DE212019000290U1

DE212019000290U1 - Wärmemanagementsysteme und Wärmetauscher für eine Batterie-Wärmeanpassung

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Publication number: DE212019000290U1
Application number: DE212019000290.0U
Authority: DE
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2029-05-31
Also published as: US20190366876A1; US20220281353A1; US11407330B2; CN215299360U; WO2019227221A1

Abstract

Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug, das ein eine Mehrzahl von aufladbaren Batterieeinheiten einschließendes Energiespeichersystem aufweist, wobei das Wärmemanagementsystem ein Subsystem zum Kühlen/Aufheizen einer Batterie aufweist, umfassend:
(a) einen Zirkulationskreis für einen Umlauf eines ersten Volumens eines Wärmeträgerfluids durch das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie, der eine Mehrzahl von Leitungen zum Fördern des Wärmeträgerfluids umfasst;
(b) eine Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern, die in dem Zirkulationskreis vorgesehen sind, wobei jeder der Batterie-Wärmetauscher in Wärmekontakt mit einer oder mehreren der Batterieeinheiten steht, wobei jeder der Batterie-Wärmetauscher einen inneren Fluidströmungskanal und eine Mehrzahl von Fluidöffnungen einschließlich eines Einlasses und eines Auslasses des inneren Fluidströmungskanals aufweist;
(c) ein elektrisches Heizelement, das in einen ersten Batterie-Wärmetauscher der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern integriert ist, um so das Wärmeträgerfluid zu erwärmen, das durch den inneren Fluidströmungskanal des ersten Wärmetauschers strömt;
(d) eine Teilschleife des Zirkulationskreises, die eine oder mehrere der Leitungen, die in Fluidströmungsverbindung mit dem Einlass und dem Auslass des Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers sind, umfasst und weiterhin den inneren Fluidströmungskanal des ersten Batterie-Wärmetauschers umfasst;
wobei die Teilschleife für die Zirkulation eines zweiten Volumens des Wärmeträgerfluids angepasst ist, wobei das zweite Volumen kleiner als das erste Volumen ist und ein Volumen des Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers umfasst.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/677,824 eingereicht am 30. Mai 2018 und der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/744,294 , eingereicht am 11. Oktober 2018, deren Inhalte hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Temperaturmanagement wiederaufladbarer Batterien innerhalb eines Energiespeichersystems eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs (BEV) oder Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) und insbesondere auf Systeme und Wärmetauscher, die geeignet sind, die aufladbaren Batterien bei Kaltstartbedingungen schnell aufzuheizen und die aufladbaren Batterien zu kühlen, sobald sie ihre gewünschte Betriebstemperatur erreicht haben.
HINTERGRUND
Energiespeichersysteme, wie etwa solche, die in BEVs und HEVs verwendet werden, umfassen aufladbare Batterien, wie Lithiumionenbatterien. Eine typische wiederaufladbare Batterie für ein BEV oder HEV umfasst eine Anzahl von Batteriemodulen, die elektrisch in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, um der Batterie die gewünschte Systemspannung und -kapazität zu verleihen. Jedes Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen, die elektrisch in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, wobei die Batteriezellen in Form von Pouch-Zellen, prismatischen Zellen oder zylindrischen Zellen vorliegenden können. Der Betrieb der Batterie kann, abhängig von Temperaturbedingungen, endotherm oder exotherm sein.
Diese aufladbaren Batterien unterliegen Einbußen in der Leistungsfähigkeit, Reichweite, Zuverlässigkeit und Lebensdauer, wenn sie bei Temperaturen von deutlich unter 0 °C und insbesondere unter -5 °C nicht zuverlässig betrieben oder geladen werden können. Idealerweise sollte die aufladbare Batterie so schnell wie möglich von einem Kaltstart aus auf eine Temperatur von etwa 5-20 °C gebracht werden. Jedoch kann der zum Aufheizen der Batterie auf diesen Temperaturbereich benötigte Energieaufwand erheblich und die für das Aufheizen verlangte Zeit zu lang sein. Beispielweise kann es bis zu 30 Minuten und 6,12 MJ (1,7 kWh) an Energie erfordern, um eine 16 kW Batterie von -30°C bis 10°C zu heizen.
Es besteht ein Bedarf für Wärmemanagementsysteme und Wärmetauscher, die eine Aufheizzeit und einen Energieverbrauch des Energiespeichersystems bei Kaltstartbedingungen verringern und die das Energiespeichersystem kühlen, sobald es seinen Betriebstemperaturbereich erreicht.
ABRISS
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug vorgesehen, das ein eine Mehrzahl von aufladbaren Batterieeinheiten einschließendes Energiespeichersystem aufweist.
Entsprechend einem Aspekt umfasst ein Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie das einen Zirkulationskreis für einen Umlauf eines ersten Volumens eines Wärmeträgerfluids durch das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie. Einen Zirkulationskreis umfasst eine Mehrzahl von Leitungen zum Fördern des Wärmeträgerfluids.
Nach einem Aspekt umfasst das Wärmemanagementsystem außerdem eine Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern, die in dem Zirkulationskreis vorgesehen sind. Jeder der Batterie-Wärmetauscher ist in thermischem Kontakt mit einer oder mehreren der Batterieeinheiten, wobei jeder der Batterie-Wärmetauscher einen inneren Fluidströmungskanal und eine Mehrzahl von Fluidöffnungen einschließlich eines Einlasses und eines Auslasses des inneren Fluidströmungskanals aufweist.
Entsprechend einem Aspekt umfasst das Wärmemanagementsystem ein elektrisches Heizelement, das in einen ersten Batterie-Wärmetauscher der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern integriert ist, um so das Wärmeträgerfluid zu erwärmen, das durch den inneren Fluidströmungskanal des ersten Wärmetauschers strömt.
Entsprechend einem Aspekt umfasst das Wärmemanagementsystem außerdem eine Teilschleife des Zirkulationskreises. Die Teilschleife des Zirkulationskreises umfasst die Leitungen, die in Fluidströmungsverbindung mit dem Einlass und dem Auslass des Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers stehen. Die Teilschleife umfasst außerdem den inneren Fluidströmungskanal des ersten Batterie-Wärmetauschers.
Entsprechend einem Aspekt ist die Teilschleife für die Zirkulation eines zweiten Volumens des Wärmeträgerfluids angepasst, wobei das zweite Volumen kleiner als das erste Volumen ist und ein Volumen des Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers umfasst.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenlegung ist ein Batterie-Wärmetauscher vorgesehen, der eine erste Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche und eine zweite Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfasst, wobei die erste und die zweite Platte so aneinandergefügt sind, dass ihre Innenflächen einander zugewandt sind, und wobei Abschnitte der Innenflächen voneinander beabstandet sind.
Entsprechend einem Aspekt umfasst der Batterie-Wärmetauscher außerdem eine Mehrzahl von Fluidströmungskanälen, die für die Strömung eines Wärmeträgerfluids angepasst sind und die zwischen den voneinander beabstandeten Bereichen bzw. Abschnitten der Innenflächen der ersten und der zweiten Platte liegen.
Entsprechend einem Aspekt umfasst der Batterie-Wärmetauscher außerdem eine Einlassöffnung zum Liefern des Wärmeträgerfluids zu der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen; eine Auslassöffnung zum Auslassen des Wärmeträgerfluids aus der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen; eine Einlassverteilerleitung in Fluidverbindung mit der Einlassöffnung und der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen, wobei der Einlassverteilerleitung eine Fluidverteilerkammer definiert, in der das durch die Einlassöffnung zugeführte Wärmeträgerfluid auf die Mehrzahl von Fluidströmungskanälen verteilt wird; und eine Auslassverteilerleitung in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung und der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen, wobei der Auslassverteilerleitung eine Fluidsammelkammer definiert, in der das durch die Auslassöffnung abgegebene Wärmeträgerfluid von der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen gesammelt wird.
Entsprechend einem Aspekt umfasst der Batterie-Wärmetauscher außerdem ein elektrisches Heizelement mit einem Flächenbereich; und eine äußere Heizelement-Trägerfläche, auf der das elektrische Heizelement vorgesehen ist und die einen Flächenbereich aufweist, der gleich dem Flächenbereich des elektrischen Heizelements ist, wobei die äußere Heizelement-Trägerfläche direkt gegenüber einer Innenfläche des ersten Batterie-Wärmetauschers liegt, die zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung und/oder die Auslassverteilerleitung definiert.
Figurenliste
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Wärmetauschers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist;
2 eine Aufsicht von oben auf den Wärmetauschers mit entfernter Platte nach 1 ist;
3 ein Querschnitt entlang einer Linie 3-3' von 2 ist;
4 ein Längsschnitt entlang einer Linie 4-4' von 2 ist;
5 eine Ansicht von unten des Wärmetauschers nach 1 ist;
6 eine Aufsicht von oben ist, die eine Abwandlung des Wärmetauschers nach 1 zeigt;
7 eine perspektivische Explosionsansicht eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist;
8 eine Aufsicht von oben der zweiten Platte des Wärmetauschers von 7 ist;
9 ein Längsquerschnitt entlang einer Linie 9-9' von 7 ist;
10 eine perspektivische Explosionsansicht eines Wärmetauschers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist;
11 eine Aufsicht von oben der zweiten Platte des Wärmetauschers von 10 ist;
12 ein Längsquerschnitt entlang einer Linie 12-12' von 10 ist;
13 eine perspektivische Ansicht von oben auf einen Wärmetauscher gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist;
14 eine Seitenansicht des Wärmetauschers der 13 ist;
15 eine Ansicht von unten des Wärmetauschers nach 13 ist;
16 eine Teil-Aufsicht auf einen Wärmetauscher nach einem fünften Ausführungsbeispiel ist;
17 eine Teil-Aufsicht auf einen Wärmetauscher nach einem sechsten Ausführungsbeispiel ist;
18 ein Längsquerschnitt entlang einer Linie 18-18' von 17 ist;
18A eine perspektivische Ansicht von oben auf einen Wärmetauscher gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel ist;
19 eine schematische Darstellung eines Wärmemanagementsystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel ist;
20 eine schematische Darstellung eines Teils eines anderen Wärmemanagementsystems ist;
21 eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls ist, das einen ICE Plattenwärmetauscher einschließt;
22 eine Detailansicht eines Teils des Batteriemoduls der 21 ist;
23 eine Explosionsansicht eines Teils des Batteriemoduls der 21 ist;
24 eine schematische Ansicht von oben auf das Batteriemodul der 21 ist; und
25 eine Detailansicht einer modifizierten vorderen Stirnplatte des Batteriemoduls der 21 ist;
26 eine schematische Vorderansicht eines Teils eines modifizierten Batteriemoduls mit einer Sattelheizvorrichtung; und
27 eine Teilansicht der Sattelheizvorrichtung nach 26 ist;
28 ein Wärmemanagementsystem nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus darstellt;
29 ein Wärmemanagementsystem nach 28 in einem zweiten Betriebsmodus darstellt;
30 ein Wärmemanagementsystem nach 28 in einem dritten Betriebsmodus darstellt;
31 ein Wärmemanagementsystem nach einem dritten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus darstellt;
32 ein Wärmemanagementsystem nach 31 in einem zweiten Betriebsmodus darstellt;
33 ein Wärmemanagementsystem nach 31 in einem dritten Betriebsmodus darstellt;
34 ein Wärmemanagementsystem nach einem vierten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus darstellt;
35 ein Wärmemanagementsystem nach 34 in einem zweiten Betriebsmodus darstellt;
36 ein Wärmemanagementsystem nach einem fünften Ausführungsbeispiel darstellt;
37 ein Wärmemanagementsystem nach einem sechsten Ausführungsbeispiel darstellt;
38 ein Wärmemanagementsystem nach einem siebenten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus darstellt;
39 ein Wärmemanagementsystem nach 38 in einem zweiten Betriebsmodus darstellt;
40 ein Wärmemanagementsystem nach einem achten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus darstellt;
41 ein Wärmemanagementsystem nach 40 in einem zweiten Betriebsmodus darstellt;
42 ein Wärmemanagementsystem nach einem neunten Ausführungsbeispiel darstellt;
43 ein Wärmemanagementsystem nach einem zehnten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebsmodus darstellt; und
44 das Wärmemanagementsystem entsprechend dem zehnten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Betriebsmodus darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 1 bis 4 stellen einen Wärmetauscher 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel dar, angepasst zum Heizen und Kühlen eines Teils der wiederaufladbaren Batterie eines BEV oder HEV, wie weiter unten näher erläutert.
