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Die Erfindung betrifft ein Temperiersystem für ein Kraftfahrzeug. Das Temperiersystem umfasst zumindest eine zu temperierende Fahrzeugkomponente, einen Temperierfluid führenden Temperierkreis, in welchen die zumindest eine zu temperierende Fahrzeugkomponente eingebunden ist, sowie einen mit Temperierfluid befüllten Ausgleichsbehälter, welcher an den Temperierkreis angeschlossen ist und zum Einleiten von Temperierfluid in den Temperierkreis infolge eines Temperierfluidverlusts ausgelegt ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Temperiersystem.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Temperierfluid führende Temperiersysteme für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge. Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge weisen diverse, zu temperierende Fahrzeugkomponenten, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine, eine Leistungselektronik sowie eine Traktionsbatterie, auf. Dazu sind die zu temperierenden, also zu kühlenden und/oder zu heizenden, Fahrzeugkomponenten in zumindest einen Temperierfluid führenden Temperierkreis des Temperiersystems eingebunden. Üblicherweise weist das Temperiersystem auch einen Ausgleichsbehälter auf, welcher mit Temperierfluid befüllt ist, an den Temperierkreis angeschlossen ist und dazu ausgelegt ist, einen Temperierfluidverlust in dem Temperierkreis zu kompensieren. Ein solcher Temperierfluidverlust kann betriebsbedingt, beispielsweise infolge von Temperaturschwankungen, auftreten.
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Der Temperierfluidverlust kann aber auch leckagebedingt auftreten, also wenn das Temperierfluid an einer undichten Stelle im Temperierkreis austritt. Wenn eine solche Leckage an einer kritischen Stelle, beispielsweise in einem Gehäuse der Traktionsbatterie, auftritt, der Ausgleichsbehälter zum Kompensieren dieses Temperierfluidverlusts leerläuft und danach unwissentlich neu befüllt wird, so wird dem Temperierkreis wieder Temperierfluid bereitgestellt. Dieses kann nun im Bereich der Leckage wieder austreten und beispielsweise das Gehäuse der Traktionsbatterie fluten. Dadurch kann die Fahrzeugkomponente geschädigt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperierkreis eines Kraftfahrzeugs besonders sicher gegen leckagebedingte Beschädigungen zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Temperiersystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Temperiersystem für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine zu temperierende Fahrzeugkomponente, einen Temperierfluid führenden Temperierkreis, in welchen die zumindest eine zu temperierende Fahrzeugkomponente eingebunden ist, und einen mit Temperierfluid befüllten Ausgleichsbehälter, welcher an den Temperierkreis angeschlossen ist und zum Einleiten von Temperierfluid in den Temperierkreis infolge eines Temperierfluidverlusts ausgelegt ist. Darüber hinaus umfasst das Temperiersystem ein stromauf vor der zu temperierenden Fahrzeugkomponente angeordnetes Fluidablaufventil, welches durch Einleiten von Temperierfluid infolge eines leckagebedingten Temperierfluidverlusts in den Temperierkreis aus einem Durchgangszustand in einen Ablaufzustand überführbar ist. In dem Ablaufzustand ist das Fluidablaufventil dazu ausgelegt, einen durch Nachfüllen des Temperierkreises entstehenden Temperierfluidfluss zu der Fahrzeugkomponente zum Verhindern eines Fluidschadens an der Fahrzeugkomponente zu blockieren und an eine definierte Ablaufstelle, beispielsweise in eine Umgebung des Temperiersystems oder einen dafür vorgesehenen Auffangbehälter, abzuleiten.
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Der Temperierkreis dient zum Kühlen und/oder Heizen der zumindest einen Fahrzeugkomponente, welche als eine Traktionsbatterie, beispielsweise ein Hochvoltenergiespeicher, des elektrifizierten Kraftfahrzeugs ausgebildet sein kann. Da umfasst der Temperierkreis Fluidleitungen, beispielsweise Schläuche, durch welche das in dem Temperierkreis zirkulierende Temperierfluid fließt. Das Temperierfluid ist ein flüssiges Wärmetransportmittel, beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Kältemittel. Zum Fördern des Temperierfluids und zum Steuern des Fluidflusses können außerdem Pumpen und Ventile in dem Temperierkreis angeordnet sein. Außerdem können Temperierkomponenten, beispielsweise Wärmetauscher, Heizer, Kondenser, etc., in den Temperierkreis eingebunden sein, welche Wärme zum Heizen der zumindest einen Fahrzeugkomponente bereitstellen oder zum Kühlen der zumindest einen Fahrzeugkomponente abführen.
