DE102021209311A1

DE102021209311A1 - Kühlmodul für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102021209311A1
Application number: DE102021209311.6A
Authority: DE
Inventors: Denis Neher; Thomas Holzer; Dana Nicgorski; Johannes BUEHLER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Kühlmodul (5) für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei als Hauptkomponenten (51, 70, 80, ...) einer Kühlung für das Fahrzeug wenigstens: eine Batterie-Kühlmittelpumpe (51) zur Kühlmittel-Versorgung einer Batterie (50) des Fahrzeugs, ein Expansionsventil (70) eines Kältemittelkreislaufs (1) des Fahrzeugs und ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (80) zum Kühlen eines Kühlmittels eines Kühlmittelkreislaufs (2) des Fahrzeugs, in das Batterie-Kühlmodul (5) für das Fahrzeug integriert sind, und diese Hauptkomponenten (51, 70, 80, ...) als eine einzige Baugruppe synchron im Fahrzeug verbaubar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Kühlmodul und ein Kühlmitteltank-Kühlmodul für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Elektrotraktionsmotor.
Stand der Technik
Fahrzeuge verfügen über zahlreiche Hauptkomponenten, welche während eines Betriebs eines Fahrzeugs konditioniert (gekühlt, erwärmt und/oder be-/entfeuchtet) werden müssen. Daher sind diese Hauptkomponenten in ein Kühlsystem des Fahrzeugs integriert, welches weitere Hauptkomponenten wie eine Heizung, einen Wärmetauscher, eine Pumpe, ein Ventil, einen Kühlmitteltank etc. aufweist. So muss z. B. die Wärme eines Antriebsstrangs, einer Batterie und/oder anderer Hauptkomponenten eines teil- oder vollelektrisch angetriebenen Fahrzeugs über einen Kühler an die Umgebung abgegeben werden.
Aufgabenstellung
Teil- und vollelektrisch angetriebene Fahrzeuge stellen die Entwickler vor neue Herausforderungen in Bezug auf eine Konzeption der Fahrzeuge. Eines dieser Felder ist ein mehrfaches Thermomanagement eines solchen Fahrzeugs, wie z. B. ein Thermomanagement seines Antriebsstrangs, ein Thermomanagement seiner Batterie, ein Thermomanagement seiner Fahrgastzelle etc. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Kühlung für ein Thermomanagement eines teil- oder vollelektrisch angetriebene Fahrzeugs anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Batterie-Kühlmoduls und eines Kühlmitteltank-Kühlmoduls für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, sowie mittels eines Fahrzeugs mit einem Elektrotraktionsmotor gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Unter einer Hauptkomponente ist im Folgenden wenigstens eine Unterbaugruppe oder Baugruppe und kein einfaches Bauteil, wie z. B. ein Rohr, ein Schlauch, eine Halterung, eine Klemme, eine Schelle, ein Befestigungsmittel etc., eines Kühlmittelkreislaufs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, verstanden.
Eine Baugruppe ist ein räumlich abgeschlossener, aus zwei oder mehr Unterbaugruppen niederer Ordnung und/oder Bauteilen bestehender zusammengesetzter Gegenstand, welcher wieder zerlegbar ist. Ein Einzelteil oder Bauteil hingegen ist ein technisch beschriebener und gefertigter Gegenstand, welcher nicht zerstörungsfrei zerlegbar ist. Hierbei ist eine Unterbaugruppe derart definiert, dass ohne diese das Fahrzeug nur eingeschränkt funktionsfähig ist, wohingegen eine Baugruppe derart definiert ist, dass ohne diese das Fahrzeug noch eingeschränkter funktionsfähig oder langfristig eigentlich gar nicht mehr gebrauchsfähig ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Batterie-Kühlmodul sind als Hauptkomponenten einer Kühlung für das Fahrzeug wenigstens: eine Batterie-Kühlmittelpumpe zur Kühlmittel-Versorgung einer Batterie des Fahrzeugs, ein Expansionsventil eines Kältemittelkreislaufs des Fahrzeugs und ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher zum Kühlen eines Kühlmittels eines Kühlmittelkreislaufs des Fahrzeugs, in das Batterie-Kühlmodul für das Fahrzeug integriert, wobei diese Hauptkomponenten als eine einzige Baugruppe synchron im Fahrzeug verbaubar sind.
Das Batterie-Kühlmodul als Baugruppe ist als eine einzige funktionale und/oder konstruktiv geschlossene Einheit zum Kühlen der Batterie des Fahrzeugs ausgebildet, welche insgesamt als solche am/im Fahrzeug verbaubar ist. Hierbei wird der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher oft auch als Chiller bezeichnet. Ferner ist das Batterie-Kühlmodul als ein PCE-Modul für das Fahrzeug bezeichenbar, wobei die Buchstaben P für ,pump‘ (Pumpe), C für ,chiller` (Wärmetauscher) und E für ,expansion valve‘ (Expansionsventil) stehen.