Der Wärmetauscher 10 umfasst eine erste Platte 12 mit einer Innenfläche 14 und einer entgegengesetzten Außenfläche 16. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die erste Platte 12 und die Innen- und die Außenfläche 14, 16 im Wesentlichen flach und plan.
Der Wärmetauscher 10 umfasst eine zweite Platte 18 mit einer Innenfläche 20 und einer entgegengesetzten Außenfläche 22. Die zweite Platte 18 des Wärmetauschers 10 ist so geformt, beispielsweise durch Prägen, Ziehen oder Formen, dass sie eine allgemein flache, plane Grundfläche 24 aufweist, die an allen Seiten von einer erhöhten Umfangsseitenwand 26 umgeben ist, die sich von der Grundfläche 24 zu einem ebenen Flansch 28 erstreckt, der eine ebene umfängliche Dichtfläche 30 an der Innenfläche 20 der zweiten Platte 18 definiert.
Die erste und die zweite Platte 12, 18 sind in abdichtender Weise zusammengefügt, wobei ihre Innenflächen 14, 20 einander zugewandt sind und Teile der Innenflächen 14, 20 voneinander beabstandet sind. Insbesondere ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die ebene, umlaufende Dichtfläche 30 an der Innenfläche 20 der zweiten Platte 18 abdichtend mit einer ebenen, umlaufenden Dichtfläche 32 an der Innenfläche 14 der ersten Platte 12 verbunden, wobei Teile der Innenflächen 14, 20 einwärts der jeweiligen Dichtflächen 32, 30 voneinander beabstandet sind.
Die erste und die zweite Platte 12, 18 können aus Aluminium oder Legierungen davon gebildet werden und können durch Hartlöten in einem Lötofen aneinandergefügt werden. Auch wenn die gezeigte erste und zweite Platte 12, 18 eine gleiche oder ähnliche Dicke aufweisen, kann die erste Platte 12 einen Kühlkörper mit einer Dicke aufweisen, die größer ist als die der zweiten Platte 18.
Der Wärmetauscher 10 umfasst außerdem eine Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34, die für die Strömung eines Wärmeträgerfluids angepasst sind und die zwischen den voneinander beabstandeten Bereichen bzw. Abschnitten der Innenflächen 14, 20 der ersten und der zweiten Platte 12, 18 liegen. Die Formen und die Anordnung der Fluidströmungskanäle 34 sind variabel und werden durch die vorliegende Offenbarung nicht eingeschränkt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beispielsweise die einzelnen Fluidströmungskanäle 34 gerade und erstrecken sich längs oder in Längsrichtung zwischen entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 10. Die Fluidströmungskanäle 34 haben jeweils ein erstes Ende 36 und ein zweites Ende 38. Das erste und zweite Ende 36, 38 von Fluidströmungskanälen 34 sind offen und befinden sich in der Nähe der entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 10. Wenn der Wärmetauscher 10 zum Heizen und/oder Kühlen eines Teils einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie verwendet wird, entspricht die Fläche des Wärmetauschers 10, die von Fluidströmungskanälen 34 eingenommen wird, zumindest im Allgemeinen einer Fläche der Außenfläche des Wärmetauschers 10, die in Wärmekontakt mit mindestens einer Batteriezelle und/oder einem Batteriemodul der Fahrzeugbatterie sein wird.
Der Wärmetauscher 10 umfasst ferner eine erste Fluidöffnung 40 und eine zweiten Fluidöffnung 42, von denen jede entweder die Einlassöffnung oder die Auslassöffnung sein kann. In der folgenden Beschreibung wird die erste Fluidöffnung 40 manchmal als „Einlassöffnung“ und die zweite Fluidöffnung 42 manchmal als „Auslassöffnung“ bezeichnet. Die erste Fluidöffnung 40 ist für die Zufuhr des Wärmeträgerfluids zu den ersten Enden 36 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 vorgesehen, während die Auslassöffnung 42 für die Abfuhr des Wärmeträgerfluids von den zweiten Enden 38 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 vorgesehen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Einlass- und Auslassöffnung 40, 42 voneinander in der Längsrichtung beabstandet und liegen nahe der entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 10. Genauer gesagt befindet sich die Einlassöffnung 40 zwischen den ersten Enden 36 der Fluidströmungskanäle 34 und den abdichtend verbundenen Flächen 30, 32 an einem Ende des Wärmetauschers 10, und die Auslassöffnung 42 befindet sich zwischen den zweiten Enden 38 der Fluidströmungskanäle 34 und den abdichtend verbundenen Flächen 30, 32 am anderen Ende des Wärmetauschers 10.
Außerdem umfassen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Einlass- und Auslassöffnung 40, 42 des Wärmetauschers 10 Öffnungen in der ersten Platte 12 und liegen einwärts zu seiner ebenen umfänglichen Dichtfläche 32.
Der Wärmetauscher 10 umfasst ferner eine erste Verteilerleitung 44 und eine zweite Verteilerleitung 46, die in der folgenden Beschreibung als „Einlassverteilerleitung“ und „Auslassverteilerleitung“ bezeichnet werden. Die Einlassverteilerleitung 44 steht in Fluidverbindung mit der Einlassöffnung 40 und mit der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 durch deren erste Enden 36. Die Einlassverteilerleitung 44 definiert eine Fluidverteilerkammer, in der das durch die Einlassöffnung 40 zugeführte Wärmeträgerfluid auf die ersten Enden 36 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 verteilt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Einlassverteilerleitung 44 definiert als der Raum, der an seiner Ober- und Unterseite durch die Innenflächen 14, 20 der ersten und zweiten Platte 12, 18 begrenzt wird und an seinen Rändern durch die Dichtflächen 32, 30 der Platten 12, 18 und durch die ersten Enden 36 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 begrenzt wird.
In gleicher Weise ist die Auslassverteilerleitung 46 in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 42 und mit der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 durch deren zweite Enden 38. Der Auslassverteilerleitung 46 definiert eine Fluidsammelkammer, in der die Wärmeträgerfluid, das an den zweiten Enden 38 der Fluidströmungskanäle 34 abgegeben wird, gesammelt wird, bevor es durch die Auslassöffnung 42 abgegeben wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Auslassverteilerleitung 46 definiert als der Raum, der an seiner Ober- und Unterseite durch die Innenflächen 14, 20 der ersten und zweiten Platte 12, 18 begrenzt wird und an seinen Rändern durch die Dichtflächen 32, 30 der Platten 12, 18 und durch die zweiten Enden 38 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 begrenzt wird.
Die erste Einlassöffnung 40 des Wärmetauschers 10 ist mit einer ersten röhrenförmigen Armatur 48 versehen, und die Auslassöffnung 42 ist mit einer zweiten röhrenförmigen Armatur 50 versehen, wobei die Armaturen 48, 50 eine Strömungsverbindung zwischen der Fluidströmungskanäle 34 und einem Fluidzirkulationssystem (nicht gezeigt) des Fahrzeugs ermöglichen. In der folgenden Beschreibung wird die erste röhrenförmigen Armatur 48 manchmal als „Einlassarmatur“ und die zweite röhrenförmigen Armatur 50 manchmal als „Auslassarmatur“ bezeichnet.
Der Wärmetauscher 10 umfasst ferner mindestens ein elektrisches Heizelement 52, das auf einer äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 vorgesehen ist, wobei die Fläche des elektrischen Heizelements 52 die gleiche ist wie die Fläche der Heizelement-Trägerfläche 54, so dass jede Trägerfläche 54 als ein Teil der Außenfläche des Wärmetauschers 10 definiert ist, die von einem elektrischen Heizelement 52 eingenommen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Außenfläche des Wärmetauschers 10 die Außenflächen 16, 22 der ersten und zweiten Platte 12, 18.
Jedes elektrische Heizelement 52 und ihre entsprechende äußere Heizelement-Trägerfläche 54 liegen direkt gegenüber einer Innenfläche des Wärmetauschers 10, die zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung 44 oder die Auslassverteilerleitung 46 oder beide definiert. Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine teilweise oder vollständige Ausrichtung des elektrischen Heizelements 52 und der äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 mit einer oder beiden Verteilerleitungen 44, 46 eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über die gesamte Fläche des Wärmetauschers 10, innerhalb des durch den Wärmetauscher 10 strömenden Wärmeträgerfluids und über die gesamte Außenfläche des Wärmetauschers 10 ergibt, im Vergleich zur Anordnung des elektrischen Heizelements 52 und der äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 nur zwischen den Enden 36, 38 der Fluidströmungskanäle 34. Wenn der Wärmetauscher 10 zur Erwärmung einer oder mehrerer Batteriezellen und/oder Batteriemodule einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie verwendet wird, die in thermischem Kontakt mit der Außenfläche des Wärmetauschers 10 steht/stehen, gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Bereich des Wärmetauschers 10 eine gleichmäßige Erwärmung der Batteriezelle(n) und/oder des/der Batteriemodule(s) und vermeidet heiße Stellen, die die Leistung und Langlebigkeit der Batterie negativ beeinflussen könnten.
