DE102021102907A1

DE102021102907A1 - Kühlanordnung, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen einer Komponente eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021102907A1
Application number: DE102021102907.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Lang
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlanordnung (12) für ein Kraftfahrzeug (10) zum Kühlen zumindest einer Komponente (14, 16, 58) des Kraftfahrzeugs (10), wobei die Kühlanordnung (12) einen Kühlkreislauf (20) aufweist, der dazu ausgelegt ist, im Betrieb ein Kühlmittel (18) zum Aufnehmen von Wärme (W) von der zumindest einen zu kühlenden Komponente (14, 16, 58) zu führen. Dabei weist die Kühlanordnung (12) eine Wärmekraftmaschine (24, 40) auf, die mit dem Kühlkreislauf (20) fluidisch gekoppelt ist und die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel (18) von der zumindest einen Komponente (14, 16, 58) aufgenommenen Wärme (W) in Arbeit (E) zu wandeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen zumindest einer Komponente des Kraftfahrzeugs, wobei die Kühlanordnung einen Kühlkreislauf aufweist, der dazu ausgelegt ist, im Betrieb ein Kühlmittel zum Aufnehmen von Wärme von der zumindest einen zu kühlenden Komponente zu führen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühlanordnung und ein Verfahren zum Kühlen zumindest einer Komponente eines Kraftfahrzeugs.
Kraftfahrzeuge weisen bekannterweise zu kühlende Komponenten auf. Gerade bei elektrifizierten Antriebssystemen erfordern vor allem eine Hochvoltbatterie und eine E-Maschine als Antriebseinheit mit zugeordneter Leistungselektronik eine hohe Kühlleistung. Dabei kommen oftmals geschlossene Kühlsysteme zum Einsatz, in denen beispielsweise in einem Kühlkreislauf Kühlmittel zirkuliert wird, um von den betreffenden zu kühlenden Elementen Wärme aufzunehmen und an einen Wärmetauscher, zum Beispiel Kühler, abzugeben. Der Großteil der Wärmeenergie wird im klassischen Sinne durch den Fahrtwind an die Umgebung abgegeben.
Die DE 10 2008 059 943 A1 beschreibt ein Kühlmittel zur Kühlung einer Batterie, welches vollständig frei von Wasser und vollständig frei von polaren OH-Bindungen ist. Ein solches Kühlmittel kann beispielsweise ein Parafinöl oder ein Silikonöl darstellen. Damit soll das Risiko eines Brandes oder einer Explosion im Falle einer Beschädigung einer mit dem Kühlmittel gekühlten Batterie reduziert werden, da keine chemische Reaktion zwischen einem solchen Kühlmittel und dem Lithium der Einzelzellen der Batterie erfolgt.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2018 107 139 A1 ein Kühlsystem eines Hochvoltspannungsbatteriepacks eines Elektrofahrzeugs. Dabei ist eine Batteriezelle in einer Kammer angeordnet, die kommunikativ an einen Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass gekoppelt ist. Außerdem umfasst das Elektrofahrzeug einen Wärmetauscher, der ebenfalls kommunikativ an den Kühlfluideinlass und den Kühlfluidauslass gekoppelt ist. Um eine Kühlung bereitzustellen, soll ein direkt gekühltes System genutzt werden, welches auf einer erzwungenen Konvektion eines nicht leitfähigen, chemisch inerten Fluids in direktem Kontakt mit Arrays eines Batteriepacks und anderen Wärme generierenden Komponenten basiert. Als chemisch inertes Fluid eignen sich dabei beispielsweise Silikonöl oder ein Fluorkohlenstofföl.
Auch bei diesen Kühlsystemen und Kühlanordnungen wird letztendlich ein Großteil der aufgenommenen Energie als Verlust an die Umgebung abgegeben. Wünschenswert wäre es daher, die Energieeffizienz einer Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug steigern zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die beim Kühlen einer Komponente des Kraftfahrzeugs von dieser Komponente abgeführte Wärme möglichst effizient zu nutzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug zum Kühlen zumindest einer Komponente des Kraftfahrzeugs weist dabei einen Kühlkreislauf auf, der dazu ausgelegt ist, im Betrieb ein Kühlmittel zum Aufnehmen von Wärme von der zumindest einen zu kühlenden Komponente zu führen. Des Weiteren weist die Kühlanordnung eine Wärmekraftmaschine auf, die mit dem Kühlkreislauf fluidisch gekoppelt ist, und die, wenn das Kühlmittel im Kühlkreislauf geführt wird, dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel von der zumindest einen Komponente aufgenommenen Wärme in Arbeit zu wandeln.
Dadurch kann vorteilhafterweise ein Teil der in Form von Wärme von der zu kühlenden Komponente abgeführten Energie zurückgewonnen werden. Somit kann die thermische Arbeit für weitere Anwendungen genutzt werden, und geht damit nicht vollständig verloren. Gerade bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann damit die Effizienz einer solchen Kühlanordnung deutlich gesteigert werden.