Das Batterie-Kühlmodul kann eine zentralisierte Batterie-Kühlmodulelektronik aufweisen, in welche die Elektroniken für wenigstens einen Teil seiner Hauptkomponenten oder für alle seine Hauptkomponenten integriert sind. D. h. das Batterie-Kühlmodul weist bevorzugt nur einen einzigen Kabelbaum bzw. analog dazu einen einzigen elektrischen Verbinder, d. h. z. B. einen Anbau- oder Einbauverbinder, auf. Hierbei kann die zentralisierte Batterie-Kühlmodulelektronik derart in das Batterie-Kühlmodul integriert sein, dass diese vom Kühlmittel kühlbar ist.
In das Batterie-Kühlmodul kann ferner: ein Kühlmittelventil für eine Kühlung eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, eine Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe, ein Kühlmittelventil für einen Kühler des Fahrzeugs, ein Kühlmittelventil für eine Temperierung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs, eine Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe, ein Fahrgastzellen-Heizelement und/oder ein Batterie-Heizelement integriert sein. - Das Batterie-Kühlmodul kann an/in wenigstens einer internen Fluidleitung einen Druck- und/oder Temperatursensor aufweisen. Hierbei ist der betreffende Druck- und/oder Temperatursensor bevorzugt an/in einem Anfang oder an/in einem Ende der betreffenden Fluidleitung eingerichtet.
Das Batterie-Kühlmodul kann lediglich: einen einzigen Kommunikationsanschluss, einen einzigen Kabelbaum, einen einzigen elektrischen Verbinder, einen einzigen Stromanschluss und/oder ein einziges Gehäuse aufweisen. - In eine erfindungsgemäße Batterie oder in einen erfindungsgemäßen Kühlmitteltank für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug kann ein erfindungsgemäßes Batterie-Kühlmodul integriert sein. D. h. umgekehrt, dass in das Batterie-Kühlmodul die Batterie und/oder der Kühlmitteltank gemäß der Beschreibung integriert ist; also z. B. eine Elektronik eine gemeinsame Elektronik und/oder ein Gehäuse ein gemeinsames Gehäuse ist.
Das erfindungsgemäße Kühlmitteltank-Kühlmodul umfasst einen Kühlmitteltank als eine erste Hauptkomponente eines Kühlmittelkreislaufs des Fahrzeugs, wobei als Hauptkomponenten einer Kühlung für das Fahrzeug: der Kühlmitteltank und wenigstens eine zweite Hauptkomponente des Kühlmittelkreislaufs in das Kühlmitteltank-Modul für das Fahrzeug integriert sind, wobei diese Hauptkomponenten als eine einzige Baugruppe synchron im Fahrzeug verbaubar sind. Unter den Begriff Kühlmitteltank sollen auch die Begriffe Ausgleichsbehälter und Sammelleitung fallen; d. h. der Kühlmitteltank kann als ein Ausgleichsbehälter oder eine Sammelleitung ausgebildet sein.
Das Kühlmitteltank-Kühlmodul kann eine zentralisierte Kühlmitteltank-Kühlmodulelektronik aufweisen, in welche die Elektroniken für wenigstens einen Teil seiner Hauptkomponenten oder für alle seine Hauptkomponenten integriert sind. D. h. das Kühlmitteltank-Kühlmodul weist bevorzugt nur einen einzigen Kabelbaum bzw. analog dazu einen einzigen elektrischen Verbinder, d. h. z. B. einen Anbau- oder Einbauverbinder, auf. Hierbei kann die zentralisierte Kühlmitteltank-Kühlmodulelektronik derart in das Kühlmitteltank-Kühlmodul integriert sein, dass diese vom Kühlmittel kühlbar ist.
In das Kühlmitteltank-Kühlmodul kann ferner: ein Kühlmittelventil für eine Kühlung eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, eine Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe, ein Kühlmittelventil für einen Kühler des Fahrzeugs, eine Batterie-Kühlmittelpumpe, ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher eines Kältemittelkreislaufs des Fahrzeugs, ein Expansionsventil des Kältemittelkreislaufs, ein Batterie-Heizelement, ein Kühlmittelventil für eine Temperierung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs, eine Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe und/oder ein Fahrgastzellen-Heizelement integriert sein.
Das Kühlmitteltank-Kühlmodul kann an/in wenigstens einer internen Fluidleitung einen Druck- und/oder Temperatursensor aufweisen. Hierbei ist der betreffende Druck- und/oder Temperatursensor bevorzugt an/in einem Anfang oder an/in einem Ende der betreffenden Fluidleitung eingerichtet. - Das Kühlmitteltank-Kühlmodul kann lediglich: einen einzigen Kommunikationsanschluss, einen einzigen Kabelbaum, einen einzigen elektrischen Verbinder, einen einzigen Stromanschluss und/oder ein einziges Gehäuse aufweisen.
Die Erfindung integriert mechanisch, fluidmechanisch, elektrisch und/oder elektronisch mehrere Hauptkomponenten eines Kühlmittelkreislaufs in jeweils ein Modul. Gemäß der Erfindung entfällt eine aufwändige und kostenintensive Konstruktion sowie eine aufwändige und kostenintensive Montage von Hauptkomponenten als Einzelkomponenten des Fahrzeugs. Hierdurch ergibt sich insgesamt eine signifikante Kostenreduzierung für eine Kühlung von Hauptkomponenten in einem teil- oder vollelektrisch angetriebenen Fahrzeug.
