurchgeführt ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Leitungsabschnitt des zweiten Kühlkreislaufs durch den Wärmetauscher hindurchgeführt ist. Die Leitungsabschnitte sind derart durch den Wärmetauscher hindurchgeführt und ausgebildet, dass kein Stoffaustausch zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium erfolgen kann, jedoch ein Wärmeaustausch bzw. eine Wärmefluss. Innerhalb des Wärmetauschers können die Leitungsabschnitte des ersten und/oder zweiten Kühlkreislaufs eine zu den außerhalb des Wärmetauschers angeordneten Leitungsabschnitten abweichende Form bzw. Leitungsführung aufweisen. Durch die voranstehenden technischen Varianten wird ermöglicht, dass in einem Kühlbetrieb (also einem zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium vorliegenden Temperaturgefälle mit geringerer Temperatur des ersten Kühlmediums) Wärme in Richtung des ersten Kühlmediums abgegeben und von diesem aufgenommen wird. In diesem Fall kann die Batterie (die teilweise von der mit dem zweiten Kühlmedium durchströmten Kühleinheit umgeben ist) durch Wärmeabfuhr gekühlt werden. Gleichsam wird ermöglicht, dass in einem Heizbetrieb (also einem zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium vorliegenden Temperaturgefälle mit geringerer Temperatur des zweiten Kühlmediums) Wärme in Richtung des zweiten Kühlmediums abgegeben und von diesem aufgenommen wird. In diesem Fall kann die Batterie (die teilweise von der mit dem zweiten Kühlmedium durchströmten Kühleinheit umgeben ist) durch Wärmezufuhr beheizt werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann vorgesehen sein, dass der Leitungsabschnitt des ersten Kühlkreislaufs und der Leitungsabschnitt des zweiten Kühlkreislaufs zumindest teilweise co-axial durch den Wärmetauscher hindurchgeführt sind. Dies bedeutet, dass der erste Leitungsabschnitt von dem zweiten Leitungsabschnitt umgeben ist oder umgekehrt. Die Leitungsabschnitte können in dem Wärmetauscher also in einen inneren und äußeren Kanal unterteilt werden. Im Querschnitt sind der erste und zweite Leitungsabschnitt bzw. der innere und äußere Kanal also konzentrisch angeordnet. Stellt beispielsweise der Leitungsabschnitt des zweiten Kühlkreislaufs den inneren Kanal bereit, so umströmt das zweite Kühlmedium den inneren Kanal von außen (durch den äußeren Kanal). Der Wärmetausch erfolgt durch eine Kanal- oder Trennwand zwischen innerem und äußerem Kanal, wobei die Wand aus einem wärmeleitfähigen Material (beispielsweise Metall oder einem geeigneten Kunststoff) gefertigt ist. Alternativ kann auch der Leitungsabschnitt des ersten Kühlkreislaufs den inneren Kanal bereitstellen, der von dem Leitungsabschnitt des zweiten Kühlkreislaufs umgeben ist. In diesem Fall wird erste Kühlmedium von dem zweiten Kühlmedium umströmt. Eine co-axiale Anordnung der Leitungsabschnitt führt zu einem besonders effizienten Wärmetausch.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann vorgesehen sein, dass die durch den Wärmetauscher hindurchgeführten Leitungsabschnitte des ersten und zweiten Kühlkreislaufs derart durch den Wärmetauscher hindurchgeführt sind, dass das erste und zweite Kühlmedium den Wärmetauscher im Gleich- oder Gegenstrom durchströmt. Auch können die Strömungsgeschwindigkeiten des ersten und zweiten Kühlmediums zumindest in den durch den Wärmetauscher hindurchgeführten Leitungsabschnitten flexibel eingestellt oder gesteuert werden. Dadurch kann die Strömung der Kühlmedien beispielsweise zur Erzeugung einer laminaren oder turbulenten Strömung eingestellt werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass in den durch den Wärmetauscher hindurchgeführten Leitungsabschnitten des ersten und/oder zweiten Kühlkreislaufs Verwirbelungs- oder Verjüngungselemente vorgesehen sind, um die Verwirbelung bzw. Strömungsgeschwindigkeit der Kühlmedien anzupassen (beispielsweise zur Verbesserung der Wärmeübertragung).
