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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 und ein System zum Laden des zuvor genannten Fahrzeuges gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 10.
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Im Stand der Technik sind Fahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge, mit mindestens einer elektrisch wiederaufladbaren Batterie, insbesondere einem Akkumulator, mit mindestens einem geschlossenen Batterie-Temperierkreislauf, mit mindestens einem Wärmeübertrager, und mit mindestens einem Fahrzeug-Temperierkreislauf bekannt. Das Fahrzeug ist zum Laden der Batterie funktionstechnisch wirksam mit einer Ladestation verbindbar. Diese funktionstechnisch wirksame Verbindung mit der Ladestation zum Laden der Batterie erfolgt üblicherweise mittels eines Stromkabels, wobei das Stromkabel in das Fahrzeug einerseits und in die Ladestation anderseits mit jeweils einem Stecker eingesteckt wird. Ein Batterie-Temperierfluid, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, ist durch den Batterie-Temperierkreislauf hindurch, insbesondere mittels einer Pumpe, führbar. Die Batterie ist mittels des Batterie-Temperierfluides, insbesondere mittels eines Batterie-Temperierers, temperierbar. Beim Temperieren wird das zu temperierende Bauteil oder Fluid erwärmt oder gekühlt. Insbesondere wird das zu temperierende Bauteil oder Fluid mittels einer Steuer- und/oder Regelung (durch das Erwärmen oder Kühlen) auf einer konstanten Temperatur gehalten. Mit den Begriffen „Erwärmen oder Kühlen“ ist somit insbesondere auch eine „Wärmezu- oder eine Wärmeabfuhr“, insbesondere auch bei der Realisierung einer konstanten Temperatur eines Fluids oder eines Bauteils gemeint. Das Batterie-Temperierfluid ist mittels des Wärmeübertragers daher temperierbar. Der Fahrzeug-Temperierkreislauf ist geschlossen und strömungstechnisch getrennt von dem Batterie-Temperierkreislauf ausgebildet. Z.B. dient der Fahrzeug-Temperierkreislauf während der Fahrt des Fahrzeuges dazu einen Motor des Fahrzeuges zu kühlen.
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In der
DE 10 2011 082 565 A1 ist beispielsweise ein solches Fahrzeug offenbart. Der Batterie-Temperierkreislauf und ein externer Temperierkreislauf sind zur Temperierung des Batterie-Temperierfluides funktionstechnisch, insbesondere mittels einer formschlüssigen Verbindung, koppelbar. Der Wärmeübertrager ist hier mit einer - dem Batterie-Temperierkreislauf strömungstechnisch zugehörigen - Batterieseite und mit einer - dem externen Temperierkreislauf strömungstechnisch zugehörigen - Ladestationsseite durch die entsprechende funktionstechnische Kopplung ausgebildet. Anders gesagt, es wird eine Kopplung des externen Temperierkreislaufes und des Batterie-Temperierkreislaufes mittels der Bauteile des hier so realisierten Wärmeübertragers ermöglicht. Die Kopplung erfolgt mechanisch und weiterhin wärmetechnisch, wobei nach einer Kopplung mittels des Wärmeübertragers Wärme zwischen dem externen Temperierkreislauf und dem Batterie-Temperierkreislauf austauschbar ist. Ein Ladevorgang mittels eines Systems zum Laden des Fahrzeuges könnte zum Beispiel wie folgt beschrieben bzw. eingeleitet, durchgeführt und abgeschlossen werden. Das Fahrzeug wird zunächst zu der Ladestation gefahren und dann stromtechnisch mittels zumindest eines Steckers und wärmetechnisch mit Hilfe der Bauteile des Wärmeübertragers mit der Ladestation gekoppelt. Nun erfolgt ein Laden der Batterie mittels der Ladestation und ein simultanes Kühlen der Batterie mittels des Batterie-Temperierfluides. Nach dem Abschluss des Ladevorgangs wird das Fahrzeug stromtechnisch und wärmetechnisch wieder von der Ladestation entkoppelt und kann im Anschluss von der Ladestation weggefahren werden. In der
DE 10 2011 082 565 A1 ist weiterhin die genaue, formschlüssige Verbindung der Bauteile des Wärmeübertragers gezeigt.
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Bei dieser bereits bekannten Art der Kühlung der Batterie während des Ladevorgang ist teilweise keine ausreichende Abfuhr der an der Batterie entstehenden Wärmeenergie mittels des Batterie-Temperierfluides möglich. Insbesondere beim Schnellladen von Batterien werden in den Batterien aber große Wärmemengen generiert. Die Ladeleistung wird somit durch die unzureichende Kühlung der Batterie begrenzt, was dann zu entsprechend verlängerten Ladezeiten der Batterie führt.
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Aus der
CN108357392A , der
CN211879561U , der
US 2020/0338998 A1 und der
US 2020/0290469 A1 sind weitere Systeme zum Kühlen einer Batterie eines Fahrzeuges während des Ladens der Batterie bekannt, wobei während des Ladens ein Temperierfluid von einer Ladestation dem Batterie-Temperierer der Batterie des Fahrzeuges zugeführt wird. Dabei ergibt sich das Problem, dass vor dem Laden der Batterie eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug erzeugt werden muss. Diese strömungstechnische Verbindung muss abgedichtet werden, was aufgrund des häufigen Erzeugens und Lösens der Verbindung, nämlich bei jedem Ladevorgang, problematisch ist. Aufgrund des häufigen Erzeugens und Lösens der Verbindung kann weiterhin Luft anstatt des Temperierfluides in den Batterie-Temperierer gelangen, was zu einer Verschlechterung der Kühlung der Batterie führt. Die bisher im Stand der Technik bekannten Systeme sind daher noch nicht optimal ausgebildet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Fahrzeug und/oder das System zum Laden eines Fahrzeuges nun derart auszugestalten und/oder weiterzubilden, dass eine Temperierung der Batterie, insbesondere während des Ladens der Batterie, verbessert ist.
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Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun zunächst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein Aspekt der Erfindung liegt zunächst im Wesentlichen darin, dass der Batterie-Temperierkreislauf und der Fahrzeug-Temperierkreislauf mittels des ersten Wärmeübertragers wärmetechnisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Batterie-Temperierkreislauf und/oder der Fahrzeug-Temperierkreislauf zur jeweiligen, insbesondere zusätzlichen, Kühlung oder Erwärmung mit einem externen Temperierkreislauf wärmetechnisch wirksam koppelbar sind.
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Durch die Kühlung oder Erwärmung des Batterie-Temperierfluides mittels des Fahrzeug-Temperierkreislaufes und mittels des externen Temperierkreislaufes ist eine verbesserte Temperierung des Batterie-Temperierfluides und somit der Batterie, insbesondere während des Ladens der Batterie, erreichbar. Der externe Temperierkreislauf wird direkt und/oder indirekt über den Fahrzeug-Temperierkreislauf zur Kühlung oder Erwärmung des Batterie-Temperierfluides genutzt. Durch das Laden der Batterie wird Wärme in der Batterie erzeugt. Diese Wärme ist bei einer Mehrzahl von denkbaren Betriebszuständen des Fahrzeuges während eines Ladevorganges zur Durchführung eines möglichst optimalen Ladevorganges abzuführen. Es erfolgt dann eine Kühlung der Batterie und folglich auch eine Kühlung des Batterie-Temperierfluides mittels des Fahrzeug-Temperierkreislaufes und auch mittels des externen Temperierkreislaufes. Es ist demgegenüber aber auch denkbar, z.B. bei sehr kalten Umgebungstemperaturen, dass zur Durchführung eines möglichst optimalen Ladevorganges die Batterie erwärmt werden muss. Dann wird entsprechend das Batterie-Temperierfluid mittels des Fahrzeug-Temperierkreislaufes und auch mittels des externen Temperierkreislaufes erwärmt.
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Insgesamt kann aber der apparative Aufwand für diese mehrstufige Temperierung begrenzt werden, indem der Fahrzeug-Temperierkreislauf mitgenutzt wird, welcher auch für andere Temperierungsaufgaben benötigt wird, was insgesamt sehr vorteilhaft ist.
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Wenn sowohl der Batterie-Temperierkreislauf wie auch der Fahrzeug-Temperierkreislauf zur jeweiligen, insbesondere zusätzlichen, Kühlung oder Erwärmung mit dem externen Temperierkreislauf funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch wirksam gekoppelt sind, kann die Temperierung des Batterie-Temperierfluides und somit der Batterie, insbesondere während des Ladens der Batterie, noch weiter verbessert werden. Mittels des externen Temperierkreislaufes ist dann nämlich das Batterie-Temperierfluid nicht nur direkt temperierbar, sondern das Batterie-Temperierfluid ist zusätzlich auch gleichzeitig indirekt mittels des Fahrzeug-Temperierfluides temperierbar, wobei insbesondere der Batterie-Temperierkreislauf und der Fahrzeug-Temperierkreislauf mit dem externen Temperierkreislauf gekoppelt sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Fahrzeuges ist eine Batterieseite des ersten Wärmeübertragers strömungstechnisch Teil des Batterie-Temperierkreislaufes. Die Batterieseite des ersten Wärmeübertragers ist von dem Batterie-Temperierfluid durchströmbar. Eine Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers ist strömungstechnisch Teil des Fahrzeug-Temperierkreislaufes. Der Fahrzeug-Temperierkreislauf ist von einem Fahrzeug-Temperierfluid, insbesondere einem Kältemittel, durchströmbar.
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Ein Wärmeübertrager ist ein Bauteil, mittels welchem eine strömungstechnische Trennung von zwei (Strömungs-) Kreisläufen sowie ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen diesen beiden Kreisläufen ermöglicht ist. Der Wärmeübertrager weist dazu zwei Seiten auf. Die beiden Seiten des Wärmeübertragers, hier die Batterieseite und die Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers, weisen insbesondere nebeneinander ausgebildete Strömungskanäle für das jeweilige Temperierfluid auf. Es wird eine möglichst große Wärmeübergangsfläche zwischen diesen Strömungskanälen der beiden Seiten des Wärmeübertragers angestrebt. Wenn das Fahrzeug-Temperierfluid als Kältemittelausgebildet ist, ist ein besonders effektiver Wärmeübergang an das Fahrzeug-Temperierfluid oder von dem Fahrzeug-Temperierfluid an das Batterie-Temperierfluid und/oder an den externen Temperierkreislauf ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Fahrzeuges sind der Batterie-Temperierkreislauf und der externe Temperierkreislauf zur Temperierung des Batterie-Temperierfluides funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch, insbesondere mittels einer Steckverbindung, koppelbar. Es ist ein zweiter Wärmeübertrager mit einer - dem Batterie-Temperierkreislauf strömungstechnisch zugehörigen - Batterieseite und mit einer - dem externen Temperierkreislauf strömungstechnisch zugehörigen - Ladestationsseite durch die funktionstechnische Kopplung ausbildbar.
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Zur funktionstechnischen bzw. wärmetechnischen Kopplung des externen Temperierkreislauf mit dem Batterie-Temperierkreislauf sind verschiedene Mechanismen denkbar. Es sind zum Beispiel neben der Steckverbindung auch andere formschlüssige Verbindungen denkbar. Durch diese Verbindungen ist eine schnelle Kopplung und somit insbesondere auch ein schnelles Starten bzw. Beenden des Ladevorganges ermöglicht.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform des Fahrzeuges sind der Fahrzeug-Temperierkreislauf und der externe Temperierkreislauf zur Temperierung des Fahrzeug-Temperierfluides funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch, insbesondere mittels einer Steckverbindung, koppelbar. Es ist ein dritter Wärmeübertrager mit einer - dem Fahrzeug-Temperierkreislauf strömungstechnisch zugehörigen - Fahrzeugseite und mit einer - dem externen Temperierkreislauf strömungstechnisch zugehörigen - Ladestationsseite durch die entsprechende funktionstechnische Kopplung ausbildbar.
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Auch zur funktionstechnischen bzw. wärmetechnischen Kopplung des externen Temperierkreislauf mit dem Fahrzeug-Temperierkreislauf sind analog verschiedene Mechanismen denkbar. Durch diese Verbindungen ist eine schnelle Kopplung und somit ein schnelles Starten des Ladevorganges ermöglicht. Wenn kein zweiter Wärmeübertrager vorgesehen und/oder vorhanden ist, dann ist der hier als dritter Wärmeübertrager bezeichnete Wärmeübertrager auch als „zweiter“ Wärmeübertrager ausführbar. Die Begrifflichkeiten „zweiter“ und „dritter“ werden hier daher nicht einschränkend verwendet.
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Der Fahrzeug-Temperierkreislauf weist bevorzugterweise einen Verdichter auf. Ein Auslass der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers ist mit einem Einlass des Verdichters strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass des Verdichters ist mit einem Einlass der Fahrzeugseite des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass der Fahrzeugseite des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers ist mit einem Einlass der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Insbesondere ist mittels des ersten Wärmeübertragers das Fahrzeug-Temperierfluid verdampfbar. Insbesondere ist mittels des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers das Fahrzeug-Temperierfluid kondensierbar.
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Somit ist die Verdampfungsenthalpie des Fahrzeug-Temperierfluides zur Abfuhr der im Batterie-Temperierfluid gespeicherten Wärme im ersten Wärmeübertrager nutzbar. Weiterhin ist die Kondensationsenthalpie des Fahrzeug-Temperierfluides zur Abfuhr der im Fahrzeug-Temperierfluid gespeicherten Wärme mittels des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers an den externen Temperierkreislauf nutzbar.
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Der Fahrzeug-Temperierkreislauf weist in einer weiteren Ausführungsform des Fahrzeuges einen Kondensator und einen Verdampfer auf. Mittels des Verdampfers ist das Fahrzeug-Temperierfluid, insbesondere während einer Fahrt des Fahrzeuges, verdampfbar. Mittels des Kondensators ist das Fahrzeug-Temperierfluid, insbesondere während des Ladens der Batterie und/oder während einer Fahrt des Fahrzeuges, kondensierbar.
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Die Kondensationsenthalpie des Fahrzeug-Temperierfluides ist zur Abfuhr der im Fahrzeug-Temperierfluid gespeicherten Wärme mittels des Kondensators nutzbar. Mittels des Verdampfers ist zu jeder Zeit, insbesondere während der Fahrt des Fahrzeuges, eine gewünschte Menge an dämpfförmigen Fahrzeug-Temperierfluid bereitstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Fahrzeuges ist der Auslass des Verdichters mit einem Einlass des Kondensators strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass des Kondensators ist mit einem Einlass eines ersten Verbinders, insbesondere eines ersten T-Stückes, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung und/oder mit der Fahrzeugseite des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers, verbunden. Ein erster Auslass des ersten Verbinders ist mit dem Einlass der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein zweiter Auslass des ersten Verbinders ist mit einem Einlass des Verdampfers strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Der Auslass der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers ist mit einem ersten Einlass eines zweiten Verbinders, insbesondere eines zweiten T-Stückes, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass des Verdampfers ist mit einem zweiten Einlass des zweiten Verbinders, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass des zweiten Verbinders ist mit dem Einlass des Verdichters, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden.
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Der Verdampfer ist dann somit strömungstechnisch parallel zum ersten Wärmeübertrager in dem Fahrzeug-Temperierkreislauf angeordnet. Zur Verdampfung des Fahrzeug-Temperierfluides ist dann somit entweder der Verdampfer oder der erste Wärmeübertrager nutzbar. Insbesondere wird der erste Wärmeübertrager während des Ladens der Batterie und der Verdampfer während der Fahrt des Fahrzeuges zum Verdampfen des Fahrzeug-Temperierfluides genutzt. Denkbar ist auch eine parallele / gleichzeitige Verdampfung des Fahrzeug-Temperierfluides sowohl im Verdampfer wie auch in dem ersten Wärmeübertrager.
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Bevorzugterweise ist der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers und/oder dem Verdampfer jeweils ein Expansionsventil im Strömungsverlauf des Fahrzeug-Temperierfluides funktionstechnisch wirksam vorgeordnet.
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Ein Expansionsventil bewirkt eine Druckreduzierung des Fahrzeug-Temperierfluides und damit eine Volumenzunahme bzw. Expansion des Fahrzeug-Temperierfluides. Mittels des Expansionsventils ist somit der an das Expansionsventil im Strömungsverlauf des Fahrzeug-Temperierfluides anschließende Verdampfungsvorgang des Fahrzeug-Temperierfluides auch besonders gut beeinfluss- und/oder steuer- und/oder regelbar. Die Druckreduzierung wird insbesondere durch eine lokale Verengung des Strömungsquerschnittes erreicht. Diese lokale Verengung kann mittels des Expansionsventils einstellbar und somit steuer- und/oder regelbar sein. Alternativ ist die lokale Verengung mittels des Expansionsventils fest vorgegeben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Fahrzeuges weist der Fahrzeug-Temperierkreislauf einen zweiten Batterie-Temperierer auf. Die Batterie ist auch mittels des zweiten Batterie-Temperierers temperierbar. Der zweite Batterie-Temperierer ist strömungstechnisch in Reihe oder strömungstechnisch parallel zur Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers angeordnet. Insbesondere weist der Batterie-Temperierkreislauf zur Temperierung des Batterie-Temperierfluides einen Niedertemperatur-Temperierer auf, wobei das Batterie-Temperierfluid dann mittels des Niedertemperatur-Temperierers und mittels der Umgebungsluft temperierbar ist.
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Mittels des zweiten Batterie-Temperierers kann die insgesamt mit der Batterie ausgetauschte Wärmemenge weiter vergrößert werden. So kann weiterhin die Ladeleistung der Batterie erhöht und somit die Ladezeit der Batterie verkürzt werden. Bei Einsatz des Niedertemperatur-Temperierers kann unter Umständen, insbesondere bei relativ geringem Temperierbedarf, der Einsatz des zweiten Wärmeübertragers unnötig werden, wobei dann trotzdem eine ausreichende Temperierung des Batterie-Temperierfluides ermöglicht ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch ein System zum Laden eines Fahrzeuges mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst.
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Ein Aspekt der Erfindung liegt dann im Wesentlichen darin, dass das System zum Laden eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, ein wie oben beschrieben ausgeführtes Fahrzeug und eine Ladestation aufweist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt dann darin, dass mittels der Ladestation ein Ladestrom zum Laden der Batterie des Fahrzeuges bereitstellbar ist, wobei der externe Temperierkreislauf zumindest teilweise innerhalb der Ladestation ausgebildet ist bzw. die Ladestation zumindest teilweise den externen Temperierkreislauf aufweist, Insbesondere ist eine Wärmequelle oder -senke innerhalb der Ladestation angeordnet und/oder ausgebildet ist. Insbesondere ist die Ladestationsseite des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - zweiten und/oder dritten Wärmeübertragers strömungstechnisch Teil des externen Temperierkreislaufes, wobei die Ladestationsseite des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - zweiten und/oder dritten Wärmeübertragers von einem Ladestations-Temperierfluid, insbesondere Wasser, durchströmbar ist.
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Auch wenn als Ladestations-Temperierfluid Wasser verwendet wird, welches nur oberhalb des Gefrierpunktes des Wassers einsetzbar ist und somit nur eine begrenzte Wärmemenge zwischen dem Batterie-Temperierfluid und/oder dem Fahrzeug-Temperierfluid an das als Wasser ausgeführte Ladestations-Temperierfluid übertragbar ist, ist eine ausreichende Temperierung des Batterie-Temperierfluides und somit der Batterie ermöglicht, da ja auch der Fahrzeug-Temperierkreislauf zur Temperierung des Batterie-Temperierfluides mitgenutzt wird. Der Einsatz von Wasser als Ladestations-Temperierfluid ist aus ökologischen Gründen zu bevorzugen.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Fahrzeug und das entsprechende System zum Laden eines Fahrzeuges in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Es darf hierzu zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche bzw. auf den Patentanspruch 10 verwiesen werden. Im Folgenden werden nun mehrere bevorzugte Ausgestaltungen des Fahrzeuges und des Systems zum Laden eines Fahrzeuges anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert bzw. beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
- 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges mit einem Batterie-Temperierkreislauf und mit einem Fahrzeug-Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema sowie ein System zum Laden des Fahrzeuges mit einem externen Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema,
- 2 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges mit einem Batterie-Temperierkreislauf und mit einem Fahrzeug-Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema sowie ein System zum Laden des Fahrzeuges mit einem externen Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema,
- 3 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges mit einem Batterie-Temperierkreislauf und mit einem Fahrzeug-Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema sowie ein System zum Laden des Fahrzeuges mit einem externen Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema,
- 4 in schematischer Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges mit einem Batterie-Temperierkreislauf und mit einem Fahrzeug-Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema sowie ein System zum Laden des Fahrzeuges mit einem externen Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema, und
- 5 in schematischer Darstellung ein fünftes Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges mit einem Batterie-Temperierkreislauf und mit einem Fahrzeug-Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema sowie ein System zum Laden des Fahrzeuges mit einem externen Temperierkreislauf in einem Fluss-Schema.
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Ein Fahrzeug 1, insbesondere ein Elektrofahrzeug, das hier nicht im Einzelnen dargestellt ist, weist mindestens eine, insbesondere elektrisch aufladbare Batterie 2, insbesondere einen Akkumulator, mindestens einen geschlossenen Batterie-Temperierkreislauf 3, mindestens einen - ersten - Wärmeübertrager 4.1, und mindestens einen Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 auf. Das Fahrzeug 1 ist zum Laden der Batterie 2 funktionstechnisch wirksam mit einer Ladestation 6 verbindbar. Ein Batterie-Temperierfluid 3.1, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, ist durch den Batterie-Temperierkreislauf 3 hindurch, insbesondere mittels einer ersten Pumpe 7.1, führbar. Die Batterie 2 ist mittels des Batterie-Temperierfluides 3.1, insbesondere mittels eines ersten Batterie-Temperierers 8.1, temperierbar. Das Batterie-Temperierfluid 3.1 ist mittels des ersten Wärmeübertragers 4.1 temperierbar. Der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 ist geschlossen und strömungstechnisch getrennt von dem Batterie-Temperierkreislauf 3 ausgebildet. Mit einem geschlossenen Kreislauf ist gemeint, dass das zugehörige Temperierfluid im Kreislauf im Kreis geführt wird, wobei dem Kreislauf kein Temperierfluid zugeführt bzw. wobei kein Temperierfluid aus dem Kreislauf abgeführt werden muss. Der Batterie-Temperierkreislauf 3 und der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 sind mittels des ersten Wärmeübertragers 4.1 wärmetechnisch gekoppelt. Der Batterie-Temperierkreislauf 3 und/oder der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 sind zur jeweiligen zusätzlichen Kühlung oder Erwärmung des jeweiligen Kreislaufes mit einem externen Temperierkreislauf 9 funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch wirksam koppelbar. Mit dem Ausdruck „wärmetechnisch wirksam koppelbar“ ist insbesondere gemeint, dass die entsprechenden Kreisläufe so miteinander funktionstechnisch koppelbar sind, dass eine Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Kreisläufen stattfindet bzw. stattfinden kann.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges 1 aus 1 ist sowohl der Batterie-Temperierkreislauf 3 wie auch der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 zur jeweiligen, insbesondere zusätzlichen Kühlung oder Erwärmung mit dem externen Temperierkreislauf 9 funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch wirksam koppelbar, wobei hier in 1 der gekoppelte Zustand dargestellt ist.
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In dem zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges 1 aus den 2, 3 und 4 ist lediglich der Batterie-Temperierkreislauf 3, nicht aber der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5, zur zusätzlichen Kühlung oder Erwärmung mit dem externen Temperierkreislauf 9 funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch wirksam koppelbar, wobei in den 2, 3 und 4 jeweils der gekoppelte Zustand dargestellt ist.
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In dem fünften Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges aus der 5 ist lediglich der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5, nicht aber der Batterie-Temperierkreislauf 3 zur zusätzlichen Kühlung oder Erwärmung mit dem externen Temperierkreislauf 9 funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch wirksam koppelbar, wobei in 5 der gekoppelte Zustand dargestellt ist.
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Die folgenden Ausführungen beziehen sich grundsätzlich auf alle 1 bis 5:
- Eine Batterieseite 4.1.1 des ersten Wärmeübertragers 4.1 ist strömungstechnisch Teil des Batterie-Temperierkreislaufes 3. Die Batterieseite 4.1.1 des ersten Wärmeübertragers 4.1 ist von dem Batterie-Temperierfluid 3.1 durchströmbar. Eine Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 ist strömungstechnisch Teil des Fahrzeug-Temperierkreislaufes 5. Der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 ist von einem Fahrzeug-Temperierfluid 5.1, insbesondere einem Kältemittel, durchströmbar.
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Der Batterie-Temperierkreislauf 3 und der externe Temperierkreislauf 9 sind zur Temperierung des Batterie-Temperierfluides 3.1 funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch, insbesondere mittels einer Steckverbindung, koppelbar (vgl. 1 bis 4). Ein zweiter Wärmeübertrager 4.2 ist mit einer - dem Batterie-Temperierkreislauf 3 strömungstechnisch zugehörigen - Batterieseite 4.2.1 und mit einer - dem externen Temperierkreislauf 9 strömungstechnisch zugehörigen - Ladestationsseite 4.2.2 durch die funktionstechnische Kopplung ausbildbar.
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Der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 und der externe Temperierkreislauf 9 sind zur Temperierung des Fahrzeug-Temperierfluides 5.1 funktionstechnisch bzw. wärmetechnisch, insbesondere mittels einer Steckverbindung, koppelbar (vgl. 1 und 5). Ein dritter Wärmeübertrager 4.3 ist mit einer - dem Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 strömungstechnisch zugehörigen - Fahrzeugseite 4.3.1 und mit einer - dem externen Temperierkreislauf 9 strömungstechnisch zugehörigen - Ladestationsseite 4.3.2 durch die funktionstechnische bzw. wärmetechnische Kopplung ausbildbar.
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Um diese Koppelbarkeiten zu symbolisieren, werden der zweite und der dritte Wärmeübertrager 4.2 und 4.3 mit gestrichelten Linien dargestellt. Es ist theoretisch denkbar, dass die funktionstechnische bzw. wärmetechnische Kopplung von dem externen Temperierkreislauf 9 mit dem Batterie-Temperierkreislauf 3 und/oder mit dem Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 auch mittels anderer Bauteile als dem - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - zweiten Wärmeübertrager 4.2 und/oder dem - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertrager 4.3 ausgebildet ist.
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Der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 weist einen Verdichter 7.2 auf (vgl. 1). Ein Auslass 4.1.2.a der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 ist mit einem Einlass 7.2.e des Verdichters 7.2 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass 7.2.a des Verdichters 7.2 ist mit einem Einlass 4.3.1.e der Fahrzeugseite 4.3.1 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass 4.3.1.a der Fahrzeugseite 4.3.1 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3 ist mit einem Einlass 4.1.2.e der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Insbesondere ist mittels des ersten Wärmeübertragers 4.1 das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 verdampfbar. Insbesondere ist mittels des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3 das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 kondensierbar. Das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1, insbesondere das Kältemittel, ist dann insbesondere derart ausgebildet, dass das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1, insbesondere das Kältemittel, bei gewünschten Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und des Druckes verdampft bzw. kondensiert.
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Die Fahrzeugseite 4.3.1 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3 weist optional einen Bypass auf (vgl. 1 und 5), um, insbesondere bei einer Fahrt des Fahrzeuges 1, umgangen werden zu können, so dass dann die bei der Durchströmung der Fahrzeugseite 4.3.1 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3 auftretenden Strömungsverluste des Fahrzeug-Temperierfluides 5.1 vermieden sind.
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Der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 weist bei den in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen einen Kondensator 10 und einen Verdampfer 11 auf. Mittels des Verdampfers 11 ist das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1, insbesondere während einer Fahrt des Fahrzeuges 1, verdampfbar. Mittels des Kondensators 10 ist das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1, insbesondere während des Ladens der Batterie 2 und/oder während einer Fahrt des Fahrzeuges 1, kondensierbar.
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Der Kondensator 10 wird auch als Gaskühler bezeichnet. Der Kondensator 10 weist weiterhin optional einen Lüfter auf, wobei mittels des Lüfters das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 mittels der Umgebungsluft temperierbar ist. Der Kondensator 10 weist optional einen Bypass auf, um, wenn nötig, umgangen werden zu können, wobei bei einer Umgehung des Kondensators 10, dann auch der Lüfter abgeschaltet werden kann, was sich positiv auf die Akustik des Fahrzeuges 1 auswirkt.
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Der Auslass 7.2.a des Verdichters 7.2 ist mit einem Einlass 10.e des Kondensators 10 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass 10.a des Kondensators 10 ist mit einem Einlass 12.1.e eines ersten Verbinders 12.1, insbesondere eines ersten T-Stückes, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung und/oder der Fahrzeugseite 4.3.1 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3, verbunden. Ein erster Auslass 12.1.a1 des ersten Verbinders 12.1 ist mit dem Einlass 4.1.2.e der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein zweiter Auslass 12.1.a2 des ersten Verbinders 12.1 ist mit einem Einlass 11e des Verdampfers 11 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Der Auslass 4.1.2.a der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 ist mit einem ersten Einlass 12.2. e1 eines zweiten Verbinders 12.2, insbesondere eines zweiten T-Stückes, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass 11a des Verdampfers 11 ist mit einem zweiten Einlass 12.2.e2 des zweiten Verbinders 12.2, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Ein Auslass 12.2.a des zweiten Verbinders 12.2 ist mit dem Einlass 7.2.e des Verdichters 7.2, strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden.
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Der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 und/oder dem Verdampfer 11 ist jeweils ein Expansionsventil im Strömungsverlauf des Fahrzeug-Temperierfluides 5.1 funktionstechnisch wirksam vorgeordnet.
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Der Auslass 7.2.a des Verdichters 7.2 ist mit einem Einlass eines ersten Expansionsventils 13.1 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung und/oder mittels des Kondensators 10 und/oder mittels der Fahrzeugseite 4.3.1 des dritten Wärmeübertragers 4.3 und/oder mittels des ersten Verbinders 12.1, verbunden. Ein Auslass des ersten Expansionsventils 13.1 ist mit dem Einlass 4.1.2.e der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Auslass 12.1.a2 des ersten Verbinders 12.1 mit einem Einlass eines zweiten Expansionsventils 13.2 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden, wobei ein Auslass des zweiten Expansionsventils 13.2 mit dem Einlass 11.e des Verdampfers 11 strömungstechnisch, insbesondere mittels zumindest einer Leitung, verbunden ist.
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Der Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 weist gemäß dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges 1 aus den 3 und 4 einen zweiten Batterie-Temperierer 8.2 auf. Die Batterie 2 ist mittels des zweiten Batterie-Temperierers 8.2 temperierbar. Gemäß des dritten Ausführungsbeispiels des Fahrzeuges 1 aus 3 ist der zweite Batterie-Temperierer 8.2 strömungstechnisch in Reihe zur Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 angeordnet. Alternativ, nämlich gemäß des vierten Ausführungsbeispiels des Fahrzeuges 1 aus 4, ist der zweite Batterie-Temperierer 8.2 strömungstechnisch parallel zur Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 angeordnet. Zur strömungstechnisch parallelen Anordnung des zweiten Batterie-Temperierers 8.2 sind entsprechend zwei weitere Verbinder, analog zum ersten Verbinder 12.1 und zum zweiten Verbinder 12.2 vorgesehen und in dem Fahrzeug-Temperierkreislauf 5 integriert.
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Das vierte Ausführungsbeispiel des Fahrzeuges 1 aus 4 weist ein drittes Expansionsventil 13.3 auf, wobei das dritte Expansionsventil 13.3 im Strömungsverlauf des Fahrzeug-Temperierfluides 5.1 funktionstechnisch wirksam dem Batterie-Temperierer 8.2 vorgeordnet ist. Auch mittels des Batterie-Temperierers 8.2 ist das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 verdampfbar.
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Insbesondere, nämlich gemäß des fünften Ausführungsbeispiels des Fahrzeuges 1 aus 5, weist der Batterie-Temperierkreislauf 3 zur Temperierung des Batterie-Temperierfluides 3.1 einen Niedertemperatur-Temperierer 14 auf. Das Batterie-Temperierfluid 3.1 ist mittels des Niedertemperatur-Temperierers 14 und mittels der Umgebungsluft temperierbar.
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Der Niedertemperatur-Temperierer 14 weist optional einen Bypass auf, um, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, umgangen werden zu können.
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Das System zum Laden des Fahrzeuges 1, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, weist ein oben beschriebenes Fahrzeug 1 und eine Ladestation 6 auf. Mittels der Ladestation 6 ist ein Ladestrom zum Laden der Batterie 2 des Fahrzeuges 1 bereitstellbar. Der externe Temperierkreislauf 9 ist zumindest teilweise innerhalb der Ladestation 6 ausgebildet. Insbesondere ist eine Wärmequelle oder -senke 6.1 innerhalb der Ladestation 6 angeordnet und/oder ausgebildet. Insbesondere ist die Ladestationsseite 4.2.2 und/oder 4.3.2 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - zweiten und/oder dritten Wärmeübertragers 4.2 und/oder 4.3 strömungstechnisch Teil des externen Temperierkreislaufes 9. Die Ladestationsseite 4.2.2 und/oder 4.3.2 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - zweiten und/oder dritten Wärmeübertragers 4.2 und/oder 4.3 ist von einem Ladestations-Temperierfluid 6.2, insbesondere Wasser, durchströmbar.
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Ein Ladevorgang der Batterie 2 mittels des Systems zum Laden des Fahrzeuges 1 erfolgt z.B. wie im Folgenden beschrieben. Das Fahrzeug 2 wird zunächst zu der Ladestation 6 gefahren und dann stromtechnisch mittels zumindest eines Steckers und wärmetechnisch mit der Ladestation 6 gekoppelt. Nun erfolgt ein Laden der Batterie 2 mittels der Ladestation 6 und ein simultanes Temperieren der Batterie 2 mittels des Batterie-Temperierfluides 3.1.
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Nun werden beispielhaft die relevanten Wärmeübergänge gemäß des ersten Ausführungsbeispiels des Fahrzeuges 1 beschrieben, wenn die Batterie 2 gekühlt wird. Die durch das Laden der Batterie 2 in der Batterie 2 entstehende Wärme wird mittels des ersten Batterie-Temperierers 8.1 von der Batterie 2 an das Batterie-Temperierfluid 3.1 übertragen. Mittels des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - zweiten Wärmeübertragers 4.2 wird das Batterie-Temperierfluid 3.1 gekühlt, indem Wärmeenergie von dem Batterie-Temperierfluid 3.1 an das Ladestations-Temperierfluid 6.2 übertragen wird. Das Batterie-Temperierfluid 3.1 wird weiterhin mittels des ersten Wärmeübertragers 4.1 gekühlt, indem Wärmeenergie von dem Batterie-Temperierfluid 3.1 an das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 übertragen wird. Das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 wird erwärmt, insbesondere verdampft währenddessen in der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1. Das erwärmte bzw. gasförmige Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 wird im weiteren Strömungsverlauf mittels des Verdichters 7.2 befördert bzw. verdichtet, so dass das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 in der Fahrzeugseite 4.3.1 des - im gekoppelten Zustand ausgebildeten - dritten Wärmeübertragers 4.3 gekühlt bzw. kondensiert wird. Während dieser Kondensation wird Wärmeenergie von dem Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 an das Ladestations-Temperierfluid 6.2 übertragen. Bevor das Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 wieder - insbesondere zur erneuten Verdampfung - der Fahrzeugseite 4.1.2 des ersten Wärmeübertragers 4.1 zugeführt wird, wird insbesondere der Druck des Fahrzeug-Temperierfluid 5.1 mittels des ersten Expansionsventils 13.1 reduziert.
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Nach dem Abschluss des elektrischen Ladevorgangs, wenn die Batterie 2 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Fahrzeug 1 stromtechnisch und wärmetechnisch wieder von der Ladestation 6 entkoppelt und kann im Anschluss von der Ladestation 6 weggefahren werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Batterie
- 3
- Batterie-Temperierkreislauf
- 3.1
- Batterie-Temperierfluid
- 4.1
- erster Wärmeübertrager
- 4.1.1
- Batterieseite des ersten Wärmeübertragers
- 4.1.2
- Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers
- 4.1.2.e
- Einlass der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers
- 4.1.2. a
- Auslass der Fahrzeugseite des ersten Wärmeübertragers
- 4.2
- zweiter Wärmeübertrager
- 4.2.1
- Batterieseite des zweiten Wärmeübertragers
- 4.2.2
- Ladestationsseite des zweiten Wärmeübertragers
- 4.3
- dritter Wärmeübertrager
- 4.3.1
- Fahrzeugseite des dritten Wärmeübertragers
- 4.3.1.e
- Einlass der Fahrzeugseite des dritten Wärmeübertragers
- 4.3.1.a
- Auslass der Fahrzeugseite des dritten Wärmeübertragers
- 4.3.2
- Ladestationsseite des dritten Wärmeübertragers
- 5
- Fahrzeug-Temperierkreislauf
- 5.1
- Fahrzeug-Temperierfluid
- 6
- Ladestation
- 6.1
- Wärmequelle oder -senke
- 6.2
- Ladestations-Temperierfluid
- 7.1
- ersten Pumpe
- 7.2
- Verdichter
- 7.2.e
- Einlass des Verdichters
- 7.2.a
- Auslass des Verdichters
- 8.1
- erster Batterie-Temperierer
- 8.2
- zweiter Batterie-Temperierer
- 9
- externer Temperierkreislauf
- 10
- Kondensator
- 10.e
- Einlass des Kondensators
- 10.a
- Auslass des Kondensators
- 11
- Verdampfer
- 11.e
- Einlass des Verdampfers
- 11.a
- Auslass des Verdampfers
- 12.1
- erster Verbinder
- 12.1.e
- Einlass des ersten Verbinders
- 12.1. a1
- erster Auslass des ersten Verbinders
- 12.1.a2
- zweiter Auslass des ersten Verbinders
- 12.2
- zweiter Verbinder
- 12.2. e1
- erster Einlass des zweiten Verbinders
- 12.2.e2
- zweiter Einlass des zweiten Verbinders
- 12.2.a
- Auslass des zweiten Verbinders
- 13.1
- erstes Expansionsventil
- 13.2
- zweites Expansionsventil
- 13.3
- drittes Expansionsventil
- 14
- Niedertemperatur-Temperierer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082565 A1 [0003]
- CN 108357392 A [0005]
- CN 211879561 U [0005]
- US 2020/0338998 A1 [0005]
- US 2020/0290469 A1 [0005]