Es ergeben sich ein reduzierter Beschaffungsaufwand, weniger fluidmechanische Schnittstellen und damit ein reduziertes Leckagerisiko sowie reduzierte Kosten durch jeweils ein gemeinsames Gehäuse und eine gemeinsame Elektronik. Eine jeweilige Systemeffizienz ist durch reduzierte Druck- und/oder Wärmeverluste aufgrund verkürzter Rohr- und/oder Schlauchlängen verbessert. Des Weiteren entfällt ein vergleichsweise hoher Aufwand für eine mechanische und/oder elektrische Komponentenintegration sowie einen Aufbau der Kommunikation. Es gibt je Kühlmodul daher bevorzugt nur noch einen einzigen Kommunikationsanschluss, welcher im Fahrzeugsteuergerät (Electronic Drive Unit, Vehicle Drive Unit) programmiert und konfiguriert werden kann.
Je nach einem Integrationsgrad des Batterie-Kühlmoduls oder des Kühlmitteltank-Kühlmoduls kann wenigstens ein Kabelbaum, wenigstens ein Kommunikationsanschluss, wenigstens eine (Leistungs-)Elektronik, wenigstens eine mechanische Schnittstelle, wenigstens eine fluidmechanische Schnittstelle, wenigstens eine elektrische Schnittstelle, etc. entfallen. Es ergeben sich weniger Verpackungs- und Montageaufwand auf Fahrzeugebene, weniger Teile durch Einsparung von Klemmen, Schrauben und Haltern, etc. Etc.
Figurenliste
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist.
In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

die 1 und 2 einen wesentlichen Ausschnitt eines Kühlmittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit einem Elektrotraktionsmotor, mit einem erfindungsgemäßen Batterie-Kühlmodul (1) sowie möglichen Integrationen von wenigstens einer weiteren Hauptkomponente des Kühlmittelkreislaufs in das erfindungsgemäße Batterie-Kühlmodul (2 - Reihe links: Nummer der Lösung, Zeile oben: Bezugszeichen der Hauptkomponente),
die 3 und 4 einen wesentlichen Ausschnitt eines Kühlmittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit einem Elektrotraktionsmotor, mit einem erfindungsgemäßen Kühlmitteltank-Kühlmodul (3) sowie möglichen Integrationen von wenigstens einer weiteren Hauptkomponente des Kühlmittelkreislaufs in das erfindungsgemäße Kühlmitteltank-Kühlmodul (4 - Reihe links: Nummer der Lösung, Zeile oben: Bezugszeichen der Hauptkomponente), und
die 5 eine schematische Darstellung eines E-Verdichters einer Kältemaschine eines Fahrzeugs mit einem Elektrotraktionsmotor, wobei die Kältemaschine einen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Kältemittel durchführen kann.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist ausgehend vom Stand der Technik (folgender Absatz) anhand von Ausführungsbeispielen zweier Ausführungsformen eines Kühlmoduls 5, 8 (1: Batterie-Kühlmodul 5 und 3: Kühlmitteltank-Kühlmodul 8) für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug näher erläutert. In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte eines Kühlmittelkreislaufs 2 sowie eines Kältemittelkreislaufs 1 des Fahrzeugs dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Hauptkomponenten eines Kühlmittelkreislaufs eines teil- oder vollelektrisch angetriebenen Fahrzeugs sind im Stand der Technik als einzelne Hauptkomponenten des Kühlmittelkreislaufs konzipiert, voneinander getrennt ausgelegt und je nach örtlichen Gegebenheiten im betreffenden Fahrzeugmodell verbaut und mechanisch, fluidmechanisch und/oder elektrisch miteinander verbunden. Hierdurch ergeben sich eine Vielzahl von Kabelbäumen, Kommunikationsanschlüssen, (Leistungs-)Elektroniken, mechanischen Schnittstellen, fluidmechanischen Schnittstellen etc. Ferner ergibt sich beim Auslegen eines Kühlmittelkreislaufs für ein solches Fahrzeugmodell ein erhöhter Aufwand für eine Beschaffung der Einzelkomponenten, ein hoher Aufwand für eine mechanische, fluidmechanische und elektrische Komponentenintegration sowie einen Aufbau der Kommunikation. - Hierdurch ergeben sich insgesamt signifikante Kosten für die einzelnen Hauptkomponenten.
Die 1 und 3 zeigen jeweils einen Kühlmittelkreislauf 2 mit den je nach Fahrzeugmodell optionalen Hauptkomponenten: ein (erstes) Kühlmittelventil 10 (bevorzugt 4-Wege-Ventil) für eine Kühlung eines Antriebsstrangs 20 des Fahrzeugs bevorzugt mit Reihen- und Parallelfunktionalität, den Antriebsstrang 20, eine Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe 21, ein (zweites) Kühlmittelventil 30 (bevorzugt 3-Wege-Ventil) für einen Kühler 100 des Fahrzeugs bevorzugt mit einem Lüfter-Bypass, einen Fahrgastzellen-Wärmetauscher 40, eine Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe 41, ein Fahrgastzellen-Heizelement 42 (PTC-Element, elektrischer Heizer), eine (Hochvolt-)Batterie 50, eine Batterie-Kühlmittelpumpe 51, ein Batterie-Heizelement 52 (PTC-Element, elektrischer Heizer), ein (drittes) Kühlmittelventil 60 (bevorzugt 4-Wege-Ventil) für eine Temperierung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs bevorzugt mit Reihen- und Parallelfunktionalität, ein Expansionsventil 70 (auch: Kältemittelkreislauf 1), ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher 80 (auch: Kältemittelkreislauf 1, auch als Chiller 80 bezeichenbar) ggf. inkl. einem Verdampfer, einen Kühlmitteltank 90 (Ausgleichsbehälter, Sammelleitung) und den Kühler 100.