In dem Ausführungsbeispiel der 2 bis 4 ist die äußere Heizelement-Trägerfläche 54, auf der das elektrische Heizelement 52 vorgesehen ist, Teil der Außenfläche 22 der zweiten Platte 18, und insbesondere ein Bereich der Außenfläche 22, der direkt gegenüber einem Bereich der Innenfläche 20 liegt, der die Bodenwand der ersten Verteilerleitung 44 definiert, die entweder die Einlassverteilerleitung oder die Auslassverteilerleitung sein kann. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 erwärmt das elektrische Heizelement 52 das Fluid, wenn es durch die Einlassverteilerleitung 44 strömt.
In einer Variante des ersten Ausführungsbeispiel, die in der Aufsicht von unten in 5 dargestellt ist, hat der Wärmetauscher 10 eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 und ein elektrisches Heizelement 52, die Teil der Außenfläche 16 oder 22 der ersten oder zweiten Platte 12 oder 18 sind, und insbesondere einen Bereich der Außenfläche 16 oder 22, der direkt gegenüber einem Bereich der Innenfläche 14 liegt, der die obere oder untere Wand der zweiten Verteilerleitung 46 definiert. Beispielsweise zeigt die 5 eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 und ein zweites elektrisches Heizelement 52 (in gestrichelten Linien), die direkt gegenüber einem Bereich der Innenfläche 20 liegen, der die Bodenwand der zweiten Verteilerleitung 46 definiert. Entweder eines oder beide der Heizelemente 52 können im Wärmetauscher 10 vorgesehen werden.
In einer anderen Variante des ersten Ausführungsbeispiels, die in der Aufsicht von 6 dargestellt ist, sind auf der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 ein Paar von äußeren Heizelement-Trägerflächen 54 und ein Paar elektrischer Heizelemente 52 vorgesehen, entweder zusätzlich zu oder anstelle der äußeren Heizelement-Trägerfläche(n) 54 und des/der elektrischen Heizelements/-elemente 52, die auf der zweiten Platte 18 vorgesehen sind. Insbesondere sind die äußeren Heizelement-Trägerflächen 54 und die elektrischen Heizelemente 52 der 6 auf einem Bereich der Außenfläche 16, der direkt gegenüber einem Bereich der Innenfläche 14 liegt, der die obere Wand der zweiten Verteilerleitung 46 definiert, die entweder die Einlassverteilerleitung oder die Auslassverteilerleitung sein kann. An dieser Stelle erwärmt das elektrische Heizelement 52 das Fluid, wenn es durch die zweite Verteilerleitung 46 strömt.
Wie in 6 dargestellt, können die Stellen der Einlass- und Auslassöffnungen 40, 42 und der Armaturen 48, 50 die Stellen des elektrischen Heizelements 52 und der externen Heizelement-Trägerfläche 54 auf der ersten Platte 12 gegenüber der ersten und/oder zweiten Verteilerleitung 44, 46 stören. Dementsprechend sind die äußeren Heizelement-Trägerflächen 54 und die elektrischen Heizelemente 52 auf beiden Seiten der Armatur 50 in 6 vorgesehen. Um diese Störung zu vermeiden, können die aus der ersten Platte 12 herausragenden Armaturen 48, 50 durch „seitliche Eintrittsöffnungen“ und Armaturen ersetzt werden, die sich entlang der Ränder des Wärmetauschers 10 befinden, wie es in der Technik bekannt ist.
In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Bereich des elektrischen Heizelements 52 und der äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 den Flächenbereich des Wärmetauschers 10 überlappen, der von den Fluidströmungskanälen 34 eingenommen wird. Zum Beispiel überlappen, wie in 5 dargestellt, das elektrische Heizelement 52 und die externe Heizelement-Trägerfläche 54 (in gestrichelten Linien), die an der zweiten Verteilerleitung 46 vorgesehen sind, das zweite Ende 38 der Fluidströmungskanäle 34.
Das elektrische Heizelement 52 kann ein Flächen-Folienheizelement umfassen, das aus einer oder mehreren Schichten besteht, wie in der gemeinsam übertragenen internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/CA 2019/050283 beschrieben, die am 7. März 2019 eingereicht wurde und den Titel „Heat Exchanger With Integrated Electrical Heating Element“ trägt und hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wurde. Das elektrische Heizelement 52 schließt typischerweise mindestens eine Schicht aus leitendem Material, über die ein elektrischer Strom zum Heizelement 52 geliefert wird, und mindestens eine Schicht aus einem resistiven Material, um den elektrischen Strom in Wärmeenergie umzuwandeln, ein. Wenn der Wärmetauscher 10 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, kann das elektrische Heizelement 52 ein Flächen-Folienheizelement umfassen, das direkt auf ein Aluminiumsubstrat geklebt werden kann und das durch ein Siebdruckverfahren auf die äußere Trägerfläche 54 des Heizelements aufgebracht werden kann, wie in der oben genannten provisorischen US-Patentanmeldung Nr. PCT/CA 2019/050283 und im US-Patent Nr. 8,653,423 , das hier ebenfalls durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit enthalten ist, ausführlicher beschrieben wird.
Der Wärmetauscher 10 kann ferner einen turbulenzverstärkenden Einsatz 58, wie etwa eine gewellte Lamelle oder einen Turbulizer, umfassen, um eine vergrößerte Turbulenz und einen vergrößerten Oberflächenbereich für eine Wärmeübertragung bereitzustellen, wodurch die Wärmeübertragung vom elektrischen Heizelement 52 zu dem Fluid in den Fluidströmungskanälen 34 verbessert wird. Der turbulenzverstärkende Einsatz 58 stellt außerdem eine strukturelle Stütze für die erste und die zweite Platte 12, 18 bereit, wodurch die Steifigkeit des Wärmetauschers 10 verbessert wird. Außerdem definiert der turbulenzverstärkende Einsatz 58, wie weiter unten beschrieben, die Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 des Wärmetauschers 10.
Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „Lamelle“ und „Turbulizer“ wellenförmige turbulenzverstärkende Einsätze 58 bezeichnen, die mehrere Grate oder Kämme 60 aufweisen, die durch Seitenwände 62 verbunden sind, wobei die Grate abgerundet oder flach sind. Wie hierin definiert, weist eine „Lamelle“ kontinuierliche Grate auf, während ein „Turbulizer“ Grate aufweist, die ihrer Länge nach unterbrochen sind, so dass ein gewundener Strömungsweg bereitgestellt wird. Wirbelerzeuger bzw. Turbulizer werden mitunter auch als versetzte oder aufgeschnittene Streifenlamellen bezeichnet, und Beispiele für solche Wirbelerzeuger werden im US-Patent Nr. Re. 35,890 (So) und im US-Patent Nr. 6,273,183 (So et al.) beschrieben. Die Patente von So und So et al. werden durch Bezugnahme in ihren vollen Umfängen hierin aufgenommen.
Im Wärmeaustauscher 10 umfasst der turbulenzverstärkende Einsatz 58 eine gewellte Lamelle, die im Raum zwischen den Platten 12, 18 mit ihren Kanten 60 parallel zur Strömungsrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal 34 (d.h. in Längsrichtung) ausgerichtet ist, wobei jede Kante 60 mit der Innenfläche 14 oder 20 der ersten oder zweiten Platte 12 oder 18 in Kontakt steht, so dass benachbarte Fluidströmungskanäle 34 durch die Seitenwände 62 voneinander getrennt sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Kanten 60 des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 stoffschlüssig mit den Innenflächen 14, 20 der ersten und zweiten Platte 12, 18 verbunden.
Bei der Verwendung werden eine oder mehrere Batteriezellen und/oder Batteriemodule auf der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 und/oder der Außenfläche 22 der zweiten Platte 18 in Flächenbereichen der Außenflächen 16 und/oder 22, die dem Flächenbereich der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 entsprechen, montiert oder in Kontakt mit diesen gebracht. Der Wärmetauscher 10 umfasst eine „Kühlplatte“, bei der die Außenfläche 16 der ersten Platte 12 eine flache obere Fläche vorsieht, auf der ein oder mehrere Batteriezellen und/oder Batteriemodulen im Wärmekontakt mit der Außenfläche 16 gelagert sind.
Wenn der Wärmetauscher 10 zur Erwärmung der darauf gelagerten Batteriezellen und/oder Module verwendet werden soll, liefert eine elektrische Energieversorgung 56 elektrische Energie an das elektrische Heizelement 52 über leitende Leitungen 64, 66, während das Wärmeträgerfluid durch die Fluidstromkanäle 34 zirkuliert. Wenn der Wärmetauscher 10 zur Kühlung der darauf gelagerten Batteriezellen und/oder Module verwendet werden soll, wird die elektrische Energieversorgung 56 deaktiviert, so dass keine Wärme mehr durch das elektrische Heizelement 52 erzeugt wird, während ein Wärmeträgerfluid mit einer niedrigeren Temperatur als die der Batteriezellen und/oder Module durch den Fluidströmungskanal 34 zirkuliert, um die von den Batteriezellen und/oder Modulen erzeugte Wärme zu absorbieren. Dementsprechend arbeitet der Wärmetauscher 10 im Kühlbetrieb wie ein herkömmlicher Kühlplatten-Wärmetauscher 10 zur Batteriekühlung.
Es wird nun auf die 7 bis 9 Bezug genommen, in denen ein „Gegenstrom“-Wärmetauscher 68 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Der Wärmetauscher 68 teilt eine Anzahl von Elementen wie der oben beschriebene Wärmetauscher 10 und diese gleichen Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Wärmetauscher 68 sind der erste Öffnung 40 und der zweite Öffnung 42 entlang oder neben einer Kante des Batterie-Wärmetauschers 68 angeordnet.