Die Kühlanordnung kann dabei im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, nicht nur eine Komponente des Kraftfahrzeugs zu kühlen, sondern auch mehrere verschiedene Komponenten des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck können die entsprechenden zu kühlenden Komponenten an den Kühlkreislauf, zum Beispiel über entsprechende Wärmetauscher oder Kopplungsflächen oder ähnliches angebunden sein. Es können auch mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe zur Kühlung jeweiliger unterschiedlicher Komponenten des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, die jeweils von einem Kühlmittel, vorzugsweise einem gleichen Kühlmittel, durchströmbar sind, um im Allgemeinen Wärme von einer Wärmequelle, nämlich der zumindest einen zu kühlenden Komponente, zu einer Wärmesenke, zum Beispiel einem Wärmetauscher zum Abgeben von Wärme an einen Kältemittelkreislauf und/oder einen Wärmetauscher, der zum Beispiel als Luftkühler ausgeführt ist, abzuführen. Weist die Kühlanordnung beispielsweise mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe auf, so können diese mehreren Kühlkreisläufe jeweils fluidisch mit dieser Wärmekraftmaschine zur Energierückgewinnung gekoppelt sein.
Im Allgemeinen kann ein Kühlkreislauf durch ein Leitungssystem bereitgestellt sein, in welchem ein Kühlmittel zirkulieren kann. Zum Führen eines solchen Kühlmittels kann zum Beispiel auch eine Kühlmittelpumpe vorgesehen sein, die dazu ausgelegt ist, das Kühlmittel im Leitungssystem in einer vorbestimmten Strömungsrichtung zu fördern. Das Kühlmittel wird also im Kühlkreislauf zirkuliert und währenddessen an der zu kühlenden Komponente vorbeigeführt, zum Beispiel an einer mit dieser gekoppelten Kühlplatte oder einem anders ausgebildeten Wärmetauscher. Das Kühlmittel nimmt entsprechend Wärme von der zu kühlenden Komponente auf, erwärmt sich dadurch, und gibt die Wärme zumindest zum Teil wieder an die Wärmekraftmaschine ab, wird dadurch abgekühlt und wird dann wieder an der zu kühlenden Komponente vorbeigeführt und so weiter. Die mittels der Wärmekraftmaschine zurückgewonnene Energie kann auf verschiedenste Arten und Weisen gespeichert und/oder wieder direkt genutzt werden, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung die zumindest eine zu kühlende Komponente auf, die als eine elektrische Maschine, insbesondere als ein Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs und/oder als Hochvoltbatterie ausgebildet ist. Wie eingangs beschrieben ist gerade bei elektrifizierten Antriebssystemen, die also eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, und eine Traktionsbatterie, die oft als Hochvoltbatterie ausgeführt ist, aufweisen, eine sehr hohe Kühlleistung erforderlich. Entsprechend zeigt die Erfindung und ihre Ausführungsformen gerade bei einem solchen elektrifizierten Antriebssystem besonders große Vorteile, da auch viel Energie wieder zurückgewonnen werden kann. Durch die Kühlanordnung ist es also vorteilhafterweise möglich, sowohl eine Hochvoltbatterie als auch eine elektrische Maschine auf besonders effiziente Art und Weise zu kühlen und die von diesen Komponenten abgeführte Wärme zumindest zum Teil wieder in nutzbare Energie zu wandeln. Auch eine Leistungselektronik, die zum Beispiel als Pulswechselrichter für die elektrische Maschine ausgebildet sein kann, kann die zumindest eine zu kühlende Komponente darstellen, beziehungsweise eine weitere zu kühlende Komponente der Kühlanordnung. Damit können vielzählige Komponenten eines Kraftfahrzeugs, die eine hohe Kühlleistung erfordern, auf effiziente Weise gekühlt werden.
Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kühlanordnung das Kühlmittel umfasst, welches ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel, insbesondere ein Silikonöl, darstellt. Gerade Silikonöl eignet sich besonders gut als Wärmeleitträger, insbesondere in Kombination mit der später noch näher erläuterten Ausbildung der Wärmekraftmaschine, nichtsdestoweniger können auch andere Kühlmittel, insbesondere Öle, zum Beispiel Mineralöle oder andere, eingangs mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebene Kühlmittel verwendet werden, die nicht elektrisch leitend sind. Gerade ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel hat besonders große Vorteile, zum einen in Bezug auf die Kühlung einer Hochvoltbatterie, als auch in Bezug auf die Kühlung der E-Maschine. Im Falle eines Defekts des Kraftfahrzeugs beziehungsweise des Batteriesystems geht von einem elektrisch nicht leitenden Kühlmittel auch eine deutlich geringere Gefahr aus. Ein besonders großer weiterer Vorteil eines elektrisch nicht leitenden Kühlmittels, insbesondere von Silikonöl, zeigt sich aber vor allem bei der Kühlung der elektrischen Maschine. Da Silikonöl beispielsweise elektrisch nicht leitend ist, kann es somit bei einer Leckage keinen Kurzschluss verursachen. Dadurch kann zum Beispiel die Abdichtung der E-Maschine über den Rotor sehr weich erfolgen, beispielsweise mit einer Labyrinthdichtung, was einen deutlich effizienteren Betrieb der E-Maschine erlaubt. Üblicherweise werden zur Dichtung der E-Maschine in