Gemäß der Erfindung ergeben sich innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 2 des Fahrzeugs zwei bevorzugte Hauptkomponenten, von welchen ausgehend, jeweils ein integriertes Kühlmodul 5, 8 des Kühlmittelkreislaufs 2 aufbaubar ist. D. h., dass in das Kühlmodul 5, 8 wenigstens eine weitere Hauptkomponente des Kühlmittelkreislaufs 2 integrierbar ist. - Dies ist einerseits die Batterie-Kühlmittelpumpe 51 bzw. der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher 80 (als eine Hauptkomponente des Kältemittelkreislaufs 1) und andererseits der Kühlmitteltank 90, welcher auch als Ausgleichsbehälter 90 oder Sammelleitung 90 konzipiert sein kann; d. h. der Begriff Kühlmitteltank 90 umfasst die Begriffe Ausgleichsbehälter 90 und Sammelleitung 90.
Im Folgenden ist anhand der 1 und 2 das erfindungsgemäße Batterie-Kühlmodul 5 näher erläutert.
Die Batterie 50 des Fahrzeugs setzt eine erhebliche Wärmemenge frei und wird daher in der Regel mit einem Kühlmittel 2 gekühlt. Ein erforderlicher Volumenstrom an Kühlmittel 2 über/durch die Batterie 50 wird mittels der Batterie-Kühlmittelpumpe 51 bereitgestellt. Um die Wärme vom Kühlmittel 2 auf ein Kältemittel 1 eines Kältemittelkreislaufs 1 des Fahrzeugs zu übertragen, wird in der Regel der Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher 80 (Chiller 80) eingesetzt. Bevor das Kältemittel 1 in einen Verdampfer (ggf. Teil des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauschers 80) eines Kältemittelkreislaufs 1 eintritt, wird es mittels des Expansionsventils 70 auf ein niedriges Druckniveau entspannt.
Ein Kühlmittelkreislauf (1, Pos. 2: Mitte) der Batterie 50 (Batteriekreislauf) kann mit einem Kühlmittelkreislauf (1, Pos. 2: links) des Antriebsstrangs 20 (Antriebsstrangkreislauf) und/oder einem Kühlmittelkreislauf (1, Pos. 2: rechts) der Fahrgastzelle (Fahrgastzellenkreislauf, Klimaanlage durch Kältemittelkreislauf 1 realisiert) verbunden sein. Dies kann zusätzliche Hauptkomponenten wie die Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe 41, das Kühlmittelventil 60 der Fahrgastzelle, das Fahrgastzellen-Heizelement 42 etc. erfordern.
Die 1 zeigt eine beispielhafte Topologie zur Kühlung des Fahrzeugs bestehend aus den drei Kreisläufen: Batteriekreislauf (Mitte 1), Antriebsstrangkreislauf (links in der 1) und Fahrgastzellenkreislauf (rechts in der 1). Die gemäß der Erfindung vorintegrierte Basiskomponente vereint den Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher 80 (Chiller 80) mit dem Expansionsventil 70 und der Batterie-Kühlmittelpumpe 51 zum Batterie-Kühlmodul 5.
Das Batterie-Kühlmodul 5 kann durch wenigstens eine zusätzliche Hauptkomponente erweitert werden, um eine weitere Integration und Funktionalität zu ermöglichen. Diese je nach Fahrzeugmodell und Grad der Integration in das Batterie-Kühlmodul 5 zu integrierende Hauptkomponente/n sind nachfolgend kurz erläutert. Vgl. auch die 2 (Zeile oben: Bezugszeichen der ferner in das Batterie-Kühlmodul 5 integrierten Hauptkomponente/n).
Das Batterie-Heizelement 52 (PTC-Element, elektrischer Heizer) im Batteriekreislauf ermöglicht die Erwärmung des Kühlmittels 2, welches durch die Batterie 50 fließt, z. B. zur Vorkonditionierung der Batterie 50 bei kalten Umgebungsbedingungen ggf. über das elektrische Netz.
Das (erste) Kühlmittelventil 10 im Kühlmittelkreislauf 2 ermöglicht es den Batteriekreislauf entweder parallel oder in Reihe mit dem Antriebsstrangkreislauf zu betreiben. Dies ermöglicht die Nutzung des Kühlers 100 zur Kühlung der Batterie 50 über die Umgebung. Für diese Konfiguration kann die Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe 21 integriert sein.
Durch die Integration des (zweiten) Kühlmittelventils 30 kann der Kühler 100 umgangen werden, sodass die Wärme nicht an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch kann die Abwärme des Antriebsstrangs 20 zum Aufheizen der Batterie 50 genutzt werden (z. B. Aufheizen der Batterie 50 während der Fahrt bei kalten Umgebungsbedingungen).
