-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs sowie ein Kühlsystem.
-
Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen mit ausschließlich elektrischem Antrieb weist den Fokus der Reichweite und der Effizienz beim Umgang mit jeglicher Form von Energie auf. Komponenten wie die E-Maschine müssen gekühlt werden. Andere Bauteile, wie Traktionsbatterien, müssen thermisch konditioniert werden. Je nach Betriebsart wird Energie zugeführt oder abgeführt. Energie, die nicht für den Vortrieb verwendet wird, reduziert die Reichweite des Fahrzeuges.
-
Elektrofahrzeuge bzw. BEVs werden üblicherweise an Steckdosen bzw. sogenannten Wallboxen geladen. Bei Langstreckenfahrten eignet sich das DC-Laden. Durch die höhere mögliche Ladeleistung von ≥ 50-350kW können die Ladezeiten verkürzt werden. Beim DC-Laden beträgt die Ladezeit, je nach Batteriekapazität, zwischen 5 min und 60 min. Je nach Gegebenheiten (Autohof, Parkplatz) kann der Nutzer im Auto sitzen bleiben und ein fahrzeugseitiges Unterhaltungsangebot, wie beispielsweise Videos schauen, nutzen. Alternativ kann der Nutzer des Elektrofahrzeugs ein fahrzeugexternes Angebot, beispielsweise in Form eines Restaurants, während der Ladezeit in Anspruch nehmen.
-
Der Strom wird direkt über die Ladeinfrastruktur in die Traktionsbatterie geführt. Beim DC-Ladevorgang fällt ca. 5% der Ladeleistung in Form von Abwärme an. Dies entspricht einer Abwärmeleistung von 5 kW bei einem DC-Ladevorgang mit einer Ladeleistung von 100 kW.
-
Während des Ladevorganges kann der Fahrzeuginnenraum je nach Umgebungstemperatur auskühlen. Bei der Weiterfahrt wird der Fahrzeuginnenraum mit der Energie aus der Traktionsbatterie geheizt, wodurch die Reichweite sinkt. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen mangelt es den Elektrofahrzeugen an Heizleistung für den Komfort im Fahrzeuginnenraum. In der Regel wird die Heizleistung über elektrische Quellen realisiert. Dieser Weg geht zu Lasten der Ladeleistung (während des Ladevorganges) oder zu Lasten der Reichweite.
-
Aus der
DE 10 2017 220 376 A1 ist ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Chiller stromabwärts von einer potenziellen Wärmequelle angeordnet ist, um die Abwärme der Wärmequelle in den Kältemittelkreislauf zu übertragen und eine höhere Kühlleistung bereitstellen zu können.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum effizienteren Betreiben eines Kühlsystems von Elektrofahrzeugen zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs bereitgestellt. Bei einem Ladevorgang anfallende Verlustwärme einer fahrzeugseitigen Ladeeinheit wird in einen Kühlmittelkreis übertragen. Dies erfolgt beispielweise durch einen Kühlkörper, welcher an den Kühlmittelkreis angeschlossen ist.
-
Die in den Kühlmittelkreis übertragene Verlustwärme wird während des Ladevorgangs oder nach dem Ladevorgang zum direkten oder indirekten Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums verwendet.
-
Beim Ladevorgang hat der Fahrer die Möglichkeit, im ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeug sitzen zu bleiben und auf die fahrzeugseitigen Infotainment-Angebote zuzugreifen. Unter kalten Umgebungsbedingungen, bei welchen ein Heizleistungsbedarf für den Fahrzeuginnenraum besteht, wird der Fahrzeuginnenraum in der Regel über einen elektrischen Zuheizer erwärmt. Die erforderliche elektrische Energie für den Zuheizer erhöht die Ladezeit, und der Fahrer muss für den Mehrbedarf an elektrischer Energie aufkommen. Die Heizleistung wird von der Ladeleistung abgezogen.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die anfallende Abwärme aus der Traktionsbatterie des Fahrzeugs, beispielsweise einer HV-Batterie, genutzt werden, um den Heizleistungsbedarf zu substituieren. Die Abwärme kann direkt über einen Heizungswärmetauscher und/oder über den Chiller für die Wärmepumpe dem Innenraum zur Verfügung gestellt werden. Der Chiller verbindet hierbei thermisch einen Kühlmittelkreis mit einem Kältemittelkreis der Wärmepumpe.