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann vorgesehen sein, dass die Kühleinheit in Form einer die Batterie zumindest teilweise umgebenden Kühlschlange oder eines Batteriegehäuses ausgebildet ist. Dabei ist die Form der Kühleinheit nicht auf eine solche Ausgestaltung festgelegt. Vorteilhaft kann es jedoch sein, dass die Kühleinheit derart ausgebildet ist, dass sie einen möglichst großen Teil der Batterie umgibt, mit dem Zweck einer optimierten Wärmeabfuhr (Kühlfunktion) bzw. Wärmezufuhr (Heizfunktion). Anstelle einer Kühlschlange kann/können in dem Batteriegehäuse ein Hohlraum oder eine bzw. mehrere Kanäle vorgesehen sein, die von dem zweiten Kühlmedium durchströmt werden. Unabhängig von der Art und Form der Kühleinheit ist dessen Dichtigkeit zu gewährleisten, um ein Austreten des zweiten Kühlmediums zu vermeiden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann das System dazu eingerichtet sein, insbesondere während eines Betriebszustands des Kraftfahrzeugs, eine kontinuierliche Zirkulation des ersten und zweiten Kühlmediums in dem ersten respektive zweiten Kühlkreislauf zu gewährleisten. Dabei kann optional vorgesehen sein, die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Kühlmediums durch eine Pumpeneinheit flexibel oder automatisiert anzupassen und einzustellen. Eine kontinuierliche Zirkulation des zweiten Kühlmediums ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung und vermeidet spontane Temperaturspitzen der Batterie.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann vorgesehen sein, dass in dem ersten und zweiten Kühlkreislauf jeweils zumindest ein Kühlkreislauf-Temperatursensor angeordnet ist, der dazu eingerichtet sind, die Kühlmedium-Temperatur des ersten respektive zweiten Kühlmediums zu erfassen. Mit den Kühlkreislauf-Temperatursensoren kann die in den Kühlkreislaufen bzw. de Kühlmedien vorliegende Temperatur gemessen und erfasst werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems kann das System einen Batterie-Temperatursensor umfassen, der an der Batterie oder einem die Batterie umgebenden Batteriegehäuse angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Batterie-Temperatur zu erfassen. Ferner kann das System eine Steuereinheit aufweisen, die signal- und steuerungstechnisch mit dem zumindest einen Kühlkreislauf-Temperatursensor des ersten respektive zweiten Kühlkreislaufs, dem Batterie-Temperatursensor und zumindest einer der Funktionseinheiten der Fahrzeugklimatisierungsanlage verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, die Fahrzeugklimatisierungsanlage auf Basis der erfassten Batterie-Temperatur zu steuern. In Abhängigkeit eines zwischen dem ersten und zweiten Kühlmediums Temperaturgefälles bzw. der Batterie-Temperatur kann ermittelt werden, ob ein Kühlen oder Heizen der Batterie erforderlich ist, und welche Temperatur des ersten Kühlmediums dazu benötigt wird. Sofern die Kühlmedium-Temperatur des zweiten Kühlmittels oberhalb der Kühlmedium-Temperatur des ersten Kühlmittels liegt, kann ein Wärmeabtransport in Richtung des ersten Kühlmediums erfolgen. Umgekehrt, kann bei einer oberhalb der Kühlmedium-Temperatur des zweiten Kühlmediums liegenden Kühlmedium-Temperatur des ersten Kühlmediums ein Wärmetransport in Richtung des zweiten Kühlmediums und damit ein Aufheizen der Batterie erfolgen. Die Steuereinheit kann einen Steueralgorithmus oder eine Software aufweisen, die sämtliche der vorgenannten Parameter zur Steuerung des Systems bzw. der Funktionseinheiten zur Optimierung der Batterietemperatur berücksichtigt. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, die Kühlmedium-Temperatur des ersten Kühlmediums bei Vorliegen einer kritischen Grenz-Batterie-Temperatur dahingehend einzustellen, dass eine Kühlung der Batterie erfolgt (durch Reduzierung der Kühlmedium-Temperatur des ersten Kühlmediums auf eine geringere Temperatur als die Kühlmedium-Temperatur des zweiten Kühlmediums und eine damit ermöglichte Wärmeabfuhr von der Batterie in Richtung des zweiten Kühlmediums und von dem zweiten Kühlmedium in Richtung des ersten Kühlmediums).
  • Wie eingangs erwähnt, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zudem mit einem Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen System zum Kühlen einer Batterie gelöst. Es ist vorstellbar ein Kraftfahrzeug bereits bei dessen Fertigung mit einem erfindungsgemäßen System auszustatten, nicht ausgeschlossen ist jedoch auch, ein bereits bestehendes Kraftfahrzeug mit einem solchen System nachzurüsten.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigt schematisch:
    • 1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems.