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Die Traktionsbatterie weist ein Gehäuse auf, in welchem eine Vielzahl von Energiespeicherzellen angeordnet ist. Durch das Gehäuse ist ein Temperierkreisabschnitt des Temperierkreises, beispielsweise ein Temperierkörper, mit welchem die Energiespeicherzellen thermisch gekoppelt sind, geführt. Dieser Temperierkörper führt das Temperierfluid entlang der Energiespeicherzellen durch das Gehäuse und nimmt deren Abwärme auf und/oder gibt Heizwärme an die Energiespeicherzellen ab.
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An den Temperierkreis ist außerdem der Ausgleichsbehälter angeschlossen. Der Ausgleichbehälter ist ein mit Temperierfluid befülltes Gefäß, welches über eine Zuleitung an den Temperierkreis angeschlossen ist. Der Ausgleichsbehälter befindet sich üblicherweise an der höchsten Stelle des Temperierkreises und kann an einer Entlüftungsleitung für die zumindest eine Komponente oder die Leitungsabschnitte angebunden sein. Der Ausgleichsbehälter dient unter anderem dazu, einen betriebsbedingten Temperierfluidverlust zu kompensieren, beispielsweise infolge von Verdunstung oder Verdampfung des Temperierfluids, bzw. ein schwankendes Volumen des Temperierfluids in dem Temperierkreis, beispielsweise infolge von temperaturbedingter Ausdehnung, auszugleichen. Auch kann der Ausgleichsbehälter zur Erstbefüllung des Temperierkreises mit Temperierfluid dienen. Alternativ hierzu kann auch ein Einfüllstutzen parallel zu dem Ausgleichsbehälter und auf der Höhe des Ausgleichsbehälters angeordnet sein, über welche der Temperierkreis erstbefüllt werden kann.
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Auch bei einer Leckage bzw. Undichtigkeit in dem Temperierkreis, beispielsweise bei einem Bruch des Temperierkörpers in dem Gehäuse oder einem Riss in einer Temperierleitung, tritt durch das austretende Temperierfluid ein Temperierfluidverlust in dem Temperierkreis auf, welchem der Ausgleichsbehälter entgegenwirkt, indem Temperierfluid aus dem Ausgleichsbehälter in den Temperierkreis nachfließt. Falls nun der Ausgleichsbehälter neu befüllt wird, ohne dass die Leckage zuvor beseitigt wurde, so tritt wieder Temperierfluid über die Leckage aus dem Temperierkreis aus. Im Falle des Bruchs des Temperierkörpers kann dies zum Fluten des Gehäuses der Traktionsbatterie und damit zur Beschädigung der Energiespeicherzellen führen.
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Um dies zu verhindern, ist das Fluidablaufventil zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Fahrzeugkomponente, beispielsweise in der Zuleitung zu dem Temperierkreis, zwischen dem Einfüllstutzen und der Fahrzeugkomponente oder in einem anderen Leitungsabschnitt der Fluidleitung des Temperierkreises stromauf der Fahrzeugkomponente angeordnet. Vorzugsweise ist das Fluidablaufventil zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Fahrzeugkomponente angeordnet. In dem Durchgangszustand stellt das Fluidablaufventil einen Durchgangskanal bzw. Durchgangspfad für das Temperierfluid zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Fahrzeugkomponente bereit. Das Fluidablaufventil ist insbesondere durch einen Fluiddruck des eine vorbestimmte Füllstandgrenze in dem Ausgleichsbehälter überschreitenden Temperierfluids in dem Durchgangszustand gehalten. Der Durchgangszustand ist insbesondere ein durch Vorsteuern, beispielsweise Vorspannen, bereitgestellter und durch den Fluiddruck aufrechterhaltener instabiler Zustand des monostabilen Fluidablaufventils.
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Durch Abfall des Fluiddrucks bei Unterschreitung der vorbestimmten Füllstandgrenze infolge der leckagebedingten Einleitung von Temperierfluid in den Temperierkreis ist das Fluidablaufventil in den Ablaufzustand überführbar. Sobald also nach einer Leckage der Ausgleichsbehälter den Temperierfluidverlust kompensiert hat und beispielsweise leergelaufen ist, wird das Fluidablaufventil aufgrund des verringerten bzw. fehlenden Fluiddrucks in den Ablaufzustand überführt, in welchem es einen Ablaufkanal bzw. Ableitpfad zwischen dem Ausgleichsbehälter und der definierten Ablaufstelle bereitstellt. Wenn nun Temperierfluid in den Ausgleichsbehälter oder in den Einfüllstutzen nachgefüllt wird, so wird dieses nachgefüllte Temperierfluid nicht mehr der Fahrzeugkomponente und damit der Leckage zugeführt, sondern abgeleitet, beispielsweise auf eine Stellfläche des Kraftfahrzeugs oder, insbesondere im Falle von umweltschädlichem oder giftigem Temperierfluid, in den Auffangbehälter. Dieser Ablaufzustand ist dabei insbesondere ein stabiler Grundzustand des monostabilen Fluidablaufventils. Dies bedeutet, dass es bei erneutem Befüllen des Temperierkreises nicht wieder automatisch rückgestellt wird und in den Durchgangszustand zurückgeführt wird. Aus diesem Ablaufzustand ist das Fluidablaufventil somit insbesondere nur über erneute Vorsteuerung in den Durchgangszustand, nicht aber über erneuten, nachfüllbedingten Fluiddruck in dem Ausgleichsbehälter, überführbar.
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Durch ein solches Fluidableitventil kann auf einfache Weise ein leckagebedingter Fluidschaden an der Fahrzeugkomponente verhindert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Fluidablaufventil ein federbelastetes Verschlusselement auf, welches in dem instabilen Zustand vorgespannt ist und den Durchgangskanal freigibt und den Ablaufkanal blockiert und welches in dem stabilen Zustand entspannt ist und den Durchgangskanal blockiert und den Ablaufkanal freigibt. Das federbelastete Verschlusselement weist einen, beispielsweise zylindrischen oder kugelförmigen, Verschlusskörper auf, welcher mit einer Feder gekoppelt ist. Diese Feder ist zum Bereitstellen des Durchgangszustands entgegen ihrer Rückstellkraft vorgespannt und positioniert dadurch den Verschlusskörper derart, dass er den Ablaufkanal absperrt oder blockiert. Zum Bereitstellen des Ablaufzustands ist die Feder entspannt und positioniert dadurch den Verschlusskörper derart, dass er den Durchgangskanal absperrt oder blockiert. Insbesondere ist die Rückstellkraft des federbelasteten Verschlusselementes quer zur einer Hauptfließrichtung des Temperierfluids durch das Fluidablaufventil orientiert.
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Bevorzug weist das Fluidablaufventil einen von dem Durchgangskanal abzweigenden, nur in dem vorgespannten Zustand von dem Temperierfluid durchströmbaren Steuerkanal sowie einen in dem Steuerkanal angeordneten Stift auf, welcher durch den Fluiddruck in dem Steuerpfad in einer ersten Position zum Aufrechterhalten des vorgespannten Zustands des Verschlusselementes gehalten ist und sich durch Abfall des Fluiddrucks in dem Steuerpfad in eine zweite Position zum Bereitstellen des entspannten Zustands des Verschlusselementes bewegt. Der Steuerkanal wird in dem vorgespannten Zustand des Verschlusselementes parallel zu dem Durchgangskanal von dem Temperierfluid durchströmt. Dadurch wirkt der Fluiddruck auf den, beispielsweise bolzenförmigen, Stift, welcher dadurch eine entgegen der Rückstellkraft gerichtete Anpresskraft auf den Verschlusskörper ausübt. Der Verschlusskörper ist somit zwischen der Feder und dem Stift eingespannt. Sobald der Fluiddruck abfällt, fällt die Anpresskraft weg und die Feder kann sich entspannen.
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Dabei sind insbesondere eine Rückstellkraft des Verschlusselements sowie eine Anpresskraft des Stiftes auf das Verschlusselement quer zur einer Fließrichtung des Temperierfluids durch das Fluidablaufventil orientiert, wobei zum Verhindern einer fluiddruckbedingten Rücküberführung des Fluidablaufventils aus dem entspannten Zustand in den vorgespannten Zustand der Steuerkanal in dem entspannten Zustand durch das Verschlusselement blockiert ist. Durch die insbesondere senkrechte Orientierung der Anpresskraft und der Rückstellkraft zu der Orientierung des Fluidflusses kann im Ablaufzustand verhindert werden, dass der auf das Verschlusselement wirkende Fluidfluss das Verschlusselement aus dem Durchgangskanal bewegt. Dadurch, dass in diesem Ablaufzustand der Steuerkanal nicht von dem Temperierfluid durchströmbar ist, kann außerdem verhindert werden, dass der Fluiddruck den Stift bewegt, sodass dieser die Anpresskraft auf das Verschlusselement ausübt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Fluidablaufventil mittels einer Vorspanneinrichtung initial und/oder nach Beseitigung der Leckage zum Bereitstellen des Durchgangszustands vorspannbar ist. Eine solche Vorspanneinrichtung kann beispielsweise ein magnetisches Vorspannwerkzeug oder eine anziehbare Schraube sein.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Temperiersystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Temperiersystem vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Temperiersystems eines Kraftfahrzeugs in einem Normalbetrieb,
- 2 eine schematische Darstellung eines Fluidablaufventils des Temperiersystems;
- 3 das Temperiersystem bei einer Leckage;
- 4 das Temperiersystem beim Nachfüllen von Temperierfluid trotz der Leckage; und
- 5 das Temperiersystem beim Wiederherstellen des Normalbetriebs nach Beseitigung der Leckage.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Temperiersystem 1 in einem Normalbetrieb für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Das Temperiersystem 1 weist eine Fahrzeugkomponente 2, hier eine Traktionsbatterie 3, auf, welche zum Temperieren in einen Temperierfluid 4 führenden Temperierkreis 5 eingebunden ist. Außerdem sind in den Temperierkreis 5 Temperierkomponenten 6, beispielsweise Wärmetauscher, Pumpen, Ventile, etc. eingebunden. Ein Temperierkreisabschnitt 7 führt hier durch ein Gehäuse 8 der Traktionsbatterie 3. Außerdem weist das Temperiersystem 1 einen Ausgleichsbehälter 9 auf, welcher über eine Temperierfluid 4 führende Zuleitung 22 und über eine Luft führende Entlüftungsleitung 23 mit der Fahrzeugkomponente 2 zum Entlüften der Fahrzeugkomponente 2 fluidisch gekoppelt ist. Zwischen dem Ausgleichsbehälter 9 und der Fahrzeugkomponente 2 ist in hier der Zuleitung 22 ein Fluidablaufventil 10 angeordnet, welches in 1 in einem Durchgangszustand gezeigt ist. 2 zeigt nur das Fluidablaufventil 10 in dem Durchgangszustand. Die Temperierfluid 4 führenden Abschnitte des Temperierkreises 5 in 1 bis 5sind jeweils schraffiert dargestellt.
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Das Fluidablaufventil 10 ist ein Wegeventil und weist einen Eingang E und zwei Ausgänge A1, A2 auf. Zwischen dem Eingang E und einem ersten Ausgang A1 ist ein Durchgangskanal 11 ausgebildet. Zwischen dem Eingang E und einem zweiten Ausgang A2 ist ein Ablaufkanal 12 ausgebildet. Der Eingang E ist hier mit dem Ausgleichsbehälter 9, der erste Ausgang A1 ist mit der Fahrzeugkomponente 2 und der zweite Ausgang A2 ist mit einer definierten Ablaufstelle 13 des Temperierkreises 5 fluidisch gekoppelt. Dadurch stellt der Durchgangskanal 11 eine fluidische Kopplung zwischen dem Ausgleichsbehälter 9 sowie der Fahrzeugkomponente 2 her und bildet somit eine Fluidseite des Fluidablaufventils 10. Der Ablaufkanal 12 bildet eine fluidische Kopplung zwischen dem Ausgleichsbehälter 9 sowie der definierten Ablaufstelle 13 und bildet somit eine Luftseite des Fluidablaufventils 10. Der Durchgangskanal 11 und der Ablaufkanal 12 sind in einem Ventilgehäuse 14 angeordnet. In dem Ventilgehäuse 14 ist außerdem ein federbelastetes Verschlusselement 15 mit einem Verschlusskörper 16 sowie mit einer mit dem Verschlusskörper 16 verbundenen Feder 17 angeordnet.
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Die Feder 17 ist zum Bereitstellen des Durchgangszustands des Fluidablaufventils 10 vorgespannt, sodass der Verschlusskörper 16 den Durchgangskanal 11 freigibt und den Ablaufkanal 12 blockiert. Der vorgespannte Zustand der Feder 17 und damit die Freigabe des Durchgangskanals 11 werden durch den Fluiddruck des Temperierfluids 4, welches in dem Ausgleichsbehälter 9 eine vorbestimmte Füllstandgrenze überschreitet, aufrechterhalten. Der Fluiddruck wirkt hier auf einen Stift 18, welcher in einem von dem Durchgangskanal 11 abzweigenden und parallel zu dem Durchgangskanal 11 geführten Steuerkanal 19 angeordnet ist. Im Durchgangszustand durchströmt das Temperierfluid 4 auch den Steuerkanal 19, sodass der Fluiddruck auf den Stift 18 wirkt. Dieser Stift 18 drückt dadurch entgegen einer Rückstellkraft der Feder 17 auf den Verschlusskörper 16. Dadurch wird die Feder 17 in dem vorgespannten Zustand 17 gehalten und der Verschlusskörper 16 hält den Durchgangskanal 11 frei. Die Anpresskraft des Stiftes 18, welche parallel zur Rückstellkraft der Feder 17 orientiert ist, ist dabei senkrecht zur Flussrichtung des Temperierfluids 4 durch den Durchgangskanal 11 orientiert.
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In 3 ist ein Fehlerzustand des Temperiersystems 1 gezeigt, in welchem der Temperierkreis 5, hier der durch das Gehäuse 8 führende Temperierkreisabschnitt 7, eine Leckage 20 aufweist. Dadurch tritt Temperierfluid 4 an der Leckage 20 aus und sammelt sich hier in dem Gehäuse 8 an. Um diesen leckagebedingten Temperierfluidverlust zu kompensieren, leert sich der Ausgleichsbehälter 9 und stellt somit dem Temperierkreis 5 Temperierfluid 4 bereit. Dadurch unterschreitet das Temperierfluid 4 in dem Ausgleichsbehälter 9 die vorbestimmte Füllstandgrenze und der auf den Stift 18 und damit auf die Feder 17 wirkende Fluiddruck fällt weg. Hierdurch kann sich die Feder 17 entspannen und der Verschlusskörper 16 bewegt sich derart, dass er den Durchgangskanal 11 sowie den Steuerkanal 19 blockiert und den Ablaufkanal 12 freigibt. Dies entspricht einen Ablaufzustand des Fluidablaufventils 10.
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Wird nun, wie in 4 gezeigt, extern Temperierfluid 4' in den Ausgleichsbehälter 9 nachgefüllt, so fließt dieses nachgefüllte Temperierfluid 4' über den Ablaufkanal 12 zu der definierten Ablaufstelle 13 ab. Dadurch, dass der Steuerkanal 19 durch den Verschlusskörper 16 blockiert ist, wird der Ablaufzustand des Fluidablaufventils 10 auch trotz des erneuten Fluiddrucks, welchen das in den Ausgleichsbehälter 9 nachgefüllte Temperierfluid 4' bereitstellen kann, aufrechterhalten, sodass verhindert wird, dass der Durchgangskanal 11 erneut freigegeben wird und das Temperierfluid 4' zu der Leckage 20 fließen kann. Dadurch kann verhindert werden, dass das Gehäuse 8, welches zwar eine gewisse Menge an ausgetretenem Temperierfluid 4 fassen kann, durch das nachgefüllte Temperierfluid 4' geflutet wird und dadurch die Traktionsbatterie 3 geschädigt wird.
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5 zeigt eine Wiederherstellung des Normalbetriebs nach Beseitigung der Leckage 20. Dabei wird mittels einer Vorspanneinrichtung 21, beispielsweise eines magnetischen oder mechanischen Vorspannwerkzeugs, welches insbesondere manuell von einer Fachkraft bedient wird, die Feder 17 erneut vorgespannt und der Ausgleichsbehälter 9 wird mit Temperierfluid 4' befüllt. Dabei wird so viel Temperierfluid 4' nachgefüllt, dass sich dieses in dem Temperierkreis 5 verteilen kann und sich außerdem eine ausreichende, die Füllstandgrenze überschreitende Menge in dem Ausgleichsbehälter 9 ansammelt. Durch das Vorspannen der Feder 17 gibt der Verschlusskörper 16 den Durchgangspfad 11 wieder frei. Durch das Nachfüllen des Ausgleichsbehälters 9 mit dem Temperierfluid 4' überschreitet dieses in dem Ausgleichsbehälter 9 wieder die Füllstandgrenze und übt wieder Fluiddruck auf den Stift 18 aus, welcher die Feder 17 in dem vorgespannten Zustand hält.