-
Weiterhin reduziert sich der energetische Aufwand, um die Abwärme abzuführen und die Bauteilsicherheit zu gewährleisten, da lediglich elektrische Pumpen und je nach Ausgestaltung Kühllüfter mit Energie zu versorgen sind. Durch das Abführen der Verlustwärme kann ein Überhitzen der Ladeeinheit unterbunden und Schutzmaßnahmen, wie beispielsweise De-Rating-Strategien, vermieden werden. Somit können die Nachteile für den Fahrer des Fahrzeugs hinsichtlich der verlängerten Ladezeit oder der zusätzlichen Stromkosten zumindest reduziert werden.
-
Dabei kann durch das Verfahren nicht nur der Heiz-Komfort beim Ladevorgang, bei dem eine Nutzung der Abwärme der fahrzeugseitigen Ladeeinheit der Traktionsbatterie als Heizleistung für den Innenraum-Komfort erfolgt, sondern auch nach dem Ladevorgang vorteilhaft genutzt werden. Insbesondere kann auch nach dem Ladevorgang das Kühlsystem als Wärmespeicher verwendet werden, um während der Fahrt eine Heizung des Fahrzeuginnenraums umzusetzen. Des Weiteren dient das Abführen der Verlustwärme der Kühlung des Ladegerätes bzw. der Ladeeinheit bzw. der Ladeeinheit und damit der Absicherung von Bauteilen.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Kühlmittelkreis durch die in den Kühlmittelkreis übertragene Verlustwärme bis zu einem Grenzwert erwärmt. Hierdurch fungiert der Kühlmittelkreis als ein Wärmespeicher mit einer vordefinierten Temperatur entsprechend dem Grenzwert von beispielweise 50°C oder 60°C. Die in dem Kühlmittelkreis gespeicherte Wärmemenge wird nach dem Ladevorgang zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums über einen Heizungswärmetauscher oder einen Kältemittelkreis verwendet. Somit kann die während des Ladevorgangs gespeicherte Verlustleistung ohne Beeinträchtigung der Reichweite oder Ladedauer für die Konditionierung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Dies kann beispielsweise direkt über den Kühlmittelkreis oder indirekt durch Übertragen der Wärmemenge vom Kühlmittelkreis auf einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpe erfolgen.
-
Der Kühlmittelkreis umfasst kühlmittelführende Schläuche als Komponenten mit thermischer Masse der Bauteile, wie beispielsweise der E-Maschine. Der Kühlmittelkreis kann gezielt bis kurz vor Abfahrt des Fahrzeugs erwärmt werden.
-
Es kann eine besonders hohe Menge an Verlustwärme gleichzeitig abgeführt werden, wenn nach Übersteigen des Grenzwertes einer Temperatur des Kühlmittelkreises eine überschüssige Wärmemenge an die Traktionsbatterie und/oder an einen Umgebungswärmetauscher abgeführt wird.
-
Die im Fahrzeug gespeicherte Wärmemenge kann maximiert werden, wenn nach einem Übersteigen des Grenzwertes der Temperatur der Traktionsbatterie durch Aufnahme von Wärmemenge aus dem Kühlmittelkreis, eine überschüssige Wärmemenge an den Umgebungswärmetauscher abgeführt wird. Somit wird die überschüssige Wärmemenge erst dann an ein Fahrzeugumfeld abgegeben, wenn der Kühlmittelkreis und die Traktionsbatterie auf eine Temperatur entsprechend dem Grenzwert gebracht wurden.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die überschüssige Wärmemenge über einen Chiller aus dem Kühlmittelkreis in einen Kältemittelkreis übertragen, wobei der Kältemittelkreis mindestens einen Umgebungswärmetauscher aufweist, wobei ein durch überschüssige Wärmemenge erwärmtes Kältemittel durch den Umgebungswärmetauscher hindurch und/oder mittels eines Proportionalventils an dem Umgebungswärmetauscher vorbeigeleitet wird. Durch diese Maßnahme kann der Fahrzeuginnenraum indirekt über eine Wärmepumpe geheizt werden, wobei eine geringere Leistung notwendig ist, wenn das Kältemittel bereichsweise erwärmt wird.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die über den Umgebungswärmetauscher abgeführte Wärmemenge durch das Proportionalventil gesteuert. Das Proportionalventil ist vorzugsweise vor dem Umgebungswärmetauscher bzw. einem Frontend-Kühler angeordnet und stellt die bedarfsgerechte Kühlleistung über den Umgebungswärmetauscher sicher. Das Proportionalventil kann temperaturunabhängig angesteuert werden und bildet einen zusätzlichen Freiheitsgrad, um die Thermomanagement-Funktion im Kontext der Umgebungstemperatur, Bauteilschutztemperatur und anfallender Abwärme zu optimieren
-
Der Kältemittelkreis der Wärmepumpe des Fahrzeugs kann zum indirekten Heizen des Fahrzeuginnenraums verwendet werden, wenn die in den Kühlmittelkreis übertragene Verlustwärme während des Ladevorgangs oder nach dem Ladevorgang zum indirekten Erwärmen des Fahrzeuginnenraums über einen Chiller in den Kältemittelkreis übertragen und über den Kältemittelkreis dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kühlsystem für den Einsatz in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, welches eine Traktionsbatterie aufweist, die thermisch an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist.
-
Des Weiteren weist das Kühlsystem einen thermisch mit einer Traktionsbatterie und einer Ladeeinheit der Traktionsbatterie verbundenen Kühlmittelkreis auf. Das Kühlsystem ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das Kühlsystem kann vorzugsweise in einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug verbaut sein, welches eine Traktionsbatterie aufweist.
-
Durch das Verfahren kann das Kühlsystem in einem Ladebetrieb der Traktionsbatterie entstehende Verlustwärme aufnehmen und effizient zwischenspeichern. Hierdurch können parallele oder in einem nachfolgenden Betrieb des Fahrzeugs benötigte Heizaufgaben mit einem minimalen, elektrischen, Energieverbrauch, umgesetzt werden. Hierzu ist lediglich der Betrieb von Pumpen und/oder Lüftern erforderlich. Der hohe Energieverbrauch von elektrischen Heizelementen kann hierdurch vermieden werden, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht und die Ladedauer der Traktionsbatterie verkürzt wird.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während eines Ladevorgangs,
- 2 ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit einem Kühlmittelkreis als Wärmespeicher,
- 3 ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Veranschaulichen von einem thermischen Balancing,
- 4 ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nach einem Überschreiten eines Grenzwerts einer Temperatur, und
- 5 ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei dem Wärme über einen Kältemittelkreis abgegeben wird.
-
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
-
Die 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während eines Ladevorgangs. Die 1 und die 2 - 5 dienen zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben eines Kühlsystems 100 eines (nicht dargestellten) elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
-
Insbesondere wird in der 1 eine Komfortfunktion während des Ladens einer Traktionsbatterie 130 veranschaulicht, bei der ein Fahrzeuginnenraum 110 während des Ladevorgangs geheizt wird.
-
Die bei einem Ladevorgang anfallende Verlustwärme einer fahrzeugseitigen Ladeeinheit 120 wird in einen Kühlmittelkreis 10 übertragen. Die in den Kühlmittelkreis 10 übertragene Verlustwärme wird während des Ladevorgangs zum direkten Erwärmen des Fahrzeuginnenraums 110 verwendet. Hierzu ist die Ladeeinheit 120 thermisch mit dem Kühlmittelkreis 10 gekoppelt.
-
Im Kühlmittelkreis wird ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, Öl, oder eine wässrige Lösung, durch eine Pumpe 12 gefördert.
-
Die Abwärme bzw. Verlustwärme wird im dargestellten Ausführungsbeispiel zu einem Chiller 31 oder zu einem Heizungswärmetauscher 13 durch die Pumpe 12 transportiert. Über den Chiller 31 oder den Heizungswärmetauscher 13 kann die Verlustwärme als Heizleistung für den Fahrzeuginnenraum 110 zur Verfügung gestellt werden.
-
In der 2 ist ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, mit einem Kühlmittelkreis 10 als Wärmespeicher, illustriert. Hierbei kann der Kühlmittelkreis 10 mit der anfallenden Verlustwärme der fahrzeugseitigen Ladeeinheit 120 „beladen“ werden, um die zwischengespeicherte Wärmemenge zu einem späteren Zeitpunkt abzugeben.
-
Das Kühlmittel wird so lange im Antriebskreis bzw. im Kühlmittelkreis 10 zirkuliert, bis die Kühlmitteltemperatur vor der Ladeeinheit 120 auf beispielsweise 60°C steigt und damit einen vordefinierten Grenzwert für eine Temperatur erreicht. Steigt die Kühlmitteltemperatur über 60°C, kann die überschüssige Wärmemenge in einer Traktionsbatterie 130 gepuffert oder über einen Frontend-Kühler bzw. einen Umgebungswärmetauscher 32 an eine Fahrzeugumgebung U gegeben werden.
-
Die Traktionsbatterie 130 und der Umgebungswärmetauscher 32 sind in einem Kältemittelkreis 30 thermisch angeordnet und können durch den Kältemittelkreis 30 thermisch konditioniert werden. Im Kältemittelkreis 30 kann eine Wärmepumpe 33 ein Kältemittel fördern, welches komprimiert und expandiert wird, um Kühlleistung oder Heizleistung bereitzustellen.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird aus dem Kühlmittelkreis 10 Wärme über den Chiller 31 an das Kältemittel im Kältemittelkreis 30 übertragen. Das Kältemittel kann anschließend die Traktionsbatterie 130 ebenfalls auf den Grenzwert der Temperatur von beispielsweise 60°C erwärmen. Die Wärmepumpe 33 kann hierzu das Kältemittel im Kältemittelkreis 30 im Kreis fördern.
-
Ein im Kältemittelkreis 30 angeordnetes Proportionalventil 34 kann wahlweise das Kältemittel durch den Umgebungswärmetauscher 32 hindurch oder durch eine Bypassleitung 35 an dem Umgebungswärmetauscher 32 vorbeileiten. Alternativ kann das Kältemittel anteilig durch den Umgebungswärmetauscher 32 und durch die Bypassleitung 35 durch das Proportionalventil 34 geführt werden.
-
Dadurch, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel das Kältemittel ausschließlich durch die Bypassleitung 35 geführt wird, kann die Traktionsbatterie 130 verlustarm erwärmt werden.
-
Die 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zum Veranschaulichen von einem thermischen Balancing.
-
Haben die Traktionsbatterie 130 und der Kühlmittelkreis 10 die Grenzwerte der Temperatur erreicht, kann die überschüssige Abwärme über den Umgebungswärmetauscher 32 an die Fahrzeugumgebung U abgegeben werden. Über das Proportionalventil 34 kann die Kühlleistung bedarfsgerecht geregelt werden. Hierzu kann ein nicht dargestelltes Steuergerät vorgesehen sein, welches die Temperaturen der Traktionsbatterie 130 und des Kühlmittels misst und eine entsprechende Ansteuerung des Proportionalventils 34 vornimmt. Die Kühlleistung kann insbesondere durch ein Verhältnis zwischen den Kältemittelströmen durch den Umgebungswärmetauscher 32 und durch die Bypassleitung 35 gesteuert werden.
-
In der 4 ist ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der nach einem Überschreiten eines Grenzwerts einer Temperatur Maßnahmen zur Kühlung der Traktionsbatterie 130 vorgenommen werden.
-
Haben die Traktionsbatterie 130 und der Kühlmittelkreis 10 die Grenzwerte der Temperaturen erreicht, kann die überschüssige Abwärme über den Umgebungswärmetauscher 32 an die Fahrzeugumgebung U abgeführt werden.
-
Darüber hinaus kann eine zusätzliche Kühlleistung für die Traktionsbatterie 130 über den Chiller 31 bereitgestellt werden.
-
In 5 ist ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei dem Verlustwärme aus dem Kühlmittelkreis 10 auf den Kältemittelkreis 30 abgegeben und in dem Kältemittelkreis 30 gespeichert wird. Anschließend wird die gespeicherte Verlustwärme über den Chiller 31 dem Fahrzeuginnenraum 110 zugeführt. Dies kann beispielsweise während einer Fahrt erfolgen.
-
Ein Schaltventil 14 im Kühlmittelkreis 10 kann den Kühlmittelkreis 10 von dem Chiller 31 thermisch abkoppeln, um eine Rückkopplung bzw. einen rückwirkenden Wärmetransport aus dem Kältemittelkreis 30 in den Kühlmittelkreis 10 zu unterbinden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Kühlsystem
- 110
- Fahrzeuginnenraum
- 120
- fahrzeugseitige Ladeeinheit
- 130
- Traktionsbatterie
- 10
- Kühlmittelkreis
- 12
- Pumpe
- 13
- Heizungswärmetauscher
- 14
- Schaltventil
- 30
- Kältemittelkreis
- 31
- Chiller
- 32
- Umgebungswärmetauscher
- 33
- Wärmepumpe
- 34
- Proportionalventil
- 35
- Bypassleitung
- U
- Fahrzeugumgebung
-
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
-
- DE 102017220376 A1 [0006]