  • Die 1 zeigt ein Flussdiagramm eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Systems zum Kühlen einer Batterie 1 eines Kraftfahrzeugs. Wie erwähnt, handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug insbesondere um ein Elektrofahrzeug. Das System umfasst eine Fahrzeugklimatisierungsanlage 2 (Klimaanlage), die einen ersten Kühlkreislauf K1 umfasst, in dem ein erstes Kühlmedium zirkuliert. Ferner umfasst das System einen zweiten Kühlkreislauf K2 in dem ein zweites Kühlmedium zirkuliert. Die Batterie 1 steht in thermischem Kontakt mit einer Kühleinheit 3 (und ist insbesondere von dieser umgeben), wobei die Kühleinheit 3 von dem zweiten Kühlmedium durchströmt wird. Die Kühleinheit 3 ist Teil des zweiten Kühlkreislaufs K2.
  • Wie figürlich wiedergegeben umfasst die Fahrzeugklimatisierungsanlage 2 eine Mehrzahl von bezogen auf eine Zirkulationsrichtung Z1 des ersten Kühlmediums in dem ersten Kühlkreislauf K1 nacheinander angeordnete Funktionseinheiten, nämlich einen Verdichter 7 (Kompressor), einen Kondensator 8, eine Expansionseinheit 9, und eine Verdampfungseinheit 10, wobei die Funktionseinheiten jeweils von dem ersten Kühlmedium durchströmt werden. In der Darstellung nach 1 sind die Zirkulationsrichtungen Z1, Z2 des ersten und zweiten Kühlmediums gleichgerichtet, was aber nicht zwingend der Fall sein muss, denn auch gegenläufige Zirkulationsrichtung Z1, Z2 des ersten und zweiten Kühlmediums ist möglich.
  • Die Zirkulation des ersten Kühlmediums wird durch den Verdichter 7 angetrieben. Der erste Kühlkreislauf K1 weist eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite auf, wobei die Hochdruckseite durch jenen zwischen dem Verdichter 7 und der Expansionseinheit 9 angeordneten Bereich gebildet ist und die Niederdruckseite durch jenen zwischen der Expansionseinheit 9 und dem Verdichter 7 angeordneten Bereich.
  • In dem Verdichter 7 wird gasförmiges erstes Kühlmedium verdichtet und dadurch erhitzt. Anschließend wird es mit hohem Druck durch den Kondensator 8 befördert, wobei dem ersten (an dieser Stelle erhitzten) Kühlmedium Wärme entzogen wird. Daraus resultierend kondensiert das erste Kühlmedium, geht also vom gasförmigen in den flüssigen Zustand über.
  • Danach strömt das nun flüssige erste Kühlmedium zur Expansionseinheit 9, die als Expansionsventil ausgebildet ist. Das Ventil sorgt für eine Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Drucks vor dem Ventil, wogegen sich der Druck nach Expansionsventil durch Volumenvergrößerung entspannen kann. Da das Expansionsventil in Zirkulationsrichtung Z1 des ersten Kühlmediums unmittelbar vor der Verdampfungseinheit 10 positioniert ist, entspannt sich das erste Kühlmedium in die Verdampfungseinheit 10 hinein. Dabei ändert es seinen Aggregatzustand von flüssig auf gasförmig. Bei diesem physikalischen Prozess entzieht das erste Kühlmedium der Umgebung Wärme, was im Fahrzeuginnenraum als Verdunstungskälte wahrgenommen werden kann.
  • Zwischen der Verdampfungseinheit 10 und dem Verdichter 7 ist ein Wärmetauscher 4 angeordnet, der von dem ersten und zweiten Kühlmedium in separaten, in thermischem Kontakt stehenden Kanälen 5, 6 durchströmt wird, wobei in dem Wärmetauscher 4 eine Wärmeabfuhr von dem zweiten Kühlmedium in Richtung des ersten Kühlmediums erfolgt. Je nach Temperatur des ersten und zweiten Kühlmediums kann auch eine Wärmeabgabe in Richtung des zweiten Kühlmediums erfolgen, wodurch ein Heizen der Batterie 1 möglich wird. Der Kanal 5 ist durch einen zwischen der Verdampfungseinheit 10 und dem Verdichter 7 vorgesehenen Leitungsabschnitt L1 des ersten Kühlkreislaufs K1 gebildet, der durch den Wärmetauscher 4 hindurchgeführt ist. Der Kanal 6 ist durch einen Leitungsabschnitt L2 des zweiten Kühlkreislaufs K2 gebildet.
  • Dabei ist der Leitungsabschnitt L1 des ersten Kühlkreislaufs K1 und der Leitungsabschnitt L2 des zweiten Kühlkreislaufs K2 zumindest teilweise co-axial durch den Wärmetauscher 4 hindurchgeführt. Im vorliegenden Beispiel stellt der Leitungsabschnitt L2 einen inneren Kanal 6 bereit, der Leitungsabschnitt L1 einen äußeren, den inneren Kanal 6 umgebenden Kanal 5. Im Schnitt handelt es sich dabei um eine konzentrische Anordnung der Kanäle 5, 6. Eine Wandung 11 zwischen den Kanälen 5, 6 verhindert den Stoffaustausch zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium, ermöglicht aber zugleich einen Wärmetransport.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2
    Fahrzeugklimatisierungsanlage
    3
    Kühleinheit
    4
    Wärmetauscher
    5
    Kanal
    6
    Kanal
    7
    Verdichter
    8
    Kondensator
    9
    Expansionseinheit
    10
    Verdampfungseinheit
    11
    Wandung
    K1
    erster Kühlkreislauf
    K2
    zweiter Kühlkreislauf
    L1
    Leitungsabschnitt
    L2
    Leitungsabschnitt
    Z1
    Zirkulationsrichtung
    Z2
    Zirkulationsrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009010145 A1 [0004]

Claims (12)

  1. System zum Kühlen einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, mit a. einer Fahrzeugklimatisierungsanlage (2), die einen ersten Kühlkreislauf (K1) umfasst, in dem ein erstes Kühlmedium zirkuliert, b. einem zweiten Kühlkreislauf (K2), in dem ein zweites Kühlmedium zirkuliert, c. einer mit der Batterie (1) in thermischem Kontakt stehenden Kühleinheit (3), wobei die Kühleinheit (3) von dem zweiten Kühlmedium durchströmt wird, d. und mit einen Wärmetauscher (4), der von dem ersten und zweiten Kühlmedium in separaten, in thermischem Kontakt stehenden Kanälen (5, 6) durchströmt wird, wobei in dem Wärmetauscher (4) eine Wärmeabfuhr von dem zweiten Kühlmedium in Richtung des ersten Kühlmediums erfolgt.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugklimatisierungsanlage (2) eine Mehrzahl von bezogen auf eine Zirkulationsrichtung (Z1) des ersten Kühlmediums in dem ersten Kühlkreislauf (K1) nacheinander angeordnete Funktionseinheiten aufweist, nämlich einen Verdichter (7), einen Kondensator (8), eine Expansionseinheit (9), und eine Verdampfungseinheit (10), wobei die Funktionseinheiten jeweils von dem ersten Kühlmedium durchströmt werden.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Verdampfungseinheit (10) und dem Verdichter (7) vorgesehener Leitungsabschnitt (L1) des ersten Kühlkreislaufs (K1) durch den Wärmetauscher (4) hindurchgeführt ist.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsabschnitt (L2) des zweiten Kühlkreislaufs (K2) durch den Wärmetauscher (4) hindurchgeführt ist.
  5. System nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (L1) des ersten Kühlkreislaufs (K1) und der Leitungsabschnitt (L2) des zweiten Kühlkreislaufs (K2) zumindest teilweise co-axial durch den Wärmetauscher (4) hindurchgeführt sind.
  6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Wärmetauscher (4) hindurchgeführten Leitungsabschnitte (L1, L2) des ersten und zweiten Kühlkreislaufs (K1, K2) derart durch den Wärmetauscher (4) hindurchgeführt sind, dass das erste und zweite Kühlmedium den Wärmetauscher (4) im Gleich- oder Gegenstrom durchströmt.
  7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (3) in Form einer die Batterie (1) zumindest teilweise umgebenden Kühlschlange oder eines Batteriegehäuses ausgebildet ist.
  8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu eingerichtet ist, insbesondere während eines Betriebszustands des Kraftfahrzeugs, eine kontinuierliche Zirkulation des ersten und zweiten Kühlmediums in dem ersten respektive zweiten Kühlkreislauf (K1, K2) zu gewährleisten.
  9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten und zweiten Kühlkreislauf (K1, K2) jeweils zumindest ein Kühlkreislauf-Temperatursensor angeordnet ist, der dazu eingerichtet sind, die Kühlmedium-Temperatur des ersten respektive zweiten Kühlmediums zu erfassen.
  10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Batterie-Temperatursensor, der an der Batterie (1) oder einem die Batterie (1) umgebenden Batteriegehäuse angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Batterie-Temperatur zu erfassen.
  11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit, die signal- und steuerungstechnisch mit dem zumindest einen Kühlkreislauf-Temperatursensor des ersten respektive zweiten Kühlkreislaufs (K1, K2), dem Batterie-Temperatursensor und zumindest einer der Funktionseinheiten der Fahrzeugklimatisierungsanlage (2) verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, die Fahrzeugklimatisierungsanlage (2) auf Basis der erfassten Batterie-Temperatur zu steuern.
  12. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, umfassend ein System zum Kühlen einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
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