Der Wärmetauscher 68 ist ein „Kühlplatten-Wärmetauscher“, umfassend eine im Allgemeinen flache erste Platte 12 (hierin auch als „Abdeckplatte“ bezeichnet) mit einer Innen- und einer Außenfläche 14, 16 und einer geformten zweiten Platte 18 (hierin auch als „Basisplatte“ bezeichnet), die jeweils eine Innen- und eine Außenfläche 20, 22 aufweist. Die Außenfläche 16 der ersten Platte 12 definiert eine im Allgemeinen flache Fläche, auf der mehrere Batteriezellen und/oder Batteriemodule 2 gestapelt werden, und die daher als die primäre Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers 10 dient.
Die zweite Platte 18 weist eine mittlere, allgemein planare Grundfläche 24 auf, die von einer hochstehenden umlaufenden Seitenwand 26 umgeben ist, die sich von der Grundfläche 24 aus zu einem planaren umlaufenden Flansch 28 erstreckt, der eine planare umlaufende Dichtfläche 30 auf der Innenfläche 20 der zweiten Platte 18 bildet. Die planare Grundfläche 24 der zweiten Platte 18 ist mit mehreren voneinander beabstandeten Rippen 70 versehen, die (in Kombination mit der Innenfläche 14 der ersten Platte 12) die Mehrzahl von Fluidströmungskanäle 34 begrenzen. Die Rippen 70 erstrecken sich aus der Ebene der planaren Grundfläche 24 nach oben und weisen eine Höhe auf, die ausreicht, damit die flache oder gerundete oberste Fläche jeder Rippe 70 eine Dichtfläche definieren kann, die im Wesentlichen koplanar zur Dichtfläche 30 des planaren Flansches 28 ist. Während des Zusammenbaus des Wärmetauschers 68 werden die Dichtfläche 30 des planaren Flansches 28 und die Dichtflächen der Rippen 70 abdichtend an die Innenfläche 14 der ersten Platte 12 gefügt, so dass die Innenfläche 14 der ersten Platte 12 die obersten Wände der Fluidströmungskanäle 34 begrenzt, wobei die planare Grundfläche 24 der zweiten Platte 18 die Bodenwände der Fluidströmungskanäle 34 begrenzt und die Rippen 70 und die umlaufende Seitenwand 26 zusammen die Seiten der Fluidströmungskanäle 34 begrenzen.
Die zweite Platte 18 hat ein erstes Ende 72 und ein zweites Ende 74, die in Längsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die erste und zweite Öffnung 40, 42 in der Nähe des ersten Endes 72 liegen. Jede Rippe 70 hat ein erstes Ende 76 in der Nähe des ersten Endes 72 und ein entgegengesetztes zweites Ende 78 in der Nähe des zweiten Endes 74. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Rippen 70 gerade, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und hängt von den Anforderungen der spezifischen Anwendung ab.
Wie in 8 dargestellt, hat die zweite Platte 18 zwei Arten von Rippen 70: (a) eine Mehrzahl von ersten Rippen 70(1), deren erstes Ende 76 von der Umfangsseitenwand 26 am ersten Ende 72 der zweiten Platte 18 beabstandet ist und deren zweites Ende 78 von der Umfangsseitenwand 26 am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 beabstandet ist; und (b) eine Mehrzahl von zweiten Rippen 70(2), deren jeweils erstes Ende 76 von der Umfangsseitenwand 26 am ersten Ende 72 der zweiten Platte 18 beabstandet ist und deren zweites Ende 78 mit der Umfangsseitenwand 26 am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 verbunden ist. Die erste und zweite Mehrzahl von Rippen 70(1) und 70(2) sind in abwechselnder Folge über die Breite der zweiten Platte 18 angeordnet, wobei das erste Ende 76 jeder ersten Rippe 70(1) mit dem ersten Ende 76 einer benachbarten zweiten Rippe 70(2) durch einen Querrippenabschnitt 80 verbunden ist.
Die zweite Platte 18 hat einen inneren Verteilerbereich 82, der an ihrem ersten Ende 72 zwischen der umfänglichen Seitenwand 26 und den ersten Enden 76 der Rippen 70(1) und 70(2) bestimmt ist und sich über die zweite Platte 18 erstreckt. Der Verteilerbereich 82 wird als „innerer Verteilerbereich“ bezeichnet, weil er zwischen den Platten 12, 18 eingeschlossen ist. Am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 sind mehrere Wendebereiche 84 vorgesehen, von denen sich jeder zwischen der umfänglichen Seitenwand 26 und dem zweiten Ende 78 einer der ersten Rippen 70(1) befindet. Angrenzende Wendebereiche 84 sind durch zweite Rippen 70(2) getrennt.
Mit dieser Anordnung der ersten und zweiten Rippen 70(1) und 70(2), wie in 8 gezeigt, definiert die zweite Platte 18 eine erste Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34(1), die sich jeweils zwischen dem inneren Verteilerbereich 82 und einem der Wendebereiche 84 erstrecken; und eine zweite Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34(2), die sich jeweils zwischen einem der Wendebereiche 84 und einem der Querrippenabschnitte 80 erstrecken, die die ersten Enden 76 eines benachbarten Paares von Rippen 70(1), 70(2) verbinden. Die ersten und zweiten Fluidströmungskanäle 34(1), 34(2) wechseln sich über die Breite der zweiten Platte 18 ab und definieren so die Gegenstromkonfiguration.
Die erste Platte 12 hat eine oder mehrere erste Öffnungen 86 und eine Mehrzahl von beabstandeten zweiten Öffnungen 88, um den Fluideinlass und -auslass zu und von den Fluidströmungskanälen 34 zu ermöglichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die eine oder mehrere erste Öffnung(en) 86 einen durchgehenden Querschlitz, der sich direkt über dem inneren Verteilerbereich 82 der zweiten Platte 18 befindet, so dass die erste(n) Öffnung(en) 86 in Fluidverbindung mit den offenen ersten Enden 36 der ersten Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34(1) durch den inneren Verteilerbereich 82 steht (stehen). Jede der zweiten Öffnungen 88 befindet sich direkt über und in Fluidströmungsverbindung mit dem terminalen Ende eines der zweiten Fluidströmungskanäle 34(2).
Der Wärmetauscher 68 umfasst ferner eine erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94, die abdichtend mit der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 verbunden sind und eine erste bzw. zweite äußere Verteilerkammer 92, 96 umschließen (9). Diese Kammern 92, 96 werden als „externe bzw. äußere Verteilerkammern“ bezeichnet, weil sie sich außerhalb des zwischen der ersten Platte 12 und der zweiten Platte 18 eingeschlossenen Bereichs befinden. Die erste Verteilerabdeckung 90 befindet sich direkt über der (den) ersten Öffnung(en) 86 und die zweite Verteilerabdeckung 94 befindet sich direkt über der Mehrzahl von zweiten Öffnungen 88.
Die erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94 sind jeweils mit einer ersten und zweiten Öffnung 40, 42 und rohrförmigen Fluidarmaturen 50, 52 versehen, um die Zu- und Ableitung des Wärmeträgerfluids zum und vom Wärmetauscher 68 zu ermöglichen. Die Verteilerabdeckungen 90, 94 sind länglich und erstrecken sich quer über die erste Platte 12, um eine Fluidverteilung oder -sammlung über die Breite des Wärmetauschers 68 zu ermöglichen. Die Fluidöffnungen 40, 42 können an beliebiger Stelle entlang der Länge der jeweiligen ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 gebildet werden.
Eine erste Verteilerleitung 44 (9) ist definiert durch die kombinierten Volumina der ersten äußeren Verteilerkammer 90 und des inneren Verteilerbereichs 82, die durch die erste(n) Öffnung(en) 86 in direkter Fluidverbindung sind. Es sei verstanden, dass die erste externe Verteilerkammer 90 optional ist und dass die erste(n) Öffnung(en) 86 in der ersten Platte einfach ein einziges Loch aufweisen kann (können), das als Einlassöffnung 40 dient, und dass die rohrförmige Einlassarmatur 48 direkt auf der ersten Platte 12 vorgesehen sein kann, um eine Fluidverbindung mit der Einlassöffnung 40 herzustellen, wie in dem Ausführungsbeispiel der 1-6.
Eine zweite Verteilerleitung 46 (9) ist definiert durch das Volumen der zweiten äußeren Verteilerkammer 96. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die erste Verteilerleitung 44 als „Einlassverteilerleitung“ und die zweite Verteilerleitung 46 als „Auslassverteilerleitung“ bezeichnet werden. Die Einlassverteilerleitung 44 ist in Fluidverbindung mit der Einlassöffnung 40 und mit der ersten Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34(1) durch deren erste Enden 36. Die Auslassverteilerleitung 46 ist in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 42 und mit der zweiten Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34(2) durch deren zweite Enden 38.
Wie in 9 am besten zu erkennen ist, sind die erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94 in einer integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 kombiniert, in der die erste und zweite externe Verteilerkammer 92, 96 durch eine Trennrippe 100 getrennt sind. Die Verteilerabdeckstruktur 98 hat eine ebene, untere Dichtungsfläche 102, die sich kontinuierlich entlang der unteren Kanten der Trennrippe 100 und der unteren Umfangskante der Verteilerabdeckstruktur 98 erstreckt, wobei die Verteilerabdeckstruktur 98 entlang der unteren Dichtungsfläche 102 dichtend mit der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 verbunden ist.
Die Verteilerabdeckstruktur 98 kann durch maschinelle Bearbeitung oder Gießen geformt werden, in der vorliegenden Ausführung ist die Verteilerabdeckstruktur 98 jedoch eine Prägestruktur, die durch Stanzen oder Tiefziehen eines Blechs aus Metall, wie z.B. Aluminium, hergestellt wird. Dementsprechend umfasst die Verteilerabdeckstruktur 98 einen Umfangsflansch 104, der ein Paar voneinander beabstandeter Prägungen umgibt, die die erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94 definieren, wobei die Bodenflächen des Umfangsflansches 104 und der Trennrippe 100 die ebene, untere Dichtungsfläche 102 definieren.
Der Wärmetauscher 68 umfasst außerdem ein oder mehrere elektrische Heizelemente 52, von denen jedes auf einer äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 vorgesehen ist, die als der Bereich der Außenfläche des Wärmetauschers 68 definiert ist, der von dem elektrischen Heizelement 52 eingenommen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Außenfläche des Wärmetauschers 68 die Außenfläche 22 der zweiten Platte 18, die Außenflächen der Verteilerabdeckungen 90, 94 oder der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 und die Außenfläche 16 der ersten Platte 12 mit Ausnahme des von den Verteilerabdeckungen 90, 94 oder der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 abgedeckten Flächenbereichs.