Das (dritte) Kühlmittelventil 60 ermöglicht es den Batteriekreislauf entweder parallel oder in Reihe mit dem Fahrgastzellenkreislauf zu betreiben. Dadurch kann die Abwärme der Batterie 50 zur Unterstützung der Heizung der Fahrgastzelle genutzt werden. Diese Konfiguration kann die Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe 41 und/oder das Fahrgastzellen-Heizelement 42 (PTC-Element, elektrischer Heizer) umfassen.
Eine Kombination von Kühlmittelventilen 10, 30, 60, ... mit 3- und/oder 4-Wege-Funktionalität führt zu (zusammengesetzten) Ventilen mit hoher Funktionalität mit 5 oder mehr Anschlüssen.
Verschiedene mögliche Kombinationen der oben genannten Lösungen sind in 2 dargestellt. - Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die dargestellte Topologie zur Kühlung des Fahrzeugs nur als ein Beispiel dient und die genannten Lösungen auch auf andere Topologien zur Kühlung von Fahrzeugen übertragen/angewendet werden können.
Im Stand der Technik erhöht eine Erweiterung der Funktionalitäten im Fahrzeug ferner eine Anzahl der elektrischen Schnittstellen. Jede Hauptkomponente (außer dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher 80 bzw. Chiller 80) ist mit einer Elektronik ausgestattet. Die jeweilige Elektronik ist über einen Kabelbaum (Stecker und Kabel) mit einem Niederspannungsnetz (außer den Heizelementen 42, 52) des Fahrzeugs sowie einer Steuereinheit (z. B. dem Fahrzeugsteuergerät) verbunden.
Eine hier ferner vorgeschlagene Zentralisierung der Elektronik einer Kombination (2) ermöglicht eine Verwendung eines einzigen Kabelbaums für einen Niederspannungsanschluss des Batterie-Kühlmoduls 5 als dessen einzigen Kommunikationsanschluss, z. B. an einen LIN-Bus des Fahrzeugs. D. h. das Batterie-Kühlmodul 5 weist eine einzige, zentralisierte Batterie-Kühlmodulelektronik 6 auf. Dies spart Kabel(-länge), Anzahl der Steckverbinder, Aufwand bei einer Programmierung des Fahrzeugsteuergeräts etc. ein.
Durch die Verwendung eines einzigen Gehäuses für das Batterie-Kühlmodul 5 entfällt die Notwendigkeit einer mechanischen sowie fluidmechanischen Schnittstelle mit erhöhtem Leckagerisiko. Zusammen mit einer reduzierten Anzahl von Haltern, Klammern und Dichtungen sinkt das Risiko von Leckagen. Damit sinken sowohl ein Packaging- als auch ein Montage-/Integrationsaufwand für eine Systemintegration in das Fahrzeug und die Kosten. - So kann z. B. eine Anzahl der Kühlmittelanschlüsse bei der konventionellen Vorgehensweise mit einzelnen Hauptkomponenten durch die Lösung #40 von 23 auf 7 reduziert werden.
Ein Grad einer Integration und die Vorteile erhöhen sich z. B. weiter durch eine Integration eines der beschriebenen Batterie-Kühlmodule 5 in die Batterie 50. Dies erzeugt mit Bezug auf die 2 wenigstens 40 weitere Kombinationen einer Komponentenintegration. Ferner ist es möglich, die beschriebenen Batterie-Kühlmodule 5 in den Kühlmitteltank 90 zu integrieren, was wiederum wenigstens 40 weitere Kombinationen der Komponentenintegration erzeugt.
Ein weiterer Ansatz, um einen Grad einer Integration zu erhöhen, ist ein Vorsehen von Temperatur-, Druck- oder Druck-/Temperatursensoren an/in einem fluidmechanischen Ein- und/oder Ausgang (Anfang oder Ende) einer internen Fluidleitung des Batterie-Kühlmoduls 5. Dies erhöht die oben beschriebenen Vorteile wie eine Einsparung von Kabel(-länge), eine geringere Anzahl der Steckverbinder, einen geringeren Aufwand bei einer Programmierung des Fahrzeugsteuergeräts etc.
Im Folgenden ist anhand der 3 und 4 das erfindungsgemäße Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 näher erläutert.
Die 3 zeigt eine beispielhafte Topologie zur Kühlung des Fahrzeugs wiederum bestehend aus den drei Kreisläufen: Batterie (Mitte 3), Antriebsstrang (links in der 3) und Fahrgastzelle (rechts in der 3). Die gemäß der Erfindung vorintegrierte Basiskomponente vereint in Ausführungsbeispielen (vgl. auch die 4 (Zeile oben: Bezugszeichen der ferner in das Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 integrierten Hauptkomponente/n)) den Kühlmitteltank 90 (Ausgleichsbehälter) mit dem (ersten) Kühlmittelventil 10 zum Kühlmitteltank-Kühlmodul 8. Das Kühlmittelventil 10 im Kühlmittelkreislauf 2 ermöglicht es den Antriebsstrangkreislauf entweder parallel oder in Reihe zum Batteriekreislauf zu betreiben. Dies ermöglicht die Nutzung des Kühlers 100 zur Kühlung der Batterie 50 über die Umgebung.
Das Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 kann durch wenigstens eine zusätzliche Hauptkomponente erweitert werden, um eine weitere Integration und Funktionalität zu ermöglichen. Diese je nach Fahrzeugmodell und Grad der Integration in das Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 zu integrierende Hauptkomponenten sind nachfolgend kurz erläutert. Hierbei ist es auch möglich, das Kühlmittelventil 10 nicht in das Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 zu integrieren; vgl. die Lösungen #4, #5, #7 und #1 8-27).
So kann die Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe 21 integriert sein, welche einen erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom über den Antriebsstrang 20 bereitstellt. Durch die Integration des (zweiten) Kühlmittelventils 30 kann der Kühler 100 umgangen werden, sodass die Wärme nicht an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch kann die Abwärme des Antriebsstrangs 20 zum Aufheizen der Batterie 50 genutzt werden (z. B. Aufheizen der Batterie 50 während der Fahrt bei kalten Umgebungsbedingungen).
Ferner kann die Batterie-Kühlmittelpumpe 51 integriert sein, welche einen erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom über die Batterie 50 bereitstellt. Darüber hinaus kann der Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher 80 (Chiller 80) integriert sein, welcher eine zusätzliche, vom Antriebsstrangkreislauf unabhängige Wärmesenke bildet und Kühlmitteltemperaturen unterhalb der Umgebung ermöglicht. Der Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher 80 ist die Schnittstelle zum Kältemittelkreislauf 1 und kann durch das Expansionsventil 70 erweitert werden.
Die Integration des Batterie-Heizelements 52 (PTC-Element, elektrischer Heizer) im Batteriekreislauf ermöglicht die Erwärmung des Kühlmittels 2, welches durch die Batterie 50 fließt, z. B. zur Vorkonditionierung der Batterie 50 bei kalten Umgebungsbedingungen ggf. über das elektrische Netz.
Die Integration des (dritten) Kühlmittelventils 60 ermöglicht es den Batteriekreislauf entweder parallel oder in Reihe mit dem Fahrgastzellenkreislauf zu betreiben. Dadurch kann die Abwärme der Batterie 50 zur Unterstützung der Heizung der Fahrgastzelle genutzt werden. Diese Konfiguration kann die Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe 41 und/oder das Fahrgastzellen-Heizelement 42 (PTC-Element, elektrischer Heizer) umfassen.
Eine Kombination von Kühlmittelventilen 10, 30, 60, ... mit 3- und/oder 4-Wege-Funktionalität führt zu (zusammengesetzten) Ventilen mit hoher Funktionalität mit 5 oder mehr Anschlüssen.
Der Kühlmitteltank 90 des Kühlmitteltank-Kühlmoduls 8 ist bevorzugt in Reihe in den Kühlmittelkreislauf integriert. Es sind natürlich auch Lösungen mit einer parallelen Integration möglich. Ferner kann der Kühlmitteltank 90 eine Mehrzahl von Kammern für unterschiedliche Kreisläufe aufweisen. - Die 4 zeigt eine Vielzahl von Lösung, wobei Lösung #31 den höchsten Integrationsgrad aufweist.
Im Stand der Technik erhöht eine Erweiterung der Funktionalitäten im Fahrzeug ferner eine Anzahl elektrischen Schnittstellen. Jede Hauptkomponente (außer dem Kühlmitteltank 90 und dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher 80 bzw. Chiller 80) ist mit einer Elektronik ausgestattet. Die jeweilige Elektronik ist über einen Kabelbaum (Stecker und Kabel) mit einem Niederspannungsnetz (außer den Heizelementen 42, 52) des Fahrzeugs sowie einer Steuereinheit (z. B. dem Fahrzeugsteuergerät) verbunden.
Eine hier ferner vorgeschlagene Zentralisierung der Elektronik einer Kombination (4) ermöglicht eine Verwendung eines einzigen Kabelbaums für einen Niederspannungsanschluss des Kühlmitteltank-Kühlmoduls 8 als dessen einzigen Kommunikationsanschluss, z. B. an einen LIN-Bus des Fahrzeugs. D. h. das Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 weist eine einzige, zentralisierte Kühlmitteltank-Kühlmodulelektronik 9 auf. Dies spart Kabel(-länge), Anzahl der Steckverbinder, Aufwand bei einer Programmierung des Fahrzeugsteuergeräts etc. ein.
Durch die Verwendung eines einzigen Gehäuses für das Kühlmitteltank-Kühlmodul 8 entfällt die Notwendigkeit einer mechanischen sowie fluidmechanischen Schnittstelle mit erhöhtem Leckagerisiko. Zusammen mit einer reduzierten Anzahl von Haltern, Klammern und Dichtungen sinkt das Risiko von Leckagen. Damit sinken sowohl ein Packaging- als auch ein Montage-/Integrationsaufwand für eine Systemintegration in das Fahrzeug und die Kosten. - So kann z. B. eine Anzahl der Kühlmittelanschlüsse bei der konventionellen Vorgehensweise mit einzelnen Hauptkomponenten durch die Lösung #31 von 25 auf 7 reduziert werden.
Die beschriebenen Lösungen können auch derart realisiert sein, dass der Kühlmitteltank 90 als eine Sammelleitung 90 ausgebildet ist, und die aktiven Hauptkomponenten in der Sammelleitung 90 zusammengefasst werden. Unabhängig von einem Integrationsansatz (Kühlmitteltank 90 (Ausgleichsbehälter) oder Sammelleitung 90) kann die zentralisierte Kühlmitteltank-Kühlmodulelektronik 9 derart integriert sein, dass sie durch das Kühlmittel 2 gekühlt wird, was eine Pumpenleistung und eine Lebensdauer der Kühlmitteltank-Kühlmodulelektronik 9 verbessern kann.
Ein weiterer Ansatz, um einen Grad einer Integration zu erhöhen, ist ein Vorsehen von Temperatur-, Druck- oder Druck-/Temperatursensoren an/in einem fluidmechanischen Ein- und/oder Ausgang (Anfang oder Ende) einer internen Fluidleitung des Kühlmitteltank-Kühlmoduls 8. Dies erhöht die oben beschriebenen Vorteile wie eine Einsparung von Kabel(-länge), eine geringere Anzahl der Steckverbinder, einen geringeren Aufwand bei einer Programmierung des Fahrzeugsteuergeräts etc.
Ein E-Verdichter, also ein elektrisch angetriebener und elektronisch gesteuerter/geregelter Verdichter ist eine weitere Hauptkomponente eines thermischen Systems für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug. Der E-Verdichter komprimiert ein gasförmiges Kältemittel 1 auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau, welches in der zeitlichen Folge in einem Kreisprozess abgekühlt, expandiert und bevorzugt auch verdampft wird, wodurch Kälte erzeugt wird. In der zeitlichen Folge wird der Kältemittelprozess mit dem Verdichten des nun wieder gasförmigen Kältemittels 1 von vorne begonnen.
Ein höchstes Druckniveau innerhalb des Kältemittelkreislaufs 1 wird in einer Hochdruckleitung des E-Verdichters erreicht. Eine Druck-Obergrenze des E-Verdichters ist durch einen thermodynamischen Zustand des Kältemittels 1 (d. h. überkritische Bedingungen) oder mechanische Zwänge (Verbindungen, Rohre) des Kältemittelkreislaufs 1 gegeben. Um sicherzustellen, dass der E-Verdichter innerhalb eines zulässigen Druckbereichs arbeitet, ist eine Leistungsherabsetzung-Funktion implementiert, welche eine Drehzahl des E-Verdichters reduziert, wenn sich dieser der Druck-Obergrenze nähert.
Hierzu ist ein Drucksignal erforderlich, welches von einem Drucksensor oder einem Druck- und Temperatursensor stammt. Der Sensor wird im Stand der Technik in einer externen Hochdruckleitung stromabwärts hinter einem Hochdruckanschluss des E-Verdichters platziert, was zu Folgendem führt: zwei Kabelbäume, einer für den E-Verdichter und einer für den Sensor; zwei Kommunikationsanschlüsse; einen getrennten Beschaffungsaufwand für den E-Verdichter und den Sensor, welcher die vom E-Verdichter vorgegebenen Anforderungen erfüllen muss; einem hohen Aufwand für eine mechanische und elektrische Sensorintegration sowie eine Einrichtung der Kommunikation.
Bei dem vorgeschlagenen und in 5 dargestellten E-Verdichter 200 ist ein Druck- und/oder Temperatursensor 212 in eine Hochdruckleitung 210 des E-Verdichters 200 integriert. D. h. der Druck- und/oder Temperatursensor 212 ist ein fester Bestandteil des E-Verdichters 200 und ist nicht mehr in der externen Hochdruckleitung stromabwärts hinter einem Hochdruckanschluss eines E-Verdichters platziert. D. h. bei dem vorgeschlagenen E-Verdichter 200 ist der Druck- und/oder Temperatursensor 212 in der Hochdruckleitung 210 des E-Verdichters 200 stromaufwärts vor einem Hochdruckanschluss 214 des E-Verdichters 200 platziert. Hierdurch wird nur ein Kabelbaum für einen bevorzugt einzigen Kommunikations- und Leistungsanschluss 222 des E-Verdichters 200 benötigt. Eine Kommunikation mit dem E-Verdichter 200 kann im Fahrzeugsteuergerät des Fahrzeugs programmiert und konfiguriert werden.
Eine mechanische Integration benötigt nur ein einziges Gehäuse 220 und vermeidet die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schnittstelle mit Gelenken und Dichtungen, welche ein Risiko von Leckagen in der Hochdruckleitung erhöhen würden. Diese Lösung besitzt weniger Teile, da Verbindungen und Kabel eingespart werden, sie spart Kabellänge, verringert eine Anzahl der Stecker sowie einen Aufwand bei einer Programmierung des Fahrzeugsteuergeräts. Die Lösung besitzt einen geringeren Montageaufwand und weniger mechanische Schnittstellen. Es entfällt ein Beschaffungsaufwand für einen Sensor, der die vom E-Verdichter vorgegebenen Anforderungen erfüllen muss.
Das wenigstens eine nun dem E-Verdichter 200 selbst zur Verfügung stehende zusätzliche Signal aufgrund des Druck- und/oder Temperatursensors 212 ermöglicht eine Integration einer Fail-Safe-Funktion und/oder eine Leistungsherabsetzungs-Strategie bei stark erhöhtem Druck-/Temperaturniveau. Da aufgrund des Druck- und/oder Temperatursensors 212 zusätzliche Betriebsdaten des E-Verdichter 200 zur Verfügung stehen, können diese direkt für eine verbesserte Verdichter-Steuerung/Regelung, eine verbesserte Fail-Safe-Funktion und/oder eine verbesserte Leistungsherabsetzungs-Strategie verwendet werden.
Ferner sinken auf Fahrzeugebene eine Systemintegration des Fahrzeugs sowie Verpackungs- und Montageaufwand und somit Kosten. Insgesamt ergeben sich für einen in einem Fahrzeug funktionsbereiten E-Verdichter 200 geringere Kosten, da der Sensor direkt in das Gehäuse 220 integriert ist.

Claims

Batterie-Kühlmodul (5) für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptkomponenten (51, 70, 80, ...) einer Kühlung für das Fahrzeug wenigstens: eine Batterie-Kühlmittelpumpe (51) zur Kühlmittel-Versorgung einer Batterie (50) des Fahrzeugs, ein Expansionsventil (70) eines Kältemittelkreislaufs (1) des Fahrzeugs und ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (80) zum Kühlen eines Kühlmittels eines Kühlmittelkreislaufs (2) des Fahrzeugs, in das Batterie-Kühlmodul (5) für das Fahrzeug integriert sind, wobei diese Hauptkomponenten (51, 70, 80, ...) als eine einzige Baugruppe synchron im Fahrzeug verbaubar sind.
Batterie-Kühlmodul (5) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Kühlmodul (5) eine zentralisierte Batterie-Kühlmodulelektronik (6) aufweist, in welche die Elektroniken für wenigstens einen Teil seiner Hauptkomponenten (51, 70, 80, ...) oder für alle seine Hauptkomponenten (51, 70, 80, ...) integriert sind.
Batterie-Kühlmodul (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Batterie-Kühlmodul (5) ferner: ein Kühlmittelventil (10) für eine Kühlung eines Antriebsstrangs (20) des Fahrzeugs, eine Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe (21), ein Kühlmittelventil (30) für einen Kühler (100) des Fahrzeugs, ein Kühlmittelventil (60) für eine Temperierung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs, eine Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe (41), ein Fahrgastzellen-Heizelement (42) und/oder ein Batterie-Heizelement (52) integriert sind.
Batterie-Kühlmodul (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Kühlmodul (5) an/in wenigstens einer internen Fluidleitung einen Druck- und/oder Temperatursensor aufweist.
Batterie-Kühlmodul (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Kühlmodul (5) lediglich: einen einzigen Kommunikationsanschluss, einen einzigen Kabelbaum, einen einzigen elektrischen Verbinder, einen einzigen Stromanschluss und/oder ein einziges Gehäuse aufweist.
Batterie (50) oder Kühlmitteltank (90) für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass in die Batterie (50) oder in den Kühlmitteltank (90) ein Batterie-Kühlmodul (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche integriert ist.
Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) für ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einem Kühlmitteltank (90) als einer ersten Hauptkomponente eines Kühlmittelkreislaufs (2) des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptkomponenten (90, ...) einer Kühlung für das Fahrzeug: der Kühlmitteltank (90) und wenigstens eine zweite Hauptkomponente (...) des Kühlmittelkreislaufs (2) in das Kühlmitteltank-Modul (8) für das Fahrzeug integriert sind, wobei diese Hauptkomponenten (90, ...) als eine einzige Baugruppe synchron im Fahrzeug verbaubar sind.
Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) eine zentralisierte Kühlmitteltank-Kühlmodulelektronik (9) aufweist, in welche die Elektroniken für wenigstens einen Teil seiner Hauptkomponenten (90, ...) oder für alle seine Hauptkomponenten (90, ...) integriert sind.
Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, in das Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) ferner: ein Kühlmittelventil (10) für eine Kühlung eines Antriebsstrangs (20) des Fahrzeugs, eine Antriebsstrang-Kühlmittelpumpe (21), ein Kühlmittelventil (30) für einen Kühler (100) des Fahrzeugs, eine Batterie-Kühlmittelpumpe (51), ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (80) eines Kältemittelkreislaufs (1) des Fahrzeugs, ein Expansionsventil (70) des Kältemittelkreislaufs (1), ein Batterie-Heizelement (52), ein Kühlmittelventil (60) für eine Temperierung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs, eine Fahrgastzellen-Kühlmittelpumpe (41) und/oder ein Fahrgastzellen-Heizelement (42) integriert sind.
Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmitteltank-Kühlmodul (5) an/in wenigstens einer internen Fluidleitung einen Druck- und/oder Temperatursensor aufweist.
Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) lediglich: einen einzigen Kommunikationsanschluss, einen einzigen Kabelbaum, einen einzigen elektrischen Verbinder, einen einzigen Stromanschluss und/oder ein einziges Gehäuse aufweist.
Fahrzeug mit einem Elektrotraktionsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Batterie-Kühlmodul (5) und/oder ein Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) aufweist, wobei das Batterie-Kühlmodul (5) und/oder das Kühlmitteltank-Kühlmodul (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist/sind.