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Die Erfindung betrifft ein Fluidsystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit
einer Kälteanlage, die aufweist: einen Kältemittelverdichter, einen ersten Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator oder Gaskühler, einen zweiten Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer, und einen Kältemittelsammler; einer Löschanlage, die aufweist: wenigstens einen Löschmittelbehälter, wenigstens eine mit dem Löschmittelbehälter verbundene Löschmittelleitung, die mit einem Batteriespeicher des Kraftfahrzeugs verbindbar oder verbunden ist;
wenigstens einer Verbindungsleitung, welche die Kälteanlage und die Löschanlage fluidtechnisch miteinander verbindet, wobei der Verbindungsleitung eine Absperreinrichtung zugeordnet ist; und mit
einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Kälteanlage oder/und der Löschmittelanlage zu steuern bzw. zu regeln.
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Aus der
CN 112 618 997 A ist es bekannt, einen Batteriespeicher dauernd von einem Kältemittel umströmen zu lassen, so dass das Kältemittel im Falle es thermischen Ereignisses in den Batteriespeicher bzw. einen betroffenen Batteriezellenblock eintreten kann. Im Falle eines thermischen Ereignisses steht somit nur eine sehr beschränkte Menge an Kältemittel zur Verfügung, um ein thermisches Ereignis eindämmen zu können.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Fluidsystem anzugeben, das eine ausreichende Menge an Löschmittel zur Verfügung stellen kann, um ein thermisches Ereignis im Batteriespeicher wirkungsvoll zu bekämpfen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fluidsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also ein Fluidsystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit
einer Kälteanlage, die aufweist: einen Kältemittelverdichter, einen ersten Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator oder Gaskühler, einen zweiten Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer, und einen Kältemittelsammler; einer Löschanlage, die aufweist: wenigstens einen Löschmittelbehälter; wenigstens eine mit dem Löschmittelbehälter verbundene Löschmittelleitung, die mit einem Batteriespeicher des Kraftfahrzeugs verbindbar oder verbunden ist;
wenigstens einer Verbindungsleitung, welche die Kälteanlage und die Löschanlage fluidtechnisch miteinander verbindet, wobei der Verbindungsleitung eine Absperreinrichtung zugeordnet ist; und mit
einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Kälteanlage oder/und der Löschmittelanlage zu steuern bzw. zu regeln.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, im Kälteanlagenbetrieb in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Löschanlage, Löschmittel aus der Löschanlage zu entnehmen und in den Batteriespeicher einzuleiten.
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Hierdurch wird ist eine zielgerichtete Aktivierung eines Löschmittelstroms ermöglicht, wenn beispielsweise ein thermisches Ereignis in bzw. an dem Batteriespeicher festgestellt wird. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass der Betriebsparameter der Löschanlage breit verstanden werden kann. Insbesondere kann es sich hierbei um einen oder mehrere überschrittene (Temperatur-)Grenzwerte handeln oder um ein Aktivierungssignal der Löschanlage, das beispielweise basierend auf einem oder mehreren Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs bzw. des Batteriespeichersystem ermittelt worden ist.
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Bei dem Fluidsystem kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, im Kälteanlagenbetrieb die Absperreinrichtung der Verbindungsleitung in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter der Löschmittelanlage oder/und in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Kältemittelanlage zu öffnen, um Kältemittel zur Löschmittelanlage zu fördern. Hierdurch ist es möglich, Kältemittel, das in der Kälteanlage vorliegt bzw. zirkuliert, bedarfsweise gezielt in die Löschanlage einzuleiten, um im Falle eines thermischen Ereignisses mehr löschwirksames Fluid bereitstellen zu können.
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Bei dem Fluidsystem kann eine erste Verbindungsleitung auf einer Hochdruckseite der Kälteanlage stromabwärts von dem Kältemittelverdichter abzweigen. Somit ist es möglich, Kältemittel unter hohem Druck aus der Kälteanlage in Richtung der Löschanlage zu verlagern.
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Der Abzweig kann beliebig auf dem gesamten hochdruckseitigen Abschnitt eine Kälteanlage erfolgen, wobei der höchste Systemdruck in der Regel unmittelbar stromabwärts der Verdichters vorliegt.
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Dabei kann die erste Verbindungsleitung in der Löschanlage in den Löschmittelbehälter münden. Hierdurch kann der Löschmittelbehälter im Bedarfsfall mit Kältemittel, das dann als Löschmittel fungiert, nachgefüllt werden.
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Alternativ kann die erste Verbindungsleitung in der Löschanlage in die Löschmittelleitung münden, insbesondere stromabwärts von dem Löschmittelbehälter oder/und stromabwärts von einer in der Löschmittelleitung angeordneten Löschmittelventileinrichtung münden. Hierdurch ist es möglich, Kältemittel, das als Löschmittel fungiert, unmittelbar in die Löschmittelleitung und somit in den Batteriespeicher einzuleiten, wobei der Löschmittelbehälter umgangen werden kann.
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Bei dem Fluidsystem kann die Absperreinrichtung derart ausgeführt sein, dass sie druckabhängig geöffnet wird oder pyrotechnisch geöffnet wird oder als ansteuerbares Absperrventil ausgeführt ist.
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Es ist also beispielsweise möglich, dass in der Verbindungsleitung eine Art Absperrmembran oder Absperrelement angeordnet ist, die bzw. das als Sollbruchstelle dient und unter einem erhöhten Kältemitteldruck bricht. In diesem Zusammenhang kann die Steuereinheit auch dazu eingerichtet sein, den Kältemittelverdichter so anzusteuern, dass in der Kälteanlage der für das Brechen des Absperrelements erforderliche Kältemitteldruck zumindest kurzzeitig erzeugt wird.
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Ein Absperrelement oder eine Absperrmembran können auch mittels eines pyrotechnisch unterstützten Vorgangs zerstört werden, um den Fluss von Kältemittel zu der Löschanlage zu ermöglichen. Das Auslösen eines solchen pyrotechnischen Vorgangs kann dabei durch die Steuereinheit ausgelöst werden, sofern entsprechende Bedingungen erfüllt sind, die auf ein thermisches Ereignis in dem Batteriespeicher hinweisen.
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Ein ansteuerbares Absperrventil kann reversibel geöffnet und geschlossen werden, wobei es insbesondere dann geöffnet wird, wenn Kältemittel zu der Löschanlage gefördert werden soll.
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Bei dem Fluidsystem kann eine zweite Verbindungsleitung auf einer Niederdruckseite der Kälteanlage stromaufwärts von dem Kältemittelverdichter abzweigen. Dabei kann die zweite Verbindungsleitung stromabwärts von dem Löschmittelbehälter münden oder/und stromabwärts von einer in der Löschmittelleitung angeordneten Löschmittelventileinrichtung münden. Somit ist es auch möglich, Kältemittel niederdruckseitig aus der Kälteanlage zu entnehmen, wobei der übliche Niederdruck in der Kälteanlage insbesondere im Ruhezustand höher sein kann als der Druck von Löschmittel in der Löschmittelanlage je nach Art des eingesetzten Mediums.
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Bei dem Fluidsystem kann in der Löschanlage als Löschmittel CO2 gespeichert sein und in der Kälteanlage kann ein Kältemittel enthalten sein, das nicht brennbar ist oder eine Löschwirkung aufweist, insbesondere R744, also ebenfalls CO2, oder Fluorkohlenwasserstoffverbindungen.
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Bei dem Fluidsystem kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter der Löschanlage die Kälteanlage derart einzustellen, dass in der Kälteanlage vorhandenes Kältemittel im Wesentlichen vollständig in die Löschanlage strömt. Insbesondere kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, nicht aktiv durchströmte Leitungsabschnitte bzw. Bereiche der Kälteanlage freizugeben bzw. entsprechende Ventileinrichtungen zu öffnen, um dort verfügbares Kältemittel ebenfalls für die Löschanlage zur Verfügung stellen zu können.
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Bei dem Fluidsystem kann der Verbindungsleitung, eine Ölabscheideeinrichtung zugeordnet sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Kältemittel enthaltenes Öl vor der Einleitung in die Löschanlage abgeschieden wird und über entsprechende Leitungen wieder der Kälteanlage zugeführt werden kann. Die Ölabscheideeinrichtung kann daher wenigstens eine Ölleitung aufweisen, die beispielsweise im Bereich des Kältemittelverdichters mündet, so dass dort abgeschiedenes Öl wieder dem Kältemittel beigemengt werden kann.
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Ein Kraftfahrzeug mit einem zumindest teilweise elektrischen Antrieb kann mit einem oben beschriebenen Fluidsystem ausgerüstet sein.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung ein Prinzipschaltbild eines Fluidsystems für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug.
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In 1 ist vereinfacht und schematisch ein Prinzipschaltbild eines Fluidsystems 100 gezeigt. Das Fluidsystem 100 kann Teil eines hier nur als Rechteck illustrierten Kraftfahrzeugs 200 sein, das zumindest teilweise elektrisch oder das vollelektrisch angetrieben ist.
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Das Fluidsystem 100 weist eine im linken Bereich der 1 dargestellte Kälteanlage 10 und eine im rechten Bereich der 1 dargestellte Löschanlage 50 auf.
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Die Kälteanlage 10, die in der 1 lediglich in einer Art minimalen Konfiguration dargestellt ist, umfasst einen Kältemittelverdichter 12, einen ersten Wärmeübertrager 18, insbesondere Kondensator oder Gaskühler, einen zweiten Wärmeübertrager 22, insbesondere Verdampfer, und einen Kältemittelsammler 24. Optional weist die Kälteanlage 10 einen inneren Wärmeübertrager 20 auf.
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Die dargestellte minimale Konfiguration der Kälteanlage 10 kann um weitere Komponenten erweitert werden, ohne dass dies am Konzept des hier vorgestellten Fluidsystems 100 prinzipiell etwas ändert. Beispielsweise kann die Kälteanlage mit weiteren Wärmeübertragern auch als Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion ausgestaltet sein.
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Das Fluidsystem 100 umfasst ferner eine insbesondere der Kälteanlage 10 zugeordnete Steuereinheit 30. Die Steuereinheit 30 ist dazu eingerichtet, den Betrieb der Kälteanlage 10 zu steuern bzw. zu regeln und wenigstens einen Betriebsparameter der Kälteanlage 10 zu erfassen. Rein beispielhaft sind in der 1 strichpunktiert einige Signalleitungen 32 dargestellt, die mit unterschiedlichen Komponenten des Fluidsystems 100 bzw. der Kälteanlage 10 verbunden sind.
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Beispielsweise kann die Steuereinheit 30 mit einem oder mehreren Sensoren pT1, pT2, pT3 verbunden sein, die dazu eingerichtet sind, an unterschiedlichen Stellen des Kältemittelkreislaufs den Druck oder/und die Temperatur des Kältemittels zu erfassen. Ferner kann die Steuereinheit 30 mit dem Kältemittelverdichter 12 verbunden sein, um diesen anzusteuern. Die Sensorik kann als kombiniertes oder als separates Bauteil für die Erfassung von Druck oder/und Temperatursignalen ausgeführt werden.
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Die Löschanlage 40 umfasst wenigstens einen Löschmittelbehälter 42 und wenigstens eine mit dem Löschmittelbehälter 42 verbundene Löschmittelleitung 44, die mit einem Batteriespeicher 202 des Kraftfahrzeugs verbindbar oder verbunden ist. Die Löschanlage 40 ist dazu eingerichtet, im Falle einer nicht erwünschten Hitzeentwicklung im Bereich des Batteriespeichers 202, diesen mit Löschmittel zu fluten, um einer übermäßigen Hitzeentwicklung entgegenzuwirken. Die Löschanlage 40 kann ein der Löschmittelleitung 44 zugeordnetes Löschmittelventil 46 aufweisen, das bedarfsweise geöffnet werden kann, wenn Löschmittel aus dem Löschmittelbehälter 42 zu dem Batteriespeicher 202 geleitet werden soll. Das Löschmittelventil 46 ist in einem Normalbetriebszustand des Kraftfahrzeugs bzw. des Fluidsystems 100 geschlossen.
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Das Fluidsystem 100 umfasst ferner wenigstens eine Verbindungsleitung 102, 102a, welche die Kälteanlage 10 und die Löschanlage 40 fluidtechnisch miteinander verbindet. Dabei ist der (ersten) Verbindungsleitung 102a eine Absperreinrichtung 104a zugeordnet. Die Absperreinrichtung 104a kann ein Absperrventil sein, wie dies auch zeichnerisch dargestellt ist. Alternativ kann die Absperreinrichtung 104a aber auch als in der Verbindungsleitung 102a angeordnetes Absperrelement bzw. Absperrmembran ausgebildet sein, die unter hohem Kältemitteldruck oder unter pyrotechnischer Einwirkung bricht, um Kältemittelfluss von der Kälteanlage 10 in die Löschanlage 40 zu ermöglichen.
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Bei dem Fluidsystem 100 kann die Steuereinheit 30 dazu eingerichtet sein, im laufenden Kälteanlagenbetrieb die Absperreinrichtung 104a der Verbindungsleitung 102a anzusteuern, so dass in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Betriebsparameter der Löschanlage 40 Löschmittel aus der Kälteanlage 10 entnehmbar und in die Löschanlage 40 einleitbar ist.
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Die Verbindungsleitung 102a kann auf einer Hochdruckseite der Kälteanlage 10 stromabwärts von dem Kältemittelverdichter 12 abzweigen, beispielweise an einem Abzweig Ab5. Die Verbindungsleitung 102a kann in der Löschanlage 40 in den Löschmittelbehälter 42 münden, was durch die durchgezogenen Linie illustriert ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Verbindungsleitung 102a in der Löschanlage 40 in die Löschmittelleitung 44 mündet, insbesondere stromabwärts von dem Löschmittelbehälter 42 oder/und stromabwärts von einer in der Löschmittelleitung 44 angeordneten Löschmittelventileinrichtung 46 mündet, was gestrichelt illustriert ist. In einem solchen Fall verläuft die Verbindungsleitung 102a von dem Abzweig Ab5 zu einem Abzweig Ab6, ohne dass eine Verbindung in den Löschmittebehälter 42 besteht.
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In dem Beispiel der Verbindungsleitung 102a ist eine optionale Ölabscheideeinrichtung 108a dargestellt. Die Ölabscheideeinrichtung 108a ist über eine Ölleitung 110a so mit der Kälteanlage 10 verbunden, so dass abgeschiedenes Öl wieder dem Kältemittel der Kälteanlage zuführbar ist, insbesondere stromaufwärts von oder bei dem Kältemittelverdichter 12. Eine Ölabscheidevorrichtung 108 ist bevorzugt in Leitungsabschnitten, die von der Kälteanlage wegführend sind, anzuordnen.
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Das Fluidsystem 100 kann eine zweite Verbindungsleitung 102 aufweisen, die auf einer Niederdruckseite der Kälteanlage 10 stromaufwärts von dem Kältemittelverdichter 12 abzweigt. Dabei kann die zweite Verbindungsleitung 102 stromabwärts von dem Löschmittelbehälter 42 münden oder/und stromabwärts von einer in der Löschmittelleitung 44 angeordneten Löschmittelventileinrichtung 46, was durch den Abzweig Ab6 illustriert ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine oben in Bezug auf die erste Verbindungsleitung 102a erwähnte Ölabscheideeinrichtung auch in der zweiten Verbindungsleitung 102 vorgesehen werden kann, auch wenn dies nicht explizit in 1 dargestellt ist
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Die zweite Verbindungsleitung 102 kann an unterschiedlichen Stellen der Kälteanlage 10 abzweigen, was durch die verschiedenen Abzweigungen Ab1, Ab2 und Ab3 illustriert ist. Optional kann die zweite Verbindungsleitung 102 mittels einer Ventileinrichtung 104 mit dem Löschmittelbehälter 42 verbunden sein. Hierdurch kann Kältemittel aus der Kälteanlage 10 nicht nur der Löschanlage 40 zur Verfügung gestellt werden, sondern es kann ein aktives Kältemittelmanagement betrieben werden, bei dem Kältemittel in den oder aus dem Löschmittelbehälter 42 aus der oder in die Kälteanlage 10 gefördert wird.
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Hinsichtlich der Entleerungsstrategie von Kälteanlage 10 und Löschvorrichtung 40 können unterschiedliche Vorgehensweisen zur Umsetzung kommen:
- - es kann zunächst der Löschmittelbehälter 42 entleert werden und bei Bedarf das Fluid der Kälteanlage 10 nachgelagert mitberücksichtigt werden;
- - es kann umgekehrt zunächst das Fluid der Kälteanlage 10 als Löschfluid eingesetzt werden, bevor im Anschluss das des Löschmittelbehälters 42 folgt;
- - es können die Fluide beider Systemabschnitte Kälteanlage 10 und Löschanlage 40 werden gleichzeitig oder im Wechsel der Batterie 202 zugeführt.
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Sollte die Steuereinheit 30 detektieren, dass der kritische Fall des thermischen Ereignisse im Hochvoltspeicher (Batterie 202) bereits kurzfristig eingedämmt werden konnte, so kann die (Lösch-)Fluidbeimischung unterbrochen werden und ggf. muss nicht auf die Inhalte beider Systeme (Kälteanlage 10 und Löschanlage 40) zurückgegriffen werden, so dass eine Kälteanlage 10 in diesem Fall u.U. vollkommen außen vor und in ihrem „Grundfüllzustand“ verbleibt.
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Weist die Topologie einer Kälteanlage 10 inaktive Systemabschnitte auf, die für einen eingestellten Betriebszustand temporär inaktiv und segmentiert sind, so ist im Löschfall dafür Sorge zu tragen, dass auch das in diesen Abschnitte gespeicherte Kältemittel dem Löschprozess verfügbar gemacht wird; die Ventile sind zu öffnen, so dass dort eingelagertes Kältemittel mit Verwendung finden kann.
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In der Löschanlage 40 kann als Löschmittel CO2 gespeichert sein, insbesondere in dem Löschmittelbehälter 42. In der Kälteanlage 10 kann ein Kältemittel enthalten sein, das nicht brennbar ist oder eine Löschwirkung aufweist, insbesondere R744, also auch CO2, oder geeignete Fluorkohlenwasserstoffverbindungen. Kommen Löschanlage 42 und Kälteanlage 10 nur zu Löschzwecken in direkten Fluidkontakt, so können beide Fluide unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Sobald neben der reinen Löschfunktion auch ein Betriebszustand der Fluidvermischung im regulären Anlagenbetrieb wie bspw. einem Kältemittelmanagement auftreten kann, so müssen beide Fluide in ihrer Zusammensetzung und Reinheit dieselbe Güte aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 112618997 A [0002]
- DE 102008059942 A1 [0003]
- DE 102015118716 A1 [0003]