Jedes elektrische Heizelement 52 und die entsprechende äußere Heizelement-Trägerfläche 54 liegen direkt gegenüber einer Innenfläche des Wärmetauschers 68, die zumindest teilweise eine der ersten und zweiten Verteilerleitung 44, 46 definiert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel haben eine oder beide der ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 eine ebene Außenfläche, die eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 definiert, auf der ein elektrisches Heizelement 52 vorgesehen ist. Zum Beispiel hat in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Verteilerabdeckung 90 eine flache obere Fläche 106 und die zweite Verteilerabdeckung 94 eine flache obere Fläche 108, wobei sich die flachen oberen Flächen 106, 108 über die Länge der jeweiligen Verteilerabdeckung 90, 94 erstrecken.
Die 7 und 9 zeigen, dass das (die) elektrische(n) Heizelement(e) 52 und die äußere(n) Heizelement-Trägerfläche(n) 54 an verschiedenen Stellen im Wärmetauscher 68 vorgesehen sein können. Zum Beispiel kann eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 mindestens einen Bereich der flachen oberen Fläche 106 der ersten Verteilerabdeckung 90 umfassen, der direkt gegenüber der ersten äußeren Verteilerkammer 92 liegt, die einen Bereich der ersten Verteilerleitung 44 bildet. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 wird das elektrische Heizelement 52 das Fluid erwärmen, wenn es durch die erste Verteilerleitung strömt, die entweder die Einlass- oder die Auslassverteilerleitung 44 sein kann.
Eine andere äußere Heizelement-Trägerfläche 54 kann mindestens einen Bereich der flachen oberen Fläche 108 der zweiten Verteilerabdeckung 94 umfassen, der direkt gegenüber der zweiten äußeren Verteilerkammer 96 liegt, die die Auslassverteilerleitung 46 definiert. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen externen Heizelement-Trägerfläche 54 erwärmt das elektrische Heizelement 52 das Fluid, wenn es durch die Auslassverteilerleitung 46 strömt.
Wie in 9 dargestellt, kann eine weitere äußere Heizelement-Trägerfläche 54 einen Bereich der Außenfläche 22 der zweiten Platte 18 umfassen, der direkt gegenüber dem inneren Verteilerbereich 82 liegt und einen Bereich der ersten Verteilerleitung 44 bildet. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen externen Heizelement-Trägerfläche 54 wird das elektrische Heizelement 52 das Fluid erwärmen, wenn es durch die erste Verteilerleitung 44 strömt.
Nun bezugnehmend auf die 10 bis 12 ist ein „U-Strömung“-Wärmetauscher 120 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Wärmetauscher 120 teilt eine Anzahl von Elementen mit den oben beschriebenen Wärmetauschern 10 und/oder 68 und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Wärmetauscher 120 sind die Einlassöffnung 40 und die Auslassöffnung 42 entlang oder neben einer Kante des Batterie-Wärmetauschers 120 angeordnet.
Der Wärmetauscher 120 ist ein „Kühlplatten-Wärmetauscher“, umfassend eine im Allgemeinen flache erste Platte 12 (hierin auch als „Abdeckplatte“ bezeichnet) mit einer Innen- und einer Außenfläche 14, 16 und einer geformten zweiten Platte 18 (hierin auch als „Basisplatte“ bezeichnet), die jeweils eine Innen- und eine Außenfläche 20, 22 aufweist. Die Außenfläche 16 der ersten Platte 12 definiert eine im Allgemeinen flache Fläche, auf der mehrere Batteriezellen und/oder Batteriemodule 2 gestapelt werden, und die daher als die primäre Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers 10 dient.
Die zweite Platte 18 weist eine mittlere, allgemein planare Grundfläche 24 auf, die von einer hochstehenden umlaufenden Seitenwand 26 umgeben ist, die sich von der Grundfläche 24 aus zu einem planaren umlaufenden Flansch 28 erstreckt, der eine planare umlaufende Dichtfläche 30 auf der Innenfläche 20 der zweiten Platte 18 bildet. Die planare Grundfläche 24 der zweiten Platte 18 ist mit mehreren voneinander beabstandeten Rippen 70 versehen, die (in Kombination mit der Innenfläche 14 der ersten Platte 12) die Mehrzahl von Fluidströmungskanäle 34 begrenzen. Die Rippen 70 erstrecken sich aus der Ebene der planaren Grundfläche 24 nach oben und weisen eine Höhe auf, die ausreicht, damit die flache oder gerundete oberste Fläche jeder Rippe 70 eine Dichtfläche definieren kann, die im Wesentlichen koplanar zur Dichtfläche 30 des planaren Flansches 28 ist. Während des Zusammenbaus des Wärmetauschers 120 werden die Dichtfläche 30 des planaren Flansches 28 und die Dichtflächen der Rippen 70 abdichtend an die Innenfläche 14 der ersten Platte 12 gefügt, so dass die Innenfläche 14 der ersten Platte 12 die obersten Wände der Fluidströmungskanäle 34 begrenzt, wobei die planare Grundfläche 24 der zweiten Platte 18 die Bodenwände der Fluidströmungskanäle 34 begrenzt und die Rippen 70 und die umlaufende Seitenwand 26 zusammen die Seiten der Fluidströmungskanäle 34 begrenzen.
Die zweite Platte 18 hat ein erstes Ende 72 und ein zweites Ende 74, die in Längsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Einlass- und Auslassöffnung 40, 42 in der Nähe des ersten Endes 72 liegen. Jede Rippe 70 hat ein erstes Ende 76 in der Nähe des ersten Endes 72 und ein entgegengesetztes zweites Ende 78 in der Nähe des zweiten Endes 74. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Rippen 70 gerade, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und hängt von den Anforderungen der spezifischen Anwendung ab.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die zweite Platte 18 drei Arten von Rippen 70 auf: (a) eine Mehrzahl von ersten Rippen 70(1), deren erstes Ende 76 von der Umfangsseitenwand 26 am ersten Ende 72 der zweiten Platte 18 beabstandet ist und deren zweites Ende 78 von der Umfangsseitenwand 26 am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 beabstandet ist; (b) eine Mehrzahl von zweiten Rippen 70(2), deren erstes Ende 76 ebenfalls von der Umfangsseitenwand 26 am ersten Ende 72 der zweiten Platte 18 beabstandet ist und deren zweites Ende 78 von der Umfangsseitenwand 26 am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 beabstandet ist; und (c) eine Trennrippe 70(3), die zwischen den mehreren ersten und zweiten Rippen 70(1), 70(2) angeordnet ist, wobei die Trennrippe 70(3) ein erstes Ende 76 aufweist, das mit der Umfangsseitenwand 26 am ersten Ende 72 der zweiten Platte 18 verbunden ist, und ein zweites Ende 78 aufweist, das von der Umfangsseitenwand 26 am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 beabstandet ist.
Bei dieser Anordnung definiert die planare Grundfläche 24 der zweiten Platte 18 eine allgemein U-förmige Strömungsanordnung, die einen Einlassabschnitt 122 und einen Auslassabschnitt 124 umfasst, die durch die Trennrippe 70(3) getrennt sind. Der Einlassabschnitt 122 enthält eine Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34, die durch die Mehrzahl von ersten Rippen 70(1) begrenzt sind, und der Auslassabschnitt 124 enthält eine Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34, die durch die Mehrzahl von zweiten Rippen 70(2) begrenzt sind.
Die zweite Platte 18 hat einen ersten inneren Verteilerbereich 82(1), der an ihrem ersten Ende 72 zwischen der umfänglichen Seitenwand 26 und den ersten Enden 76 der Rippen 70(1) im Einlassabschnitt 122 definiert ist, und einen zweiten inneren Verteilerbereich 82(2) am ersten Ende 72 zwischen der umfänglichen Seitenwand 26 und den ersten Enden 76 der Rippen 70(2) im Auslassabschnitt 124. Am zweiten Ende 74 der zweiten Platte 18 ist ein Wendebereich 84 vorgesehen, der sich zwischen der umfänglichen Seitenwand 26 und den zweiten Enden 78 der Rippen 70(1), 70(2), 70(3) befindet. Die Fluidverbindung zwischen dem Einlass- und Auslassabschnitt 122, 124 wird durch den Raum zwischen der umfänglichen Seitenwand 26 und dem zweiten Ende 78 der Trennrippe 70(3) hergestellt.
Die erste Platte 12 hat eine oder mehrere erste Öffnungen 86 und eine oder mehrere beabstandete zweite Öffnungen 88, um den Fluideinlass und -auslass zu und von den Fluidströmungskanälen 34 zu ermöglichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die eine oder mehrere erste und zweite Öffnung(en) 86, 88 jeweils einen durchgehenden Querschlitz auf. Die erste Öffnung 86 befindet sich direkt über dem ersten inneren Verteilerbereich 82(1) und ist in Fluidverbindung mit den offenen ersten Enden 36 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 des Einlassabschnitts 122. In gleicher Weise liegt die zweite Öffnung 88 direkt über dem zweiten inneren Verteilerbereich 82(2) und ist in Fluidverbindung mit den offenen ersten Enden 36 der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen 34 des Auslassabschnitts 124.
Der Wärmetauscher 120 umfasst ferner eine erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94, die abdichtend mit der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 verbunden sind und eine erste und zweite äußere Verteilerkammer 92, 96 umschließen. Die erste Verteilerabdeckung 90 befindet sich direkt über der ersten Öffnung 86 und die zweite Verteilerabdeckung 94 befindet sich direkt über der zweiten Öffnungen 88.
Die erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94 sind jeweils mit einer ersten und zweiten Fluidöffnung 40, 42 und einer ersten und zweiten rohrförmigen Fluidarmatur 48, 50 versehen, um die Zu- und Ableitung des Wärmeträgerfluids zum und vom Wärmetauscher 120 zu ermöglichen. Die Verteilerabdeckungen 90, 94 sind länglich und erstrecken sich quer über die erste Platte 12, um eine Fluidverteilung oder -sammlung über die Breite jedes Abschnitts 122, 124 des Wärmetauschers 120 zu ermöglichen. Die Fluidöffnungen 40, 42 können an beliebiger Stelle entlang der Länge der jeweiligen ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 gebildet werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Verteilerabdeckungen 90, 94 so dargestellt, dass sie sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des Wärmetauschers 120 erstrecken. Da die erste Verteilerabdeckung 90 jedoch nur mit dem ersten inneren Verteilerbereich 82(1) im Einlassabschnitt 122 in Fluidverbindung steht, erstreckt sich die erste Verteilerabdeckung 90 nicht unbedingt über den Auslassabschnitt 124. Da in gleicher Weise die zweite Verteilerabdeckung 94 nur mit dem zweiten inneren Verteilerbereich 82(2) im Auslassabschnitt 124 in Fluidverbindung steht, erstreckt sich die zweite Verteilerabdeckung 94 nicht unbedingt über den Einlassabschnitt 122. Durch Ausdehnen eines oder beider Verteilerabdeckungen 90, 94 über im Wesentlichen die gesamte Breite des Wärmetauschers 120 können eine oder beide der Einlass- und Auslassöffnungen 40, 42 an jeder Stelle entlang der Breite des Wärmetauschers 120 vorgesehen sein.
