DE102021204380A1 - Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges sowie Kraftfahrzeug mit einem Thermomanagementsystem - Google Patents

Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges sowie Kraftfahrzeug mit einem Thermomanagementsystem Download PDF

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Abstract

Um ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei dem die von einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs erzeugte Abwärme zur Heizung der Batterie genutzt werden kann, wird bei einem Thermomanagementsystem (100) für eine Batterie (11) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder eines batterieelektrischen Fahrzeugs oder eines Hybridelektrokraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Kühlmittelkreislauf (10), wobei der erste Kühlmittelkreislauf (10) eine Batterie (11), einen Chiller (12) und eine erste Pumpe (13) aufweist, und einen zweiten Kühlmittelkreislauf (14), wobei der zweite Kühlmittelkreislauf (14) einen Wärmeübertrager einer elektrischen Maschine (15), einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager (16) und eine zweite Pumpe (17) aufweist, wobei der erste Kühlmittelkreislauf (10) thermisch-fluidisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) über eine erste Zuleitung (28) und eine erste Rückleitung (29) koppelbar oder gekoppelt ist, vorgeschlagen, dass der erste Kühlmittelkreislauf (10) und der zweite Kühlmittelkreislauf (14) über eine Bypass-Leitung (21) für den Wasser-Luft-Wärmeübertrager (16) miteinander verbunden sind, wobei die Bypass-Leitung (21) einen Vorlauf (22) des Wärmeübertragers der elektrischen Maschine (15) und einen Rücklauf (23) der Batterie (11) miteinander verbindet, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf (14) eine Schaltvorrichtung (24, 24a) aufweist, welche ausgebildet ist einen Volumenstrom eines Kühlmittels von dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) über die Bypass-Leitung (21) in den ersten Kühlmittelkreislauf (10) zu leiten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges oder eines batterieelektrischen Fahrzeuges oder eines Hybridelektrokraftfahrzeuges, umfassend einen ersten Kühlmittelkreislauf, wobei der erste Kühlmittelkreislauf eine Batterie, einen Chiller und eine erste Pumpe aufweist, und einen zweiten Kühlmittelkreislauf, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf einen Wärmeübertrager einer elektrischen Maschine, einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager und eine zweite Pumpe aufweist, wobei der erste Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf über eine erste Zuleitung und eine erste Rückleitung koppelbar oder gekoppelt ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Thermomanagementsystem.
  • Aus der US 10,730,403 B2 ist ein Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug bekannt. Eine Einrichtung heizt ein Kühlmittel in einem Leistungselektronikkreislauf mittels Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und einer elektronischen Komponente auf, wenn eine Umgebungstemperatur unter einem Schwellenwert liegt, und wenn die Kühlmitteltemperatur niedriger als die Batterietemperatur ist. Die Einrichtung pumpt außerdem das Kühlmittel durch einen Batteriekreislauf, wenn die Kühlmitteltemperatur die Batterietemperatur übersteigt.
  • Die US 2019/0366800 A1 offenbart eine Wärmestrom-Management-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, welche einen Kältemittelkreislauf, einen Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und einen Heizleitungs-Wärmeträgerkreislauf umfasst. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Kompressor, einen Verflüssiger, ein Expansionselement, einen Umgebungswärmetauscher, einen Verdampfer und einen Kühler. Der Kühlmittelkreislauf des Antriebsstrangs umfasst eine Kühlmittelpumpe, den Kühler, einen Elektromotor-Wärmetauscher und einen Antriebsstrang-Kühlmittelkühler. Der Heizleitungs-Wärmeträgerkreislauf umfasst eine Kühlmittelpumpe, den Verflüssiger und einen Heizungswärmetauscher. Der Kältemittelkreislauf und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind direkt thermisch miteinander über die Kältemaschine gekoppelt. Der Kältemittelkreislauf und der Heizleitungs-Wärmeträgerkreislauf sind über den Verflüssiger direkt thermisch miteinander gekoppelt. Der Kühlmittelkreislauf des Antriebsstrangs und der Heizleitungs-Wärmeträgerkreislauf sind über den Kältemittelkreislauf nur indirekt thermisch miteinander gekoppelt.
  • Das Thermomanagement für Elektrofahrzeuge beziehungsweise batterieelektrische Fahrzeuge ist durch die verschiedenen Anforderungen und das notwendige Zusammenspiel von Kühlmittelkreislauf und Kältemittelkreislauf zunehmend komplex geworden. Diese Komplexität führt sowohl zu erhöhten Entwicklungsaufwänden als auch zu einer Vielzahl zusätzlicher Bauteile mit zusätzlichen Kosten und Gewicht. Insbesondere weisen bekannte Kühlmittelkreisläufe eine Vielzahl von Schalt- und Verbindungselementen auf. Die Vielzahl von Schalt- und Verbindungselementen macht die Steuerung der bekannten Thermomanagementsysteme aufwändig und erhöht die Herstellungskosten.
  • Ferner wird bei bekannten Thermomanagementsystemen die Abwärme der elektrischen Maschine meist ungenutzt an die Außenumgebung abgeführt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder eines batterieelektrischen Fahrzeugs oder eines Hybridelektrokraftfahrzeugs, bereitzustellen, welches eine vergleichsweise geringe Komplexität und verringerte Herstellungskosten aufweist, und bei dem die von einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs erzeugte Abwärme zur Heizung der Batterie genutzt werden kann.
  • Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder eines batterieelektrischen Fahrzeugs oder eines Hybridelektrokraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Kühlmittelkreislauf, wobei der erste Kühlmittelkreislauf eine Batterie, einen Chiller und eine erste Pumpe aufweist, und einen zweiten Kühlmittelkreislauf, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf einen Wärmeübertrager einer elektrischen Maschine, einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager und eine zweite Pumpe aufweist, wobei der erste Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf über eine erste Zuleitung und eine erste Rückleitung koppelbar oder gekoppelt ist, vorgeschlagen, wobei ferner vorgesehen ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf über eine Bypass-Leitung für den Wasser-Luft-Wärmeübertrager miteinander verbunden sind, wobei die Bypass-Leitung einen Vorlauf des Wärmeübertragers der elektrischen Maschine und einen Rücklauf der Batterie miteinander verbindet, und wobei der zweite Kühlmittelkreislauf eine Schaltvorrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, einen Volumenstrom eines Kühlmittels von dem zweiten Kühlmittelkreislauf über die Bypass-Leitung in den ersten Kühlmittelkreislauf zu leiten.
  • Anstatt der Bezeichnung „Chiller“ können auch die Bezeichnungen „Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager“ oder „Kältemaschine“ verwendet werden.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf und/oder der zweite Kühlmittelkreislauf können ein Kühlmittel oder eine Kühlflüssigkeit beinhalten. Beispielsweise kann das Kühlmittel Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung oder ein anderes geeignetes Kühlmittel sein. Da mittels des Kühlmittels thermische Energie transportiert wird, können der erste Kühlmittelkreislauf und/oder der zweite Kühlmittelkreislauf auch in einem Heizmodus betrieben werden.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf dient der Kühlung oder Heizung der Batterie. Der zweite Kühlmittelkreislauf ist zur Kühlung der elektrischen Maschine vorgesehen.
  • Der Wasser-Luft-Wärmeübertrager des zweiten Kühlmittelkreislaufes dient bevorzugt dazu, Abwärme der elektrischen Maschine oder weiterer elektronischer Komponenten des Kraftfahrzeugs an die Außenumgebung des Kraftfahrzeugs abzuführen. Der Wasser-Luft-Wärmeübertrager kann auch als Niedrigtemperaturkühler bezeichnet werden. Für die Übertragung der Abwärme von der elektrischen Maschine auf das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf weist dieser einen Wärmeübertrager auf.
  • Entsprechend weist auch die Batterie einen Wärmeübertrager auf, über welchen Wärme von der Batterie auf das im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel übertragen werden kann, und/oder über welchen Wärme von dem im ersten Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel auf die Batterie übertragen werden kann.
  • Unter einer thermisch-fluidischen Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufes und des zweiten Kühlmittelkreislaufes wird eine Kopplung der Kühlmittelkreisläufe verstanden, bei der eine Übertragung thermischer Energie zwischen den Kühlmittelkreisläufen erfolgt, indem ein Fluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlmittel, von einem Kühlmittelkreislauf auf den anderen Kühlmittelkreislauf übertragen wird.
  • Über die erste Zuleitung und die erste Rückleitung zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf kann das Kühl- oder Kältemittel, gegebenenfalls abhängig von dem Schaltzustand eines Schaltmittels, zwischen den beiden Kühlmittelkreisläufen ausgetauscht werden. Über die erste Zuleitung kann Kühlmittel vom ersten Kühlmittelkreislauf in den zweiten Kühlmittelkreislauf übertragen werden. Über die erste Rückleitung kann Kühlmittel vom zweiten Kühlmittelkreislauf in den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen werden
  • Im Folgenden wird unter einem Vorlauf stets jener Kühlmittelstrang verstanden, welcher an der jeweiligen Austrittsseite des entsprechenden Bestandteils des Thermomanagementsystems angeordnet ist. So ist der Vorlauf der elektrischen Maschine jener Kühlmittelstrang des zweiten Kühlmittelkreislaufs, mit welchem das durch die Abwärme der elektrischen Maschine erwärmte Kühlmittel abgeführt wird. Der Rücklauf ist stets jener Kühlmittelstrang, welcher an der Eintrittsseite des entsprechenden Bestandteils des Thermomanagementsystems angeordnet ist. Somit ist der Rücklauf der Batterie jener Kühlmittelstrang des ersten Kühlmittelkreislaufes, durch welchen das Kühlmittel der Batterie beziehungsweise dem Wärmeübertrager der Batterie zugeführt wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf über eine Bypass-Leitung für den Wasser-Luft-Wärmeübertrager miteinander verbunden sind. Dabei ist die Bypass-Leitung derart in dem Thermomanagementsystem angeordnet, dass das Kühlmittel an dem Wasser-Luft-Wärmeübertrager des zweiten Kühlmittelkreislaufes vorbeigeleitet werden kann. Die Bypass-Leitung verbindet einen Vorlauf des Wärmeübertragers der elektrischen Maschine mit einem Rücklauf der Batterie beziehungsweise des Wärmeübertragers der Batterie.
  • Durch die Anordnung der Bypass-Leitung zwischen dem Vorlauf des Wärmeübertragers der elektrischen Maschine und dem Rücklauf der Batterie kann Abwärme, welche durch den Betrieb der elektrischen Maschine entsteht, auf den ersten Kühlmittelkreislauf, in welchem die Batterie des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, übertragen werden. Zu diesem Zweck ist eine Schaltvorrichtung im zweiten Kühlmittelkreislauf vorgesehen, mittels welcher bei entsprechender Schaltung ein Volumenstrom des Kühlmittels von dem zweiten Kühlmittelkreislauf über die Bypass-Leitung in den ersten Kühlmittelkreislauf geleitet werden kann.
  • Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung ein, bevorzugt erstes, Vier-Wege-Ventil aufweist, oder dass die Schaltvorrichtung ein Umschaltventil und/oder ein Thermostatventil aufweist.
  • Eine Ausgestaltung der Schaltvorrichtung als oder umfassend ein Vier-Wege-Ventil ist von besonderem Vorteil, da mit einem Vier-Wege-Ventil eine Vielzahl von Schaltmöglichkeiten realisiert werden können und somit die Komplexität des Thermomanagementsystems verringert werden kann.
  • Weiter bevorzugt kann zusätzlich ein zweiter Bypass vorgesehen sein, welcher einen Rücklauf und einen Vorlauf des Luft-Wasser-Wärmeübertragers miteinander verbindet, sodass das Kühlmittel innerhalb des zweiten Kühlmittelkreislaufes an dem Luft-Wasser-Wärmeübertrager vorbeigeführt werden kann. Die Verwendung eines Vier-Wege-Ventils als Schaltvorrichtung ist in diesem Fall besonders vorteilhaft. An einem Eingang des Vier-Wege-Ventils kann der Vorlauf der elektrischen Maschine angeschlossen sein, an einem ersten Ausgang des Vier-Wege-Ventils kann der Rücklauf des Wasser-Luft-Wärmeübertragers angeschlossen sein, an einem zweiten Ausgang kann die Bypass-Leitung zu dem ersten Kühlmittelkreislauf und an einem dritten Ausgang kann der Bypass des zweiten Kühlmittelkreislaufes angeschlossen sein. Mit einem Vier-Wege-Ventil kann somit eine einfache Schaltvorrichtung für die Volumenströme des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf sowie zwischen dem zweiten und dem ersten Kühlmittelkreislauf bereitgestellt werden.
  • Alternativ kann auch ein Umschaltventil oder ein Thermostatventil oder eine Kombination aus Umschaltventil und Thermostatventil als Schaltvorrichtung vorgesehen sein. So kann ein Umschaltventil im Vorlauf der elektrischen Maschine angeordnet und mit einem ersten Ausgang an dem Rücklauf des Thermostatventils und mit einem zweiten Ausgang an die Bypass-Leitung angeschlossen sein. Ein erster Ausgang des Thermostatventils kann wiederum an dem Rücklauf des Wasser-Luft-Wärmeübertragers angeschlossen sein, und an dem zweiten Ausgang des Thermostatventils kann der Bypass im zweiten Kühlmittelkreislauf angeschlossen sein.
  • Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass in einem Vorlauf des Chillers ein Rückschlagventil angeordnet ist, wobei bevorzugt die Bypass-Leitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Rücklauf der Batterie mit dem ersten Kühlmittelkreislauf verbunden ist.
  • Durch das Rückschlagventil wird verhindert, dass über die Bypass-Leitung von dem zweiten Kühlmittelkreislauf auf den ersten Kühlmittelkreislauf übertragenes Kühlmittel in den Chiller strömt. Mit anderen Worten wird der Volumenstrom des Kühlmittels aus der Bypass-Leitung in Richtung des Rücklaufes der Batterie gezwungen.
  • Es wird daher möglich, Abwärme der elektrischen Maschine über die Bypass-Leitung dem Rücklauf der Batterie und somit der Batterie beziehungsweise dem Wärmeübertrager der Batterie zuzuführen, um die Batterie zu erwärmen.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass durch Schaltung der Schaltvorrichtung und durch Ansteuerung der ersten Pumpe und der zweiten Pumpe der Volumenstrom des Kühlmittels zur Kühlung oder zur Heizung der Batterie gesteuert werden kann.
  • Die erste Pumpe bestimmt den Volumenstrom des Kühlmittels durch die Batterie. Die zweite Pumpe bestimmt den Volumenstrom des Kühlmittels durch die elektrische Maschine. Das Kühlmittel kann über die erste Zuleitung von dem ersten Kühlmittelkreislauf zu dem zweiten Kühlmittelkreislauf geleitet werden. Eine Rückführung eines Volumenstroms oder eines Teilvolumenstroms des Kühlmittels in den ersten Kühlmittelkreislauf kann bei entsprechender Schaltung der Schaltvorrichtung über die Bypass-Leitung erfolgen. Wird bei geöffneter Bypass-Leitung die erste Pumpe mit einer hohen Leistung und die zweite Pumpe mit einer geringen Leistung betrieben, so ist der durch die Batterie geförderte Volumenstrom des Kühlmittels größer als der durch die elektrische Maschine geförderte Volumenstrom des Kühlmittels. Dies hat zur Folge, dass der Großteil des durch die Batterie geführten Kühlmittels aus dem Chiller des ersten Kühlmittelkreislaufs stammt, so dass die Batterie gekühlt wird. Somit kann durch Einstellung der Leistung der ersten Pumpe und der zweiten Pumpe die Batterie gekühlt werden. Wird die zweite Pumpe im zweiten Kühlmittelkreislauf mit voller Leistung betrieben, so wird ein großer Volumenstrom des Kühlmittels über die Bypass-Leitung in den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen. Durch die von dem Kühlmittel aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf übertragene Abwärme der elektrischen Maschine kann dann eine Heizung oder Erwärmung der Batterie im ersten Kühlmittelkreislauf erfolgen.
  • Mit weiterem Vorteil kann ein dritter Kühlmittelkreislauf vorgesehen sein, wobei der dritte Kühlmittelkreislauf einen Zuheizer, einen Heizwärmetauscher und eine dritte Pumpe aufweist, wobei zudem vorgesehen ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch über eine zweite Zuleitung und eine zweite Rückleitung mit dem dritten Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist oder koppelbar ist.
  • Der dritte Kühlmittelkreislauf dient insbesondere zur Kühlung oder zur Heizung eines Fahrzeuginnenraumes.
  • Über die zweite Zuleitung kann Kühlmittel vom ersten Kühlmittelkreislauf in den dritten Kühlmittelkreislauf übertragen werden. Über die zweite Rückleitung kann Kühlmittel vom dritten Kühlmittelkreislauf in den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen werden
  • Ferner kann ein Schaltmittel, insbesondere ein zweites Vier-Wege-Ventil, vorgesehen sein, wobei der erste Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch wahlweise mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf und/oder oder dritten Kühlmittelkreislauf durch Schaltung des Schaltmittels, insbesondere des Vier-Wege-Ventils, koppelbar oder gekoppelt ist.
  • Das Schaltmittel, insbesondere das zweite Vier-Wege-Ventil, ist bevorzugt zwischen der ersten Rückleitung zwischen dem zweiten Kühlmittelkreislauf und dem ersten Kühlmittelkreislauf, dem Vorlauf des Chillers, dem Rücklauf der Batterie sowie der zweiten Zuleitung zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem dritten Kühlmittelkreislauf angeordnet. Mittels des Schaltmittels kann der erste Kühlmittelkreislauf wahlweise thermisch-fluidisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf und/oder mit dem dritten Kühlmittelkreislauf durch eine entsprechende Schalteinstellung gekoppelt werden.
  • Bevorzugt bedeutet dies, dass mindestens die folgenden Konfigurationen durch Schaltung des Schaltmittels hergestellt werden können:
    • - der erste Kühlmittelkreislauf ist weder mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf noch mit dem dritten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch gekoppelt,
    • - der erste Kühlmittelkreislauf ist nur mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt und
    • - der erste Kühlmittelkreislauf ist nur mit dem dritten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch gekoppelt.
  • Bevorzugt kann gegebenenfalls auch die folgende Konfiguration erhalten werden:
    • - der erste Kühlmittelkreislauf ist gleichzeitig mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf und mit dem dritten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch gekoppelt.
  • Bevorzugt können alternativ zu oder in Kombination mit der über die Bypass-Leitung ermöglichten Kühlung oder Heizung der Batterie weitere Kühl- beziehungsweise Heizmodi für die Batterie und/oder für den Fahrzeuginnenraum durch die Schaltung des Schaltmittels, insbesondere des zweiten Vier-Wege-Ventils, und die damit erzielte Kopplung oder Trennung der Kühlmittelkreisläufe realisiert werden.
  • Mit weiterem Vorteil ist vorgesehen, dass das Thermomanagementsystem eine Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit zur Steuerung der Schaltvorrichtung, insbesondere des erstens Vier-Wege-Ventils, und/oder zur Steuerung des Schaltmittels, insbesondere des zweiten Vier-Wege-Ventils, und/oder der ersten Pumpe und/oder der zweiten Pumpe und/oder der dritten Pumpe ausgebildet ist.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schaltmittel, insbesondere das zweite Vier-Wege-Ventil, in einem ersten Kühlmodus für die Batterie derart schaltbar ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf von dem zweiten Kühlmittelkreislauf und von dem dritten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch getrennt ist.
  • Insbesondere erfolgt über das Schaltmittel somit kein Austausch eines Kühlfluides, beispielsweise eines Kühlmittels, zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf und dem dritten Kühlmittelkreislauf. Es kann gegebenenfalls je nach Schaltung der Schaltvorrichtung jedoch über die Bypass-Leitung Kühlmittel von dem zweiten Kühlmittelkreislauf auf den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen werden.
  • Das Kühlmittel für die Kühlung der Batterie wird im ersten Kühlmittelkreislauf durch den Chiller und die Batterie mittels der ersten Pumpe gefördert. Die Kühlleistung für die Batterie wird im ersten Kühlmodus von dem Chiller zur Verfügung gestellt. In einer Variante des ersten Kühlmodus kann vorgesehen sein, dass zur Einstellung der Kühlleistung über die Bypass-Leitung ein Volumenstrom des Kühlmittels von dem zweiten Kühlmittelkreislauf auf den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen wird.
  • Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Schaltmittel, insbesondere das zweite Vier-Wege-Ventil, in einem zweiten Kühlmodus für die Batterie derart schaltbar ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf von dem dritten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch getrennt ist und mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch gekoppelt ist.
  • Mit anderen Worten findet im zweiten Kühlmodus zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem dritten Kühlmittelkreislauf, das heißt insbesondere zwischen dem Kühlmittelkreislauf für die Batterie und dem Kühlmittelkreislauf für den Innenraum des Fahrzeugs, kein Austausch eines Kühlfluides, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit oder eines Kühlmittels, statt.
  • Jedoch findet im zweiten Kühlmodus zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf ein Austausch eines Kühlfluides über das Schaltmittel, insbesondere das zweite Vier-Wege-Ventil, statt.
  • In dem zweiten Kühlmodus wird die von der Batterie abgegebene thermische Energie zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, über den zweiten Kühlmittelkreislauf und den im zweiten Kühlmittelkreislauf angeordneten Wasser-Luft-Wärmeübertrager an die Außenumgebung abgeführt.
  • Der zweite Kühlmodus ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Außenumgebung eine niedrige Temperatur aufweist, sodass eine aktive Kühlung der Batterie im ersten Kühlmittelkreislauf durch den Chiller nicht notwendig ist. Bevorzugt wird daher im zweiten Kühlmodus der Chiller nicht betrieben beziehungsweise stellt keine Kühlleistung zur Verfügung.
  • Auch im zweiten Kühlmodus kann durch entsprechende Schaltung der Schaltvorrichtung ein Teil des Kühlmittels durch die Bypass-Leitung von dem zweiten Kühlmittelkreislauf auf den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen werden. Das Kühlmittel kann somit gleichzeitig über die erste Rückleitung und über die Bypass-Leitung von dem zweiten Kühlmittelkreislauf in den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass das Schaltmittel, insbesondere das zweite Vier-Wege-Ventil, in einem Heizmodus für die Batterie derart schaltbar ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf mit dem dritten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch gekoppelt ist und von dem zweiten Kühlmittelkreislauf thermisch-fluidisch getrennt ist.
  • In dem Heizmodus kann somit über die thermisch-fluidische Kopplung des dritten Kühlmittelkreislaufes mit dem ersten Kühlmittelkreislauf thermische Energie von dem Zuheizer des dritten Kühlmittelkreislaufes der Batterie in dem ersten Kühlmittelkreislauf zugeführt werden. Auch in dem Heizmodus kann in einer Variante über die Bypass-Leitung ein Volumenstrom des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf auf den ersten Kühlmittelkreislauf übertragen werden.
  • Die elektrische Maschine und/oder die Leistungselektronik für den Antrieb des Kraftfahrzeuges im zweiten Kühlmittelkreislauf können zeitgleich, bevorzugt passiv, über den Wasser-Luft-Wärmeübertrager im zweiten Kühlmittelkreislauf gekühlt werden.
  • Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass im ersten Kühlmodus, im zweiten Kühlmodus und/oder im Heizmodus beziehungsweise in den Varianten mit der Übertragung des Kühlmittels durch die Bypass-Leitung, gleichzeitig eine Beheizung, weiter bevorzugt eine Klimatisierung, eines Fahrzeuginnenraums mittels des Heizwärmetauschers im dritten Kühlmittelkreislauf erfolgt.
  • Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der beigefügten Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer Bypass-Leitung und einem Vier-Wege-Ventil,
    • 2 ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer Bypass-Leitung und einer Kombination aus einem Umschaltventil und einem Thermostatventil, und
    • 3 ein Thermomanagementsystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit drei Kühlmittelkreisläufen.
  • 1 zeigt ein Thermomanagementsystem 100 für eine Batterie 11 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt ein Elektrofahrzeug, batterieelektrisches Fahrzeug oder Hybridelektrokraftfahrzeug. Das Thermomanagementsystem 100 umfasst einen ersten Kühlmittelkreislauf 10, wobei der erste Kühlmittelkreislauf 10 eine Batterie 11, einen Chiller 12 und eine erste Pumpe 13 aufweist. Das Thermomanagementsystem 100 umfasst ferner einen zweiten Kühlmittelkreislauf 14, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf 14 eine elektrische Maschine 15 mit einem nicht näher dargestellten Wärmeübertrager, einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager 16, und eine zweite Pumpe 17 aufweist. Der Wasser-Luft-Wärmeübertrager 16 kann auch als Niedrigtemperaturkühler bezeichnet werden. Im zweiten Kühlmittelkreislauf 14 können ferner eine Leistungselektronik 18 sowie weitere Abwärmequellen 19 angeordnet sein. Im ersten Kühlmittelkreislauf 10 und im zweiten Kühlmittelkreislauf 14 sind Temperatursensoren 20 zur Messung der Temperatur eines Kühlmittels vorgesehen.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf 10 und der zweite Kühlmittelkreislauf 14 sind über eine Bypass-Leitung 21 für den Wasser-Luft-Wärmeübertrager 16 miteinander verbunden, wobei die Bypass-Leitung 21 einen Vorlauf 22 des Wärmeübertragers der elektrischen Maschine 15 und einen Rücklauf 23 der Batterie 11 miteinander verbindet. Ferner umfasst der zweite Kühlmittelkreislauf 14 eine Schaltvorrichtung 24, welche als ein erstes Vier-Wege-Ventil 24a ausgebildet ist. Die Schaltvorrichtung 24 ist eingerichtet, einen Volumenstrom eines Kühlmittels von dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 über die Bypass-Leitung 21 in den ersten Kühlmittelkreislauf 10 zu leiten. Der zweite Kühlmittelkreislauf 14 umfasst zudem einen zweiten Bypass 25 für den Wasser-Luft-Wärmeübertrager. Im Vorlauf 26 des Chillers 12 ist ein Rückschlagventil 27 angeordnet. Die Bypass-Leitung 21 endet zwischen dem Rückschlagventil 27 und dem Rücklauf 23 der Batterie 11.
  • Über eine erste Zuleitung 28 und eine erste Rückleitung 29 sind der erste Kühlmittelkreislauf 10 und der zweite Kühlmittelkreislauf 14 miteinander thermisch-fluidisch koppelbar. Zur Regelung der Kopplung ist ein Schaltmittel 30 vorgesehen, mittels dem der Rückfluss des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 über die erste Rückleitung 29 in den ersten Kühlmittelkreislauf 10 geregelt werden kann.
  • Durch Schaltung der Schaltvorrichtung 24, insbesondere des ersten Vier-Wege-Ventils 24a, und durch Ansteuerung der ersten Pumpe 13 und der zweiten Pumpe 17 kann der Volumenstrom des Kühlmittels zur Kühlung oder Heizung der Batterie 11 gesteuert werden. Wird beispielsweise die zweite Pumpe 17 mit einer niedrigen Leistung und die erste Pumpe 13 mit einer hohen Leistung betrieben, so wird ein Großteil des durch die Batterie 11 strömenden Kühlmittels durch den Chiller 12 geführt, sodass eine Kühlung der Batterie 11 erfolgt. Wird die zweite Pumpe 17 im zweiten Kühlmittelkreislauf 14 mit einer hohen Leistung betrieben, sodass ein hoher Volumenstrom des Kühlmittels durch die elektrische Maschine 15 gefördert wird, so wird ein größerer Volumenstrom des Kühlmittels über die Bypass-Leitung 21 bei entsprechender Schaltung der Schaltvorrichtung 24 in den ersten Kühlmittelkreislauf 10 übertragen. Aufgrund des im ersten Kühlmittelkreislauf 10 angeordneten Rückschlagventils 27 kann das von dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 übertragene Kühlmittel nicht zurück durch den Chiller 12 fließen. Das Kühlmittel strömt daher durch die Batterie 11 und die in dem Kühlmittel enthaltene Wärme aus der elektrischen Maschine 15 kann zur Heizung der Batterie 11 genutzt werden.
  • 2 zeigt eine Variante des Thermomanagementsystems 100 nach 1, wobei die Schaltvorrichtung 24 anstelle eines Vier-Wege-Ventils 24a ein Umschaltventil 31 sowie ein Thermostatventil 32 aufweist. Darüber hinaus ist das Thermomanagementsystem 100 der 2 identisch vom Aufbau und der Funktion zu dem Thermomanagementsystem 100 der 1.
  • 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Thermomanagementsystems 100. Das Thermomanagementsystem 100 weist wie die Varianten der 1 und 2 einen ersten Kühlmittelkreislauf 10 und einen zweiten Kühlmittelkreislauf 14 auf, welche über eine erste Zuleitung 28, eine erste Rückleitung 29 und eine mittels einer Schaltvorrichtung 24 regelbare Bypass-Leitung 21 thermisch-fluidisch miteinander gekoppelt sind.
  • Zusätzlich ist in der Ausgestaltung des Thermomanagementsystems 100 der 3 ein dritter Kühlmittelkreislauf 33 vorgesehen, wobei der dritte Kühlmittelkreislauf 33 einen Zuheizer 34, einen Heizwärmetauscher 35 und eine dritte Pumpe 36 aufweist. Der dritte Kühlmittelkreislauf 33 umfasst ferner Temperatursensoren 20. Der dritte Kühlmittelkreislauf dient der Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums. Der dritte Kühlmittelkreislauf ist über eine zweite Zuleitung 37 und eine zweite Rückleitung 38 mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 10 verbunden. Das Schaltmittel 30 ist in der Ausgestaltung nach 3 als ein zweites Vier-Wege-Ventil 30a ausgebildet. Durch entsprechende Schaltung des Schaltmittels 30 kann der erste Kühlmittelkreislauf 10 wahlweise mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 und/oder dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 thermisch-fluidisch gekoppelt werden.
  • Das Thermomanagementsystem 100 kann durch Schaltung des zweiten Vier-Wege-Ventils 30a in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. Beispielsweise kann in einem ersten Kühlmodus für die Batterie 11 das zweite Vier-Wege-Ventil 30a derart geschaltet werden, dass der erste Kühlmittelkreislauf 10 von dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 und von dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 thermisch-fluidisch über das zweite Vier-Wege-Ventil 30a getrennt ist. Dabei kann jedoch wahlweise wie vorstehend erläutert eine thermisch-fluidische Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufes 10 und des zweiten Kühlmittelkreislaufes 14 über die Bypass-Leitung 21 bestehen.
  • Die Kühlung der Batterie 11 im ersten Kühlmittelkreislauf 10 erfolgt dann über den Chiller 12.
  • Da der erste Kühlmittelkreislauf 10 von dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 und dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 im ersten Kühlmodus thermisch-fluidisch getrennt ist, können durch Betrieb der zweiten Pumpe 17 und der dritten Pumpe 36 separat Kühlmittelströme zur Kühlung der elektrischen Maschine 15 im zweiten Kühlmittelkreislauf 14 beziehungsweise zur Beheizung des Fahrgastraumes des Kraftfahrzeugs über den Heizwärmetauscher 35 im dritten Kühlmittelkreislauf 33 angetrieben werden.
  • In einem zweiten Kühlmodus für die Batterie 11 wird das zweite Vier-Wege-Ventil 30a derart geschaltet, dass der erste Kühlmittelkreislauf 10 von dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 thermisch-fluidisch getrennt ist und mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 thermisch-fluidisch gekoppelt ist. Dabei kann wahlweise ebenfalls wie vorstehend erläutert eine weitere thermisch-fluidische Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufes 10 und des zweiten Kühlmittelkreislaufes 14 über die Bypass-Leitung 21 vorliegen. Da kein Kühlmittel von dem ersten Kühlmittelkreislauf 10 in den dritten Kühlmittelkreislauf 33 über die zweite Zuleitung 37 fließen kann, fließt auch kein Kühlmittel von dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 über die Rückleitung 38 in den ersten Kühlmittelkreislauf 10. Das von der Batterie 11 erwärmte Kühlmittel fließt somit durch die Zuleitung 28 vom ersten Kühlmittelkreislauf 10 in den zweiten Kühlmittelkreislauf 14 und gibt die Wärme über den Wasser-Luft-Wärmeübertrager 16 an die Außenumgebung ab. Über die Rückleitung 29 vom zweiten Kühlmittelkreislauf 14 in den ersten Kühlmittelkreislauf 10 und/oder über die Bypass-Leitung 21 wird das Kühlmittel zurück in den ersten Kühlmittelkreislauf 10 geführt. Im zweiten Kühlmodus wird der Chiller 12 vorzugsweise nicht betrieben. Ferner kann parallel der dritte Kühlmittelkreislauf 33 zur Beheizung des Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs betrieben werden.
  • In einem Heizmodus für die Batterie 11 wird das zweite Vier-Wege-Ventil 30a derart geschaltet, dass der erste Kühlmittelkreislauf 10 mit dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 thermisch-fluidisch gekoppelt ist und von dem zweiten Kühlmittelkreislauf 14 über das zweite Vier-Wege-Ventil 30a thermisch-fluidisch getrennt ist. Dabei kann jedoch wahlweise wie vorstehend erläutert eine thermisch-fluidische Kopplung des ersten Kühlmittelkreislaufes 10 und des zweiten Kühlmittelkreislaufes 14 über die Bypass-Leitung 21 bestehen.
  • In dem Heizmodus wird durch Regelung der Leistung der ersten Pumpe 13 im ersten Kühlmittelkreislauf 10 ein gewünschter Volumenstrom eines Kühlmittels über die Batterie 11 eingestellt. Durch das zweite Vier-Wege-Ventil 30a wird eine Volumenstromaufteilung für das Kühlmittel zwischen dem ersten Kühlmittelkreislauf 10 und dem dritten Kühlmittelkreislauf 33 vorgenommen. Hierdurch wird die Menge des vom dritten Kühlmittelkreislauf 33 in den ersten Kühlmittelkreislauf 10 durch die Rückleitung 37 strömende, vom Zuheizer 34 erhitzte Kühlmittel geregelt, und durch die Vermischung mit dem aus dem Chiller 12 kommenden Kühlmittel die Temperatur des durch die Batterie 11 strömenden Kühlmittels eingestellt. Ferner kann parallel der Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs über den Heizwärmetauscher 35 beheizt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Thermomanagementsystem
    10
    Erster Kühlmittelkreislauf
    11
    Batterie
    12
    Chiller
    13
    Erste Pumpe
    14
    Zweiter Kühlmittelkreislauf
    15
    Elektrische Maschine
    16
    Wasser-Luft-Wärmeübertrager
    17
    Zweite Pumpe
    18
    Leistungselektronik
    19
    Abwärmequelle
    20
    Temperatursensor
    21
    Bypass-Leitung
    22
    Vorlauf
    23
    Rücklauf
    24
    Schaltvorrichtung
    24a
    Erstes Vier-Wege-Ventil
    25
    Zweiter Bypass
    26
    Vorlauf
    27
    Rückschlagventil
    28
    Erste Zuleitung
    29
    Erste Rückleitung
    30
    Schaltmittel
    30a
    Zweites Vier-Wege-Ventil
    31
    Umschaltventil
    32
    Thermostatventil
    33
    Dritter Kühlmittelkreislauf
    34
    Zuheizer
    35
    Heizwärmetauscher
    36
    Dritte Pumpe
    37
    Zweite Zuleitung
    38
    Zweite Rückleitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 10730403 B2 [0002]
    • US 2019/0366800 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Thermomanagementsystem (100) für eine Batterie (11) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder eines batterieelektrischen Fahrzeugs oder eines Hybridelektrokraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Kühlmittelkreislauf (10), wobei der erste Kühlmittelkreislauf (10) eine Batterie (11), einen Chiller (12) und eine erste Pumpe (13) aufweist, und einen zweiten Kühlmittelkreislauf (14), wobei der zweite Kühlmittelkreislauf (14) einen Wärmeübertrager einer elektrischen Maschine (15), einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager (16) und eine zweite Pumpe (17) aufweist, wobei der erste Kühlmittelkreislauf (10) thermisch-fluidisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) über eine erste Zuleitung (28) und eine erste Rückleitung (29) koppelbar oder gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkreislauf (10) und der zweite Kühlmittelkreislauf (14) über eine Bypass-Leitung (21) für den Wasser-Luft-Wärmeübertrager (16) miteinander verbunden sind, wobei die Bypass-Leitung (21) einen Vorlauf (22) des Wärmeübertragers der elektrischen Maschine (15) und einen Rücklauf (23) der Batterie (11) miteinander verbindet, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf (14) eine Schaltvorrichtung (24, 24a) aufweist, welche ausgebildet ist einen Volumenstrom eines Kühlmittels von dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) über die Bypass-Leitung (21) in den ersten Kühlmittelkreislauf (10) zu leiten.
  2. Thermomanagementsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (24, 24a) ein, bevorzugt erstes, Vier-Wege-Ventil (24a) aufweist, oder dass die Schaltvorrichtung (24) ein Umschaltventil (31) und/oder ein Thermostatventil (32) aufweist.
  3. Thermomanagementsystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorlauf (26) des Chillers (12) ein Rückschlagventil (27) angeordnet ist, wobei bevorzugt die Bypass-Leitung (21) zwischen dem Rückschlagventil (27) und dem Rücklauf (23) der Batterie (11) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf (10) verbunden ist.
  4. Thermomanagementsystem (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schaltung der Schaltvorrichtung (24, 24a) und durch Ansteuerung der ersten Pumpe (13) und der zweiten Pumpe (17) der Volumenstrom des Kühlmittels zur Kühlung oder Heizung der Batterie (11) gesteuert werden kann.
  5. Thermomanagementsystem (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Kühlmittelkreislauf (33) vorgesehen ist, wobei der dritte Kühlmittelkreislauf (33) einen Zuheizer (34), einen Heizwärmetauscher (35) und eine dritte Pumpe (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkreislauf (10) thermisch-fluidisch über eine zweite Zuleitung (37) und eine zweite Rückleitung (38) mit dem dritten Kühlmittelkreislauf (33) koppelbar ist.
  6. Thermomanagementsystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltmittel (30), bevorzugt ein zweites Vier-Wege-Ventil (30a), vorgesehen ist, wobei der erste Kühlmittelkreislauf (10) thermisch-fluidisch wahlweise mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) und/oder dem dritten Kühlmittelkreislauf (33) durch Schaltung des Schaltmittels (30) koppelbar ist.
  7. Thermomanagementsystem (100) Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (30) in einem ersten Kühlmodus für die Batterie (11) derart schaltbar ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf (10) von dem dritten Kühlmittelkreislauf (33) und von dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) thermisch-fluidisch getrennt ist.
  8. Thermomanagementsystem (100) nach einem der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (30) in einem zweiten Kühlmodus für die Batterie (11) derart schaltbar ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf (10) von dem dritten Kühlmittelkreislauf (33) thermisch-fluidisch getrennt ist und mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) thermisch-fluidisch gekoppelt ist.
  9. Thermomanagementsystem (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (30) in einem Heizmodus für die Batterie (11) derart schaltbar ist, dass der erste Kühlmittelkreislauf (10) mit dem dritten Kühlmittelkreislauf (33) thermisch-fluidisch gekoppelt ist und von dem zweiten Kühlmittelkreislauf (14) thermisch-fluidisch getrennt ist.
  10. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder batterieelektrisches Fahrzeug oder Hybridelektrokraftfahrzeug, mit einem Thermomanagementsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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