Kombination mit herkömmlichen Kühlmitteln, wie Wasser, Radialwellendichtringe verwendet. Derartige aufwändige Dichtungen führen zu einem höheren Widerstand und kosten dem System daher zusätzlich Energie, die typischerweise einer Reichweite von 15 km pro Batterieladung entspricht. Mit anderen Worten kann gerade durch die Verwendung eines elektrisch nicht leitenden Kühlmittels, wie Silikonöl in Kombination mit beispielsweise einer Labyrinthdichtung für die E-Maschine enorm an Reichweite gewonnen werden. Zusätzlich kann bei der Verwendung eines Öls, wie Silikonöl, als Kühlmittel gleichzeitig auch dessen Schmierwirkung, zum Beispiel für diverse Lager oder andere Komponenten der E-Maschine, genutzt werden, wodurch wiederum die Reibung reduziert und Reibverluste gemindert werden können, was ebenfalls Energie spart. Insgesamt kann so eine besonders effiziente Kühlung der E-Maschine sowie auch anderer Komponenten bereitgestellt werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmekraftmaschine dazu ausgelegt, den zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel von der zumindest einen Komponente aufgenommenen Wärme durch Erzeugen eines Unterdrucks in Arbeit zu wandeln. Eine derartige Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine hat gleich mehrere Vorteile. Zum einen kann ein erzeugter Unterdruck auf vielfältige Arten und Weisen wieder einfach in nutzbare Energie gewandelt werden. Ein solcher Unterdruck kann zum Beispiel direkt verwendet werden, zum Beispiel zur Ansteuerung diverser Ventile des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Kühlkreislauf oder anderen Bereichen des Kraftfahrzeugs, oder er kann auch auf einfache Weise zum Beispiel in einem Unterdruckspeicher gespeichert werden, was es vorteilhafterweise ermöglicht, Energie bis zu deren Bedarf vorzuhalten. Auch eine einfache Rückgewinnung beziehungsweise Umwandlung zum Beispiel in elektrische Energie ist möglich, wie dies ebenfalls später näher erläutert wird. Ein weiterer besonders großer Vorteil der Erzeugung eines Unterdrucks besteht zudem noch darin, dass dies gerade bei Hybridfahrzeugen mit Brennstoffzelle zusätzlich genutzt werden kann, um das Verdichterverhältnis des Kompressors zu beeinflussen. Eine Brennstoffzelle benötigt in der Regel einen bestimmten hohen Betriebsdruck, der üblicherweise durch einen Kompressor erzeugt wird. Dieser Betriebsdruck kann durch einen ausgangsseitigen Unterdruck, der durch die Wärmekraftmaschine bereitgestellt wird, abgesenkt werden, wodurch die Brennstelle effizienter betrieben werden kann. Ein weiterer großer Vorteil der Erzeugung eines Unterdrucks besteht vor allem aber darin, dass hierfür eine Öldiffusionspumpe genutzt werden kann, was die nachfolgend erläuterten Vorteile hat.
Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Wärmekraftmaschine eine Öldiffusionspumpe umfasst. Eine Öldiffusionspumpe hat wiederum den großen Vorteil, dass diese sich auf besonders effiziente Weise mit einem Öl, insbesondere dem oben genannten Silikonöl, betreiben lässt. Zwar sind auch andere Öle für den Betrieb einer Öldiffusionspumpe geeignet, jedoch lässt sich gerade bei einem Betrieb mit Silikonöl der Wirkungsgrad der Öldiffusionspumpe steigern. Zudem lässt sich gerade bei einem Silikonöl der Verdampfungspunkt einfach auf die gegebenen Anforderungen einstellen. Je höher dabei der Verdampfungspunkt beziehungsweise die Verdampfungstemperatur des Silikonöls gewählt wird, desto effizienter lässt sich die Öldiffusionspumpe betreiben. Dennoch sollte dieser Betriebspunkt unterhalb einer bestimmten später beschriebenen Grenztemperatur liegen, was sich ebenfalls mittels eines Silikonöls einfach bewerkstelligen lässt. Eine Öldiffusionspumpe nutzt dabei die Abwärme durch den Fahrzeugbetrieb zum Aufbau eines Gasdrucks im Treibmedium, hier dem Kühlmittel, welches vorzugsweise durch das Silikonöl bereitgestellt wird, wodurch in der Apparatur, das heißt der Öldiffusionspumpe ein Unterdruckreservoir gebildet wird. Die Druckdifferenz und die daraus resultierende Energie kann zurückgewonnen oder gespeichert werden, zum Beispiel in einem Druckbehälter. Eine schnelle Einsatzbereitschaft kann durch ein Vorvakuum erzeugt werden. Dies kann zum Beispiel über eine gesonderte Pumpe erfolgen oder aber über eine Abnahme an der Fahrzeugkarosserie, wo an definierten Stellen Unterdruck zur Verfügung steht, zum Beispiel im Bereich der Radläufe, im Heckbereich, und so weiter. Dies ist besonders sinnvoll, da der Energieverbrauch abhängig von der Geschwindigkeit und somit auch direkt proportional zur Fahrzeuglast, insbesondere der Aerodynamik ist. Mit anderen Worten kann bei höherer Geschwindigkeit durch die höhere Druckdifferenz auch mehr Energie zurückgewonnen werden, während bei höherer Geschwindigkeit gleichzeitig auch der Kühlbedarf gesteigert ist und entsprechend auch mehr Abwärme entsteht, die zurückgewonnen werden kann, zumindest zum Teil. Zudem kann eine Kühlung des Pumpenkörpers der Öldiffusionspumpe über einen weiteren Kühlkreislauf erfolgen. Alternativ kann die Kühlung der Diffusionspumpe beziehungsweise des Pumpenkörpers der Öldiffusionspumpe auch luftgekühlt sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlmittel eine spezifische Verdampfungstemperatur auf, die unterhalb einer Grenztemperatur liegt, die der als E-Maschine ausgebildeten, zu kühlenden Komponente zugeordnet ist. Gerade Silikonöle können auf einen spezifischen Verdampfungspunkt, insbesondere eine spezifische Verdampfungstemperatur, angepasst werden. Bei E-Maschinen, insbesondere permanent erregten Motoren, gibt es eine diesen Maschinen zugeordnete definierte Temperaturgrenze. Bei Übertreten dieser kann eine Entmagnetisierung erfolgen. Die Öle beziehungsweise im Allgemeinen das Kühlmittel kann spezifisch auf das System, das heißt auf die der E-Maschine zugeordnete Grenztemperatur angepasst sein. Mit anderen Worten liegt die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels unterhalb einer solchen der E-Maschine zugeordneten Grenztemperatur, die gewährleistet, dass keine Entmagnetisierung erfolgt. So kann eine maximale Energierückgewinnung einerseits und eine Gewährleistung des unbeeinträchtigten Betriebs der E-Maschine andererseits gewährleistet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmekraftmaschine einen Gasexpansionsmotor auf, der dazu ausgelegt ist, unter Verwendung des Unterdrucks Arbeit zu verrichten und insbesondere in elektrische Energie zu wandeln. Dieser kann beispielsweise dazu ausgelegt, sein mittels des Unterdrucks Strom zu erzeugen. Mit einem solchen Gasexpansionsmotor beispielsweise kann eine Energierückgewinnung unter Verwendung des von der Öldiffusionspumpe erzeugten Unterdrucks erfolgen. Damit kann also beispielsweise der von der Pumpe erzeugte Unterdruck wieder in elektrische Energie mittels des Gasexpansionsmotors gewandelt werden. Diese elektrische Energie kann wiederum gespeichert oder direkt verwendet werden. Bevorzugt wird diese vom Gasexpansionsmotor erzeugte elektrische Energie einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel einem Niedervoltbordnetz und/oder einem Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs, zugeführt. Die Zuführung der elektrischen Energie an das Niedervoltbordnetz ist dabei besonders vorteilhaft, da keine zusätzliche Wandlung auf ein höheres Spannungsniveau erfolgen muss, was die Nutzung dieser elektrischen Energie effizienter macht. Die elektrische Energie kann zum Beispiel direkt einem elektrischen Verbraucher des Niedervoltbordnetzes zugeführt werden, oder aber in einer Energiespeichereinrichtung des Niedervoltbordnetzes gespeichert werden. Nichtsdestoweniger ist es auch denkbar, die elektrische Energie in der Hochvoltbatterie zu speichern und/oder einem Hochvoltverbraucher zuzuführen. Letztendlich kann in jedem Fall ein Teil der von der zu kühlenden Komponente abgeführten Wärme wieder als elektrische Energie dem System zugeführt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlanordnung zumindest einen Bereich einer Karosserieoberfläche des Kraftfahrzeugs auf, wobei die Kühlanordnung dazu ausgelegt ist, zumindest wenn der Bereich eine Temperatur oberhalb eines bestimmten Grenzwerts aufweist, Wärme von dem Bereich zur Wärmekraftmaschine zu übertragen. Somit kann sozusagen ein Zweikreis-Kühlsystem bereitgestellt werden, durch welches die Aufnahme von Wärme zusätzlich über Karosseriebauteile wie beispielsweise der Motorhaube, erfolgen kann. Um dies zu ermöglichen, sollte die Temperatur dieses Karosseriebauteils über der des Kühlmittels liegen, um Wärme an das Kühlmittel abgeben zu können. Der bestimmte Grenzwert kann also zum Beispiel einfach die Temperatur des Kühlmittels darstellen. Sollte die Temperatur des Karosseriebauteils darunter liegen, zum Beispiel im Winter, kann der Kühlmittelfluss durch diesen mit dem Karosseriebauteil gekoppelten Kühlmittelkreislauf, der einen vom ersten Kühlkreislauf separaten Kreislauf darstellen kann oder auch einen Kreislaufzweig dieses Kühlkreislauf darstellen kann, unterbunden werden, zum Beispiel durch ein Ventil oder eine Verschlusseinrichtung oder Ähnliches. Vor allem aber im Sommer bzw. im Allgemeinen wenn die Temperatur des Karosseriebauteils oberhalb der Grenztemperatur liegt, kann durch einen hohen Wärmeeintrag in die Öldiffusionspumpe unter Ausnutzung dieses von dem Karosseriebauteil bereitgestellten Flächenwärmeeintrags die Überhitzung mit weniger Energieeintrag, insbesondere weniger von einem zusätzlich erzeugten Energieeintrag erfolgen, der zum Beispiel andernfalls durch eine Heizplatte oder Heizeinrichtung allein aufgebracht werden müsste. Dadurch wird eine schnelle Aufheizung des Silikonöls erreicht, und auch der Gesamtenergieeintrag gesenkt und die Leistungsfähigkeit der Diffusionspumpe erhöht.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihrer Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug vorzugsweise als Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Das Kraftfahrzeug weist vorzugsweise eine Hochvoltbatterie als Traktionsbatterie und eine E-Maschine als Antriebseinheit, insbesondere mit einer Leistungselektronik, zum Beispiel einem Pulswechselrichter, auf. Dies stellen vorzugsweise auch die von der Kühlanordnung zu kühlenden Komponenten des Kraftfahrzeugs dar.
Optional kann das Kraftfahrzeug auch eine Brennstoffzelle aufweisen. Gerade in Kombination mit einer Brennstoffzelle lassen sich durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung und ihre Ausführungsformen noch weitere Vorteile erzielen, die sich auf einen effizienteren Betrieb der Brennstoffzelle auswirken, wie dies oben bereits beschrieben wurde.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Kühlen zumindest einer Komponente eines Kraftfahrzeugs, wobei in einem Kühlkreislauf im Betrieb ein Kühlmittel geführt wird, das von der zu kühlenden Komponente Wärme aufnimmt. Weiterhin weist die Kühlanordnung eine Wärmekraftmaschine auf, die mit dem Kühlkreislauf fluidisch gekoppelt ist und die zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel von der zumindest einen Komponente aufgenommenen Wärme in Arbeit wandelt.
Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung und ihren Ausführungsformen genannten Vorteile in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlanordnung zur Veranschaulichung des Wärme- und Energieflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Kühlanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 kann beispielsweise als Elektro- und/oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein und weist in diesem Beispiel einen Elektromotor 14 als Antriebseinheit und eine Hochvoltbatterie 16 als Traktionsbatterie auf. Darüber hinaus kann das Kraftfahrzeug 10 beispielsweise auch eine Brennstoffzelle aufweisen, die hier jedoch nicht dargestellt ist.
Bei aktuellen Brennstoffzellen- und E-Maschinen-Systemen wird üblicherweise ein geschlossenes Kühlsystem ohne Energierückgewinnung eingesetzt beziehungsweise maximal über eine Wärmepumpe genutzt. Der Großteil der Energie wird im klassischen Sinne durch den Fahrtwind an die Umwelt abgegeben, vereinzelt in größeren Bauteilen, wie die Batterie, als Thermospeicher gespeichert. Die Speicherung dient jedoch dazu, die Energie, welche zur Heizung des Fahrgastraums notwendig ist, zu sparen, was sich dann ausschließlich auf die Wintermonate bezieht. Somit wird die thermische Arbeit für weitere Anwendungen nicht genutzt, sondern ausschließlich an die Umwelt abgegeben. Hierdurch geht viel Energie verloren.
Die Erfindung beziehungsweise ihre Ausführungsformen ermöglichen nun vorteilhafterweise eine Energierückgewinnung eines Teils der von zu kühlenden Komponenten, wie hier der E-Maschine 14 und/oder der Hochvoltbatterie 16 abgegebenen Wärme W. Dazu kann das Kühlsystem in zwei verschiedene Kreise, die später näher erläutert werden, aufgespaltet werden, und mit Silikonöl 18 als bevorzugtes Kühlmittel 18 als Wärmeleitträger betrieben werden. Insbesondere weist die Kühlanordnung 12 gemäß dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Kühlkreislauf 20 auf, der in Betrieb Kühlmittel 18, in diesem Fall Silikonöl 18, führt, welches Wärme W von den zu kühlenden Komponenten 14, 16, in diesem Beispiel der E-Maschine und der Hochvoltbatterie 16 aufnimmt. Dazu kann das Kühlmittel 18 in entsprechenden Kühlmittelleitungen 22 geführt sein, welche zum Beispiel in Form von Rohren oder Schläuchen oder mit Kühlkanälen versehenen Kühlplatten oder ähnlichem bereitgestellt sein können. Durch das Aufnehmen dieser Wärmeenergie W erwärmt sich das Kühlmittel 18. Das somit warme Kühlmittel 18 wird nun vorteilhafterweise einer Wärmekraftmaschine zugeführt, die in diesem Beispiel als Öldiffusionspumpe 24 ausgebildet ist. Mittels dieser Wärmekraftmaschine 24 kann zumindest ein Teil der zugeführten Wärme W wieder in Arbeit gewandelt werden und damit in wieder nutzbare Energie.
Dabei eignet sich Silikonöl 18 ganz besonders als Betriebsmittel für eine solche Öldiffusionspumpe 24. Im Allgemeinen sind Silikonöle klare, farblose, ungiftige, neutrale, geruchslose, geschmackslose, chemisch inerte, in einem weiten Spektrum temperaturstabile, hydrophobe Flüssigkeiten mit einer Molekülmasse von 162 bis 150.000 g/mol, einer Dichte von 0,76 bis 1,07 g/cm³ und Viskositäten von 0,6 bis 1.000.000 mPa·s. Des Weiteren sind sie hervorragenden elektrische Isolatoren. Silikonflüssigkeiten weisen eine niedrige Oberflächenspannung von 21,5 mN/m (bei 25° C) oder weniger auf. Sie sind auch an der Luft dauerwärmebeständig bis ca. 180° C. Ihr Stockpunkt liegt je nach Viskosität bei -80° C bis -40° C. Silikonflüssigkeiten weisen zwischen -60° C und bis 200° C Schmiereigenschaften auf. Die Schmierfähigkeit ist geringer als die von Mineralölen und anderen Schmierstoffen. Sie neigen nicht zum Verharzen. Silikonflüssigkeiten sind löslich in Benzol, Toluol, aliphatischen und chlorierten Kohlenwasserstoffen. Sie sind wenig beständig gegen starke anorganische Säuren und Basen. Wie alle Silikone sind sie sehr gut gasdurchlässig.
Damit weist ein Silikonöl 18 als Kühlmittel 18 vielzählige Eigenschaften auf, die sich einerseits positiv auf die Kühlung der Hochvoltbatterie 16 und der E-Maschine 14 auswirken, sowie andererseits auf den Betrieb der Öldiffusionspumpe 24. Beispielsweise kann im Zuge der durch das Silikonöl 18 bereitgestellten Kühlung auch eine Schmierung von zum Beispiel diversen Lagern bereitgestellt werden, was wiederum im Allgemeinen eine verminderte Reibleistung im Gesamtsystem bewirkt. Was wiederum zu weniger Reibungsverlusten und damit zusätzlich zur Einsparung von Energie führt, und dies wiederum zu einer höheren Reichweite des Kraftfahrzeugs 10. Insbesondere kann Silikonöl 18, da es elektrisch nicht leitend ist, bei einer Leckage keinen Kurzschluss verursachen. Dadurch kann zum Beispiel die Abdichtung der E-Maschine 14 über den Rotor sehr weich erfolgen, zum Beispiel mit einer Labyrinthdichtung, wodurch ebenfalls eine verminderte Reibleistung in der E-Maschine 14 erreichbar ist. Eintretendes Öl 18 kann zurück oder über den Unterdruck oder ein anderes Konzept, zum Beispiel einen Auffangbehälter, oder einen aktiven oder passiven Rücklauf, und so weiter, aus der E-Maschine 14 befördert werden.
Solche Diffusionspumpen 18 können nach einer Aufwärm- beziehungsweise Heizphase den Druck absenken und damit einen Unterdruck P2 bilden. Der Pumpenaufbau ist dabei sehr einfach. Der Aufbau und die Funktionsweise der Öldiffusionspumpe 24 ist dabei wie folgt: Die Öldiffusionspumpe 24 funktioniert nach dem Prinzip einer Strahlpumpe und kann als Hochvakuumpumpe ausgebildet sein. Sie hat keine beweglichen Teile und ist daher sehr zuverlässig und wartungsfreundlich. Die Pumpe 24 weist einen Siederaum 26 mit dem Treibmittel, in diesem Fall dem Silikonöl 18, auf. Normalerweise wird dieses Treibmittel 18 mittels einer Heizeinrichtung 28 beheizt. Im vorliegenden Fall wird diesem Siederaum 26 bereits das Silikonöl 18 in erwärmter Form zugeführt, da es durch die von den zu kühlenden Komponenten 14, 16 aufgenommene Wärme W bereits erwärmt wurde.
Nichtsdestoweniger kann die Pumpe 24 dennoch eine Heizeinrichtung 28 aufweisen, um dem Öl 18 die restliche Wärme bis zum Sieden zuzuführen. Die Pumpe weist weiterhin ein Düsensystem 30 auf. Das erhitzte Silikonöl 18 strömt aus dem Siederaum 26 durch dieses Düsensystem 30, insbesondere mit hohem Druck, und tritt aus den jeweiligen Düsen 32 des Düsensystems 30 als Dampfstrahlen aus. Diese Dampfstrahlen kondensieren dann an den kalten Wänden 34 des Pumpenkörpers. Gasmoleküle, die in den Dampfstrahl gelangen, werden mitgerissen und so nach unten in einen Bereich höheren Drucks gefördert. Dadurch kann in einem Anschlussbereich 36 der Pumpe 24 ein Unterdruck P2 bereitgestellt werden, der kleiner ist als ein Umgebungsdruck P1. Die Abwärme W durch den Fahrzeugbetrieb wird also vorteilhafterweise zum Aufbau eines Gasdrucks im Treibmedium 18 genutzt, das heißt in der Siedekammer 26, was in der Apparatur letztendlich ein Unterdruckreservoir bildet. Die Druckdifferenz, d.h. zwischen Umgebungsdruck P1 und Unterdruck P2, und die daraus resultierende Energie kann zurückgewonnen oder gespeichert werden. Eine Speicherung kann zum Beispiel durch einen Druckbehälter 38 bereitgestellt werden, der hier lediglich gestrichelt dargestellt ist. Eine Rückgewinnung kann zum Beispiel unter der Verwendung eines Gasexpansionsmotors 40 erfolgen. Dieser kann auf Basis des bereitgestellten Unterdrucks P2 betrieben werden und wieder elektrische Energie erzeugen, die wiederum gespeichert oder direkt genutzt werden kann. Beispielsweise kann diese wiederum der Hochvoltbatterie 16 zugeführt werden und/oder einem Niedervoltbordnetz 42 des Kraftfahrzeugs 10. Auch kann dieser direkt Verbrauchern des Hochvoltbordnetzes und/oder des Niedervoltbordnetzes 42 zugeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der erzeugte Unterdruck P2 auch direkt genutzt werden, zum Beispiel um Ventile des Kraftfahrzeugs 10 anzusteuern. Insgesamt gibt es vielzählige Möglichkeiten, um die durch den erzeugten Unterdruck P2 zurückgewonnene Energie direkt oder durch weitere Umwandlungen oder durch Zwischenspeicherung zu nutzen.
Eine schnelle Einsatzbereitschaft kann zudem durch ein Vorvakuum an einem Vorvakuumstutzen 44 der Pumpe 24 erzeugt werden. Um dieses Vorvakuum bereitzustellen, kann eine gesonderte hier nicht dargestellte Pumpe vorgesehen werden. Aus energetischer Sicht ist es jedoch bevorzugt, dieses Vorvakuum am Vorvakuumsstutzen 44 über eine Abnahme an der Fahrzeugkarosserie bereitzustellen, insbesondere dort, wo an definierten Stellen Unterdruck zur Verfügung steht, wie zum Beispiel im Bereich der Radläufe 46, wie in 1 illustriert oder aber auch in einem Heckbereich 48 des Kraftfahrzeugs, und so weiter. Dies hat zudem den großen Vorteil, dass hier der Energieverbrauch sowie die Energierückgewinnung beide abhängig von der Geschwindigkeit und somit auch direkt proportional zur Fahrzeuglast, insbesondere der Aerodynamik, sind, und damit optimal aufeinander abgestimmt sind.
Wie oben beschrieben wird zur Abkühlung des Silikonöls 18 innerhalb der Pumpe 24 dieses an den Wänden 34 der Pumpe 24 kondensiert. Zur Kühlung dieser Wände 34 kann ein zweiter Kühlkreislauf 50 vorgesehen sein. Dieser kann ebenfalls ein Kühlmittel aufweisen, zum Beispiel ebenfalls Silikonöl oder ein anderes Kühlmittel, zum Beispiel Wasser. Dieser Kühlkreislauf 50 kann aber auch lediglich als Luftkühlung, wie im vorliegenden Beispiel, bereitgestellt sein. Dazu kann der Pumpenkörper 34 an eine Luftkühlung angebunden werden, die zum Beispiel über einen Kühler 52 des Kraftfahrzeugs bereitgestellt ist, der an einer Fahrzeugfront 54 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein kann. Hierbei sei noch darauf hinzuweisen, dass die einzelnen zu 1 beschriebenen Komponenten des Kraftfahrzeugs 10 in 1 lediglich schematisch dargestellt sind und nicht notwendigerweise an ihrer tatsächlichen Position in Bezug auf das Kraftfahrzeug 10 illustriert sind. Auch die Größenverhältnisse der einzelnen Komponenten zueinander sind hier nicht den tatsächlichen Gegebenheiten entsprechend gewählt.
Die im zweiten Kühlkreislauf 50 dargestellten Pfeile 54 illustrieren beispielsweise den Luftstrom zur Kühlung der Pumpenwände 34. In entsprechender Weise illustrieren die Pfeile 56 im ersten Kühlkreislauf 20 die Strömungsrichtung des Silikonöls 18.
Um das Silikonöl 18 in Strömungsrichtung zu fördern, kann die Kühlanordnung 12 noch weitere Komponenten, zum Beispiel eine Pumpe in diesem ersten Kreislauf 20 aufweisen, die hier jedoch nicht näher dargestellt sind. Insgesamt ist dieser erste Kühlkreislauf 20 in stark vereinfachter Form dargestellt und kann sich beispielsweise auch aus einzelnen Teilkreisläufen zusammensetzen.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich eine Aufnahme von Wärme W über Karosseriebauteile 58 erfolgen kann, zum Beispiel eine Motorhaube des Kraftfahrzeugs 10. Diese erwärmt sich zum Beispiel sehr stark bei Sonneneinstrahlung vor allem im Sommer oder bei hohen Außentemperaturen, so dass auch dieser Wärmeeintrag zusätzlich zur Überhitzung des Silikonöls 18 genutzt werden kann. Insgesamt ist damit ein geringerer zusätzlicher Energieeintrag, zum Beispiel über die Heizeinrichtung 28, erforderlich. Dadurch kann eine schnelle Aufheizung des Silikonöls 18 erreicht werden als auch der Gesamtenergieeintrag gesenkt und die Leistungsfähigkeit der Diffusionspumpe 24 erhöht werden.
2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Kühlanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei vor allem hier der Wärme- und Energiefluss illustriert werden soll. Auch hierbei ist der Aufbau aufgrund der Komplexität des Kühl- und Heizkreislaufs der technischen Baugruppen als auch der Fahrgastzelle nur schematisch dargestellt. Auch vorliegend weist die Kühlanordnung wiederum im Zentrum eine Öldiffusionspumpe 24 als Wärmekraftmaschine auf. Im Übrigen kann das Kraftfahrzeug 10 sowie die Kühlanordnung 12 wie zuvor beschreiben ausgebildet sein. Weiterhin wird auch hierbei wiederum der Öldiffusionspumpe 24 über Silikonöl 18 als Wärmeleitträger die Abwärme W der E-Maschine 14, sowie der Hochvoltbatterie 16 und auch einer Leistungselektronik zugeführt. Zusätzlich kann, wie ebenfalls bereits beschrieben, der Pumpe 24 auch Wärme W aus einem Flächenwärmeeintrag über Karosseriebauteile 58 zugeführt werden. Die Wärmezufuhr W zur Öldiffusionspumpe 24 zur Überhitzung des Silikonöls 18 ist also entsprechend über die mit W bezeichneten Pfeile dargestellt. Die Kühlung der Öldiffusionspumpe 24, insbesondere des Pumpenkörpers 34 kann wie zuvor beschrieben über die Anbindung an einen weiteren Kühlkreislauf 50 erfolgen, der zum Beispiel durch eine Luftkühlung durch Anbindung dieses Kreislaufs 50 an den Kühler 52 erfolgen kann. Wie beschrieben stellt die Pumpe 24 an einem Ausgang 36 einen Unterdruck P2 bereit, der zum Beispiel von einem Gasexpansionsmotor 40 zur Energierückgewinnung genutzt werden kann. Insbesondere kann dieser Gasexpansionsmotor 40 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck P1 und dem bereitgestellten Unterdruck P2 Energie E erzeugen, die wiederum dem System, also beispielsweise einem Hochvoltbordnetz oder Niedervoltbordnetz oder auch Mittelvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt werden kann, direkt verbraucht werden kann und/oder in eine Energiespeichereinrichtung gespeichert werden kann.
Eine Steuerung der Öldiffusionspumpe 24 kann über einen eigenen, hier nicht dargestellten Controller erfolgen, der das Leistungskennfeld entsprechend dem jeweiligen Fahrprofil, Umweltdaten, wie zum Beispiel Luftdruck, Temperatur, und so weiter, Fahrzeugposition, und so weiter berechnet. Hierzu ist es zudem sehr vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug 10 ein voll vernetztes Fahrzeug 10 darstellt, welches also eine Online-Verbindung aufweist und auch diverse Umweltdaten über eine solche Online-Verbindung abrufen und nutzen kann.
Für den Betrieb in einer Brennstoffzelle kann zusätzlich ein Steuergerät für die Steuerung des Verdichters eingeführt werden beziehungsweise in den Brennstoffzellenregler integriert werden, der die Druckdifferenz als Berechnungsgröße für den benötigten Luftmassenstrom berechnet.
Zusätzlich ist es auch möglich, zur Speicherung des erzeugten Unterdrucks P2 einen Unterdruckbehälter im Fahrzeug 10 vorzusehen und einzubinden.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Kühlsystem mit Energierückgewinnungssystem in einem elektrifizierten Antriebssystem bereitgestellt werden kann, welches es ermöglicht, vor allem durch Silikonöl als Wärmeleitträger in Kombination mit einer Öldiffusionspumpe einen Teil der von zu kühlenden Komponenten abgeführten Wärme zurückzugewinnen und als nutzbare Energie bereitzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059943 A1 [0003]
DE 102018107139 A1 [0004]

Claims

Kühlanordnung (12) für ein Kraftfahrzeug (10) zum Kühlen zumindest einer Komponente (14, 16, 58) des Kraftfahrzeugs (10), wobei die Kühlanordnung (12) einen Kühlkreislauf (20) aufweist, der dazu ausgelegt ist, im Betrieb ein Kühlmittel (18) zum Aufnehmen von Wärme (W) von der zumindest einen zu kühlenden Komponente (14, 16, 58) zu führen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (12) eine Wärmekraftmaschine (24, 40) aufweist, die mit dem Kühlkreislauf (20) fluidisch gekoppelt ist und die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel (18) von der zumindest einen Komponente (14, 16, 58) aufgenommenen Wärme (W) in Arbeit (E) zu wandeln.
Kühlanordnung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (12) die zumindest eine zu kühlende Komponente (14, 16, 58) aufweist, die als eine elektrische Maschine (14), insbesondere als ein Antriebsmotor (14) des Kraftfahrzeugs (10), und/oder als Hochvoltbatterie (16) ausgebildet ist.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (12) das Kühlmittel (18) umfasst, welches ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel (18), insbesondere ein Silikonöl (18), darstellt.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (24, 40) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel (18) von der zumindest einen Komponente (14, 16, 58) aufgenommenen Wärme (W) durch Erzeugen eines Unterdrucks (P2) in Arbeit (E) zu wandeln.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (24, 40) eine Öldiffusionspumpe (24) umfasst.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (18) eine spezifische Verdampfungstemperatur aufweist, die unterhalb einer Grenztemperatur liegt, die der als E-maschine (14) ausgebildeten, zu kühlenden Komponente (14, 16, 58) zugeordnet ist.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (24, 40) einen Gasexpansionsmotor (40) aufweist, der dazu ausgelegt ist, unter Verwendung des Unterdrucks (P2) Arbeit zu verrichten, und insbesondere in elektrische Energie (E) zu wandeln.
Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (12) zumindest einen Bereich einer Karosserieoberfläche (54) des Kraftfahrzeugs (10) aufweist, wobei die Kühlanordnung (12) dazu ausgelegt ist, zumindest wenn der Bereich eine Temperatur oberhalb eines bestimmten Grenzwerts aufweist, Wärme (W) von dem Bereich zur Wärmekraftmaschine (24, 40) zu übertragen.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Kühlanordnung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen.
Verfahren zum Kühlen zumindest einer Komponente (14, 16, 58) eines Kraftfahrzeugs (10), wobei in einem Kühlkreislauf (20) im Betrieb ein Kühlmittel (18) geführt wird, das von der zu kühlenden Komponente (14, 16, 58) Wärme (W) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (12) eine Wärmekraftmaschine (24, 40) aufweist, die mit dem Kühlkreislauf (20) fluidisch gekoppelt ist und die zumindest einen Teil der durch das Kühlmittel (18) von der zumindest einen Komponente (14, 16, 58) aufgenommenen Wärme (W) in Arbeit wandelt.