Wie in 12 dargestellt, wird die erste Verteilerleitung 44 des Wärmetauschers 120 durch die kombinierten Volumina der ersten äußeren Verteilerkammer 92 und des ersten inneren Verteilerbereichs 82(1) definiert, die durch die erste Öffnung 86 in direkter Fluidverbindung stehen. Die zweite Verteilerleitung 46 ist durch die kombinierten Volumina der zweiten äußeren Verteilerkammer 96 und des ersten inneren Verteilerbereichs 82(2) definiert, die über die zweiten Öffnungen 88 in direkter Fluidverbindung stehen.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94 in einer integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 kombiniert, in der die erste und zweite externe Verteilerkammer 92, 96 durch eine Trennrippe 100 getrennt sind. Die Verteilerabdeckstruktur 98 hat eine ebene, untere Dichtungsfläche 102, die sich kontinuierlich entlang der unteren Kanten der Trennrippe 100 und der unteren Umfangskante der Verteilerabdeckstruktur 98 erstreckt, wobei die Verteilerabdeckstruktur 98 entlang der unteren Dichtungsfläche 102 dichtend mit der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 verbunden ist. Es sei jedoch bemerkt, dass die Verteilerabdeckstruktur 98 jede der in der obigen Beschreibung des Wärmetauschers 68 diskutierten alternativen Konstruktionen haben kann.
Der Wärmetauscher 120 umfasst außerdem ein oder mehrere elektrische Heizelemente 52, von denen jedes auf einer äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 vorgesehen ist, die als der Bereich der Außenfläche des Wärmetauschers 120 definiert ist, der von dem elektrischen Heizelement 52 eingenommen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Außenfläche des Wärmetauschers 120 die Außenfläche 22 der zweiten Platte 18, die Außenflächen der Verteilerabdeckungen 90, 94 oder der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 und die Außenfläche 16 der ersten Platte 12 mit Ausnahme des von den Verteilerabdeckungen 90, 94 oder der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 abgedeckten Bereichs.
Jedes elektrische Heizelement 52 und die äußere Heizelement-Trägerfläche 54 liegen direkt gegenüber einer Innenfläche des Wärmetauschers 120, die teilweise eine der ersten und zweiten Verteilerleitung 44, 46 definiert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die eine oder beide der ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 eine ebene Außenfläche, die eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 definiert, auf der ein elektrisches Heizelement 52 vorgesehen ist. Zum Beispiel hat in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Verteilerabdeckung 90 eine flache obere Fläche 106 und die zweite Verteilerabdeckung 94 eine flache obere Fläche 108, wobei sich die flachen oberen Flächen 106, 108 über die Länge der jeweiligen Verteilerabdeckung 90, 94 erstrecken.
Die 10 und 12 zeigen, dass das (die) elektrische(n) Heizelement(e) 52 und die externe(n) Heizelement-Trägerfläche(n) 54 an verschiedenen Stellen im Wärmetauscher 120 vorgesehen sein können. Zum Beispiel kann eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 mindestens einen Teil der flachen oberen Fläche 106 der ersten Verteilerabdeckung 90 umfassen, die direkt gegenüber der ersten äußeren Verteilerkammer 92 liegt, die einen Bereich der ersten Einlassverteilerleitung 44 bildet. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 erwärmt das elektrische Heizelement 52 das Fluid, wenn es durch die Einlassverteilerleitung 44 strömt.
Eine andere äußere Heizelement-Trägerfläche 54 kann mindestens einen Bereich der flachen oberen Fläche 108 der zweiten Verteilerabdeckung 94 umfassen, der direkt gegenüber der zweiten äußeren Verteilerkammer 96 liegt, die einen Teil der Auslassverteilerleitung 46 bildet. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen externen Heizelement-Trägerfläche 54 erwärmt das elektrische Heizelement 52 das Fluid, wenn es durch die Auslassverteilerleitung 46 strömt.
Wie in 12 dargestellt, kann eine oder mehrere äußere Heizelement-Trägerflächen 54 Bereiche der Außenfläche 22 der zweiten Platte 18 umfassen, die direkt gegenüber dem ersten inneren Verteilerbereich 82(1) liegt, der einen Bereich der ersten Verteilerleitung 44 bildet. Mit dem elektrischen Heizelement 52 und der an dieser Stelle vorgesehenen externen Heizelement-Trägerfläche 54 wird das elektrische Heizelement 52 das Fluid erwärmen, wenn es durch die erste Verteilerleitung 44 strömt.
Ein typisches Wärmemanagementsystem zum Heizen und/oder Kühlen einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie besteht aus einer Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern, von denen jeder im Wärmekontakt mit einer oder mehreren der Batteriezellen und/oder -module ist, aus denen die wiederaufladbare Fahrzeugbatterie besteht. Die Batterie-Wärmetauscher können in Parallel- und/oder Reihenanordnung strömungstechnisch miteinander verbunden sein, und einer oder mehrere der Batterie-Wärmetauscher in der Anordnung können ein elektrisches Heizelement 52 enthalten, wie oben in Bezug auf die Wärmetauscher 10, 68 und 120 beschrieben.
Wie weiter unten beschrieben, können verringerte Aufheizzeiten und/oder ein geringerer Energieverbrauch unter Kaltstartbedingungen erreicht werden, indem eine sekundäre Umwälzpumpe vorgesehen wird, die für einen Kurzschlussstrom des Wärmeträgerfluids durch einen oder mehrere Wärmetauscher mit elektrischen Heizelementen ausgelegt ist, während die Zirkulation des Fluids durch andere Teile des Systems verhindert wird. Durch die Erwärmung des relativ kleinen Volumens der Wärmeträgerfluids, das durch die Wärmetauscher mit Heizelementen rezirkuliert, wird ein Bereich der Batterie schnell auf den gewünschten Temperaturbereich erwärmt, und die Inbetriebnahme und der Betrieb des Fahrzeugs können nur mit den Bereichen der Batterie erreicht werden, die durch das (die) elektrische(n) Heizelement(e) erwärmt werden.
Die 13 bis 15 stellen ein Beispiel eines Wärmetauschers 130 nach einem vierten Ausführungsbeispiel dar, der eine Anzahl von Elementen mit den oben beschriebenen Wärmetauschern 10, 68 und/oder 120 teilt und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Wärmetauscher 130 ist ein U-Strömung-Wärmetauscher mit einer ersten Öffnung 40 und einer zweiten Öffnung 42, die entlang oder neben einer Kante des Wärmetauschers 130 angeordnet sind, und mit einer ersten und einer zweiten aufrecht stehenden rohrförmigen Armatur 48, 50, die sich von der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 erstrecken, versehen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Öffnung 40 die Einlassöffnung, die zweite Öffnung 42 die Auslassöffnung, die erste rohrförmige Armatur 48 die Einlassarmatur und die zweite rohrförmige Armatur 50 die Auslassarmatur.
Die zweite Platte 18 des Wärmetauschers 130 kann mit der des Wärmetauschers 120 identisch sein. Der ersten Platte 12 des Wärmetauschers 130 fehlen jedoch die ersten und zweiten Öffnungen 86, 88 und die Verteilerabdeckungen 90, 94 der Wärmetauscher 68 und 120, stattdessen befindet sich die erste Öffnung 40 direkt über dem ersten inneren Verteilerbereich 82(1) und die zweite Öffnung 42 direkt über dem zweiten inneren Verteilerbereich 82(2). Der erste innere Verteilerbereich 82(1) wird hier auch als erste Verteilerleitung 44 bezeichnet, die die Einlassverteilerleitung des Wärmetauschers 130 ist. Der zweite innere Verteilerbereich 82(2) wird hier auch als zweite Verteilerleitung 46 bezeichnet, die die Auslassverteilerleitung des Wärmetauschers 130 ist.
Wie in den 14 und 15 dargestellt, sind das elektrische Heizelement 52 und die äußere Heizelement-Trägerfläche 54 auf der Außenfläche 22 der zweiten Platte 18, direkt gegenüber einem oder beiden des ersten und zweiten inneren Verteilerbereichs 82(1) und 82(2), angrenzend an das erste Ende 72 der zweiten Platte 18 vorgesehen. Obwohl 15 ein Paar elektrischer Heizelemente 52 und ein Paar äußerer Heizelement-Trägerflächen 54 zeigt, die sich quer über den ersten und zweiten inneren Verteilerbereich 82(1) und 82(2) erstrecken, ist dies nicht unbedingt erforderlich.
Zwischen der ersten und dem zweiten Öffnung 40, 42 des Wärmetauschers 130 ist eine Kurzschluss-Strömungsleitung 132 vorgesehen, damit die Strömung des Wärmeträgerfluids direkt zwischen der ersten und zweiten Öffnung 40, 42 rezirkuliert werden kann. Dies ermöglicht die Rezirkulation eines Volumens des Wärmeträgerfluids durch den Wärmetauscher 130, anstatt es durch den Rest des Wärmemanagementsystems der Batterie zirkulieren zu lassen. Die Rezirkulation des Wärmeträgerfluids im Wärmetauscher 130 ermöglicht seine schnelle Erwärmung durch das elektrische Heizelement 52.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 aus einem Rohr mit einem ersten Ende, das von der ersten rohrförmigen Armatur 48 abzweigt, und einem zweiten Ende, das von der zweiten rohrförmigen Armatur 50 abzweigt. Es sei jedoch verstanden, dass auch unterschiedliche Anordnungen möglich sind.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung 132 ist eine sekundäre Umwälzpumpe 134 vorgesehen, die für das Pumpen des relativ kleinen Volumens des im Wärmetauscher 130 enthaltenen Wärmeträgerfluids geeignet ist. Dementsprechend hat die sekundäre Umwälzpumpe 134 im Vergleich zur primären Umwälzpumpe des Wärmemanagementsystems eine kleinere Größe, eine geringere Kapazität und einen geringeren Energieverbrauch. Die Pumpe 134 hat einen Einlass 136, der mit der zweiten (Auslass-)Öffnung 42 und der zweiten (Auslass-)Armatur 50 durch die Strömungsleitung 132 verbunden ist, so dass der Pumpeneinlass 136 so angepasst ist, dass er Wärmeträgerfluid von der zweiten Öffnung 42 erhält. Die Pumpe 134 hat einen Auslass 138, der mit der ersten (Einlass-)Öffnung 40 und der ersten (Einlass-)Armatur 48 durch die Strömungsleitung 132 verbunden ist, so dass der Pumpenauslass 138 so angepasst ist, dass er Wärmeträgerfluid zu der zweiten Öffnung 40 ausgibt. Die Pumpe 134 wird elektrisch betrieben und verfügt über elektrische Anschlüsse 140 für den Anschluss an eine elektrische Energieversorgung (nicht abgebildet) und an eine Steuervorrichtung (nicht abgebildet) zur Steuerung des Betriebs des Batterie-Wärmemanagementsystems. Die Pumpe 134 kann nur durch ihre Anschlüsse an die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 physisch abgestützt werden, oder sie kann auf der Außenfläche 16 der ersten Platte 12 abgestützt und an dieser befestigt werden.
Die Größe der sekundären Umwälzpumpe 134 hängt von der Größe des elektrischen Heizelements 52, der gewünschten Heizrate der Batteriezelle(n) oder des Moduls bzw. der Module, die auf dem Wärmetauscher 130 gelagert sind, und der thermischen Masse des Systems ab. Um beispielsweise eine 50 kg schwere Batterie mit einem 2 kW-Heizelement und 200 ml zu erwärmendem Kühlmittel in 11 Minuten von -20 auf 5°C zu erwärmen, sollte die sekundäre Umwälzpumpe 134 für eine Durchflussrate von etwa 0,3 bis 1 Liter pro Minute (Ipm) ausgelegt sein, um ein Sieden des Kühlmittels zu verhindern.
Die sekundäre Umwälzpumpe 134 kann eine konventionellen Kreiselpumpe oder eine Verdrängerpumpe umfassen, die den Rückfluss des Wärmeträgerfluids unter den Bedingungen verhindert, dass die Pumpe 134 abgeschaltet ist. Handelt es sich bei der Pumpe 134 um eine Kreiselpumpe, kann in der Kurzschluss-Strömungsleitung 132 ein Ventil (nicht abgebildet) vorgesehen sein, um den Rückfluss von Wärmeträgerfluid durch die Leitung 132 zu verhindern, wenn die Pumpe 134 abgeschaltet ist. Das Ventil kann aus einem Rückschlagventil bestehen, wie z.B. einem einfachen Klappen-Rückflussverhinderungsventil. Im Interesse der Minimierung von Größe, Komplexität, Anzahl der Fluidanschlüsse und der Anzahl der Komponenten wird die sekundäre Umwälzpumpe 134 in der folgenden Beschreibung jedoch als Verdrängerpumpe angenommen.
Nun bezugnehmend auf die 16 ist ein Wärmetauscher 150 entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Wärmetauscher 150 kann entweder ein Gegenstrom-Wärmetauscher ähnlich wie der Wärmetauscher 68 oder ein U-Strömung-Wärmetauscher ähnlich wie der Wärmetauscher 120 sein. Der Wärmetauscher 150 teilt eine Anzahl von Elementen mit den oben beschriebenen Wärmetauschern 10, 68, 120 und 130 und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Wärmetauscher 150 sind die erste und zweite Öffnung 40, 42 und die erste und zweite Armatur 58, 50 in oder auf der ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 vorgesehen, die Teil der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 sind. Ein elektrisches Heizelement 52 und eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 sind auf jeder der Verteilerabdeckungen 90, 94 vorgesehen, obwohl es verstanden sei, dass nur eine der Verteilerabdeckungen 90, 94 mit einem elektrischen Heizelement 52 und einer äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 versehen werden kann.
Wie oben erwähnt, können die Öffnungen 40, 42 und die Armaturen 48, 50 an jeder beliebigen Stelle entlang der Länge der Verteilerabdeckungen 90, 94 vorgesehen sein, was den Vorteil hat, dass es die Integration der sekundären Umwälzpumpe 134 in den Batterie-Wärmetauscher 150 vereinfacht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 40, 42 und Armaturen 48, 50 nebeneinander (in Längsrichtung ausgerichtet) nahe den Enden der Verteilerabdeckungen 90, 94 und einer Längskante 152 des Wärmetauschers 150 angeordnet.
Die röhrenförmigen Armaturen 48, 50 des Wärmetauschers 150 haben Verlängerungen, die sich über und parallel zur Außenfläche 16 der ersten Platte 12 erstrecken, wobei die Armaturen 48, 50 nach außen über die Längskante 152 des Wärmetauschers 150 hinausragen und mit den entsprechenden Leitungen 154, 156 eines Wärmemanagementsystems verbunden sind, über die der Wärmetauscher 150 mit anderen Komponenten des Wärmemanagementsystems strömungstechnisch verbunden ist, die eine oder mehrere wärmeerzeugende Komponenten, einen oder mehrere Wärmetauscher (einschließlich eines oder mehrerer Batteriekühl-Wärmetauscher), eine oder mehrere Pumpen und/oder ein oder mehrere Ventile umfassen kann.
Der Wärmetauscher 150 umfasst eine Kurzschluss-Strömungsleitung 132, damit die Strömung des Wärmeträgerfluids für ein schnelles Aufheizen direkt zwischen der ersten und zweiten Öffnung 40, 42 rezirkuliert werden kann, wie oben unter Bezugnahme auf den Wärmetauscher 130 diskutiert wurde. Die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 umfasst ein Rohr mit einem ersten Ende, das von der ersten rohrförmigen Armatur 48 abzweigt, und einem zweiten Ende, das von der zweiten rohrförmigen Armatur 50 abzweigt.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung 132 ist die sekundäre Umwälzpumpe 134 mit einem Einlass 136, der über die Strömungsleitung 132 mit der ersten (Auslass)Öffnung 40 und der ersten (Auslass)Armatur verbunden ist, und einem Auslass 138 versehen, der über die Strömungsleitung 132 mit der zweiten (Einlass)Öffnung 42 und der zweiten (Einlass)Armatur 50 verbunden ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich die Pumpe 134 außerhalb des Randes 152 des Wärmetauschers 150 und kann sich nur durch ihre Verbindungen mit der Kurzschluss-Strömungsleitung 132 physisch abstützen.
Wie oben ausgeführt, ist der Wärmetauscher 150 über die röhrenförmigen Armaturen 48, 50 mit dem restlichen Batterie-Wärmemanagementsystem verbunden. Um den Wärmetauscher 130 unter Bedingungen, bei denen eine Kurzschlussströmung erwünscht ist, vom Rest des Systems zu isolieren, wird das Batterie-Wärmemanagementsystem auch mindestens ein Regelventil für die Kurzschlussströmung 142 umfassen. Jedes Regelventil für die Kurzschlussströmung 142 ist stromabwärts des Kurzschluss-Strömungskreises vorgesehen, der durch den Wärmetauscher 30 und die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 definiert ist, um die Strömung zwischen der ersten Öffnung 40 und/oder der zweiten Öffnung 42 und dem Rest des Batterie-Wärmemanagementsystems zu verhindern oder zu ermöglichen. Im dargestellten Beispiel ist ein Ventil 142 in der Leitung 154 des Wärmemanagementsystems vorgesehen, wobei das Ventil 142 über die erste rohrförmige Armatur 48 mit der ersten Fluidöffnung 40 in Strömungsverbindung steht.
Es sei verstanden, dass ein Regelventil für die Kurzschlussströmung 142 stattdessen oder auch in der Leitung 156 vorgesehen sein kann und/oder ein Regelventil für die Kurzschlussströmung 142 in einer oder beiden der rohrförmigen Armaturen 48, 50 vorgesehen sein kann. Das Ventil 142 kann elektrisch betrieben werden, indem es an eine elektrische Energieversorgung (nicht abgebildet) und an die Steuervorrichtung (nicht abgebildet) des Batterie-Wärmemanagementsystems angeschlossen wird. Alternativ kann das Ventil 142 ein einfaches mechanisches Rückschlagventil sein, wie beispielweise ein Klappen-Rückflussverhinderungsventil.
Unter Bedingungen, bei denen eine schnelle Erwärmung des durch den Wärmetauscher 150 zirkulierenden Wärmeträgerfluids erwünscht ist, betätigt (schließt) die Steuervorrichtung das (die) Ventil(e) 142, um den Wärmetauscher 150 vom Rest des Wärmemanagementsystems zu trennen; aktiviert die sekundäre Umwälzpumpe 134, um eine rezirkulierende Kurzschlussströmung durch den Wärmetauscher 150 zu erzeugen; und aktiviert das elektrische Heizelement 52, um das rezirkulierende Fluid zu erwärmen. Die Steuervorrichtung kann auch die primäre Umwälzpumpe des Wärmemanagementsystems während der Kurzschlussrezirkulation des Fluids durch den Wärmetauscher 150 deaktivieren. Es sei bemerkt, dass die Kurzschlussrezirkulation und die Erwärmung des Fluidvolumens des Wärmetauschers 150 eine bevorzugte Erwärmung der Batteriezelle(n) und des/der auf dem Wärmetauscher gelagerten Moduls(e) bewirkt, ohne den Rest des Batterie-Wärmemanagementsystems zu erwärmen.
Der oben beschriebene Wärmetauscher 130 kann in ein Wärmemanagementsystem auf die gleiche Weise, wie oben für den Wärmetauscher 150 beschrieben, integriert werden.
Wie unten weiterhin erörtert wird, bietet die Bereitstellung eines Batterie-Wärmetauschers mit Verteilerabdeckungen 90, 94, wie bei den Wärmetauschern 68, 120 und 150, weitere Möglichkeiten für die Integration der Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und der sekundären Umwälzpumpe 134 in den Wärmetauscher, ohne die Größe des Wärmetauschers zu vergrößern oder den Flächenbereich seiner Heizfläche zu verringern.
Nun bezugnehmend auf die 17 und 18 ist ein Wärmetauscher 160 entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Wärmetauscher 160 ist ein Gegenstrom-Wärmetauscher ähnlich dem Wärmetauscher 68, aber er kann stattdessen ein U-Strömung-Wärmetauscher ähnlich dem Wärmetauscher 120 sein. Der Wärmetauscher 160 teilt eine Anzahl von Elementen mit den oben beschriebenen Wärmetauschern 10, 68, 120, 130 und 150 und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die erste und zweite Fluidöffnung 40, 42 und die erste und zweite rohrförmige Armatur 48, 50 des Wärmetauschers 160 sind in oder auf der ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 vorgesehen, die Teil der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 sind.
Ein elektrisches Heizelement 52 und eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 sind auf der zweiten Verteilerabdeckung 94 vorgesehen, obwohl es verstanden sei, dass die erste Verteilerabdeckung 90 mit einem elektrischen Heizelement 52 und einer äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 versehen sein kann, entweder anstelle des oder zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement 52 und der äußeren Heizelement-Trägerfläche 54, die an der zweiten Verteilerabdeckung 94 vorgesehen sind. Wie in 18 dargestellt, umschließt die zweite Verteilerabdeckung 94 eine zweite äußere Verteilerkammer 96, die die zweite Verteilerleitung 46 umfasst und die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Einlassverteilerleitung ist. Die erste Verteilerabdeckung 90 definiert einen Teil der ersten Verteilerleitung 44, die die Auslassverteilerleitung ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 direkt zwischen der ersten und der zweiten Verteilerabdeckung 90, 94, um die erste Verteilerkammer 92 der ersten Verteilerabdeckung 90 und die zweite Verteilerkammer 96 der zweiten Verteilerabdeckung 94 direkt zu verbinden anstatt mit den Armaturen 48, 50 verbunden zu sein. Die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 ist als gerader, sich in Längsrichtung erstreckender Kanal oder Rippe dargestellt, der als Teil der integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 ausgebildet ist und die Trennrippe 100 durchquert. Die sekundäre Umwälzpumpe 134 ist zwischen den Enden der Strömungsleitung 132 vorgesehen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Strömungsleitung 132 zwischen ihren Enden eine Pumpenkammer 162, in der die sekundäre Umwälzpumpe 134 untergebracht ist.
Der Betrieb des Wärmetauschers 160 zum Vorsehen einer rezirkulierenden Kurzschluss-Fluidströmung und einer schnellen Erwärmung des Wärmeträgerfluids erfolgt genau wie oben mit Bezug auf die Wärmetauscher 130 und 150 beschrieben. Es wird gezeigt, dass der Wärmetauscher 160 eine vollständigere Integration der Pumpe 134 und des Wärmetauschers 160 ermöglicht, indem er die Größe, die Anzahl der Komponenten und die Anzahl der Fluidverbindungen minimiert. Wenn beispielsweise die erste und zweite Verteilerabdeckung 90, 94 eine integrierte Verteilerabdeckstruktur aufweisen, die durch Prägen eines Metallblechs gebildet wird, können die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und die Pumpenkammer 162 zweckmäßig als Teil der geprägten Struktur gebildet werden.
Die 18A stellt einen Wärmetauscher 170 gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel dar. Der Wärmetauscher 170 ist ein Gegenstrom-Wärmetauscher ähnlich dem Wärmetauscher 68, aber er kann stattdessen ein U-Strömung-Wärmetauscher ähnlich dem Wärmetauscher 120 sein. Der Wärmetauscher 170 teilt eine Anzahl von Elementen mit den oben beschriebenen Wärmetauschern 10, 68, 120, 130, 150 und 160 und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Wärmetauscher 170 umfasst die erste und zweite Fluidöffnung 40, 42 und die erste und zweite rohrförmige Armatur 48, 50, die in oder auf der ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 vorgesehen, die Teil der oben beschriebenen integrierten Verteilerabdeckstruktur 98 sind. Darüber hinaus ist die flache obere Fläche 108 der zweiten Verteilerabdeckung 94 mit einem elektrischen Heizelement 52 und einer äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 versehen.
Wie der oben beschriebene Wärmetauscher 130 enthält auch der Wärmetauscher 170 eine Kurzschluss-Strömungsleitung 132 mit einer sekundären Umwälzpumpe 134. Im Gegensatz zum Wärmetauscher 130 ist die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 jedoch nicht mit den Öffnungen 40, 42 oder den Armaturen 48, 50 verbunden, sondern mit den Sekundäröffnungen 180, 182, die in der ersten und zweiten Verteilerabdeckung 90, 94 vorgesehen sind und in Strömungsverbindung mit den darin eingeschlossenen Verteilerkammern 92, 96 sind, und mit den ersten und zweiten Verteilerleitungen 44, 46. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Pumpeneinlass 136 mit der Auslassverteilerleitung 46 (wobei die Öffnung 40 die Auslassöffnung ist) über die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 verbunden, und der Pumpenauslass 138 ist mit der Einlassverteilerleitung 44 (wobei die Öffnung 42 die Einlassöffnung ist) durch die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 verbunden. Dieser Unterschied im Aufbau hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Funktion des Wärmetauschers 170, bietet jedoch mehr Flexibilität bei der Anordnung der Armaturen 48, 50, 180, 182 und der Kurzschluss-Strömungsleitung 132.
Ein Wärmemanagementsystem kann, wie hier beschrieben, mehrere Wärmetauscher umfassen, wobei die Wärmetauscher in einer Anordnung bzw. einem Array angeordnet sind. Die jetzt unter Bezugnahme auf die 19 und 20 beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich speziell auf Wärmemanagementsysteme einschließlich Anordnungen bzw. Arrays von Batterie-Wärmetauschern, bei denen einer oder mehrere der Wärmetauscher eine sekundäre Umwälzpumpe 134 enthalten, wie oben unter Bezugnahme auf die Wärmetauscher 130, 150, 160 und 170 beschrieben.
19 zeigt schematisch ein Wärmemanagementsystem 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern 150 wie oben beschrieben einschließt, wobei die Wärmetauscher 150 parallel angeordnet sind. Das System 200 umfasst ferner eine primäre Umwälzpumpe 214 zum Pumpen eines flüssigen Wärmeträgerfluids durch das System 200, ein Bypassventil 216, einen ersten Bypass-Strömungskanal 218, einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher 220, 222, wobei der letztere Wärmetauscher 222 in einem zweiten Bypass-Strömungskanal 224 angeordnet ist.
Das System 200 umfasst außerdem ein Paar Hauptfluidleitungen und eine Mehrzahl von Zweigleitungen. Eine erste Hauptleitung 226 und eine zweite Hauptleitung 228 fungieren jeweils als Zu- und Ablaufkopfteil oder -verteilerleitung für die Mehrzahl der Batterie-Wärmetauscher 150. Die Zweigleitungen umfassen eine Mehrzahl von ersten Zweigleitungen 230, die sich zwischen der ersten Hauptleitung 226 und jedem der Batterie-Wärmetauscher 150 erstrecken, von denen jede als Zufuhrleitung dient, um das Wärmeträgerfluid einem Einlass (Öffnung 42 in der Verteilerabdeckung 94) eines Batterie-Wärmetauschers 150 zuzuführen; und eine Mehrzahl von zweiten Zweigleitungen 232, von denen jede als Abfuhrleitung zum Abführen des Wärmeträgerfluids vom Auslass (Öffnung 40 in der Verteilerabdeckung 90) eines Batterie-Wärmetauschers 150 dient.
Um die vier Batterie-Wärmetauscher 150 in 19 zu unterscheiden, werden sie mit den Zeichen 150-1, 150-2, 150-3 und 150-4 gekennzeichnet. Die Wärmetauscher 150-1 und 150-2 sind gepaart (hier als „erstes Paar“ bezeichnet) und durch verlängerte erste und zweite Armaturen 48, 50, zwischen denen eine Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und eine sekundäre Umwälzpumpe 134 vorgesehen sind, strömungstechnisch miteinander verbunden. Dies ähnelt der in 16 gezeigten Anordnung, jedoch werden die erste und zweite Armatur 48, 50 des Wärmetauschers 150 in 19 nicht mit den Leitungen 154, 156 verbunden, sondern mit der ersten und zweiten Armatur 48, 50 eines benachbarten Wärmetauschers 150. Die Wärmetauscher 150-3 und 150-4 sind ähnlich gepaart und werden hier als „zweites Paar“ bezeichnet.
Eine zusätzliche Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und eine sekundäre Umwälzpumpe 134 sind zwischen den Zweigleitungen 230, 232 des Batterie-Wärmetauschers 150-2 vorgesehen. Zusätzlich ist ein Sekundärventil 234 in der ersten Hauptleitung 226 zwischen den beiden Paaren von Batterie-Wärmetauschern 150 vorgesehen.
Im Betrieb können das erste Paar von Wärmetauschern (150-1 und 150-2) und das zweite Paar von Wärmetauschern (150-3 und 150-4) strömungstechnisch voneinander und vom Rest des Systems 200 getrennt werden, indem das Bypass-Ventil 216 geschlossen wird, um den Durchfluss durch die zweite Hauptleitung 228 zu blockieren, und indem auch das Sekundärventil 234 geschlossen wird, um das erste und das zweite Paar von Batterie-Wärmetauschern strömungstechnisch voneinander zu trennen. Die primäre Umwälzpumpe 214 kann auch abgeschaltet werden. In diesem Betriebszustand führt die Aktivierung der sekundären Umwälzpumpe 134 zwischen den Armaturen 48, 50 in jedem Paar von Batterie-Wärmetauschern 150 zur Zirkulation des Wärmeträgerfluids durch jedes Paar von Batterie-Wärmetauschern. Diese sekundären Umwälzpumpen 134 können unabhängig voneinander betrieben werden, so dass eine Zirkulation durch ein oder beide Wärmetauscherpaare 150 erfolgen kann. Es sei auch bemerkt, dass einer oder beide der Wärmetauscher 150 jedes Paares mit einem oder mehreren elektrischen Heizelementen 52 (nicht in 19 dargestellt) versehen werden, um das durch das Wärmetauscherpaar strömende Fluid schnell zu erwärmen.
In einer anderen Betriebsart können die vier Batterie-Wärmetauscher 150 gemeinsam isoliert vom Rest des Systems 200 betrieben werden. In diesem Betriebszustand ist das zweite Ventil 234 geöffnet, während das Ventil 216 geschlossen bleibt. In diesem Fall werden die sekundären Umwälzpumpen 134 zwischen benachbarten Wärmetauschern 150 deaktiviert und die sekundäre Umwälzpumpe 134 zwischen den Zweigleitungen 230, 232 des Batterie-Wärmetauschers 150-2 aktiviert, damit das Fluid durch die vier Wärmetauscher 150 zirkuliert, ohne durch das restliche System zu zirkulieren. Mit dem (den) elektrischen Heizelement(en) 52 der Wärmetauscher 150 kann das durch die Wärmetauscher 150 strömende Wärmeträgerfluid schnell erhitzt werden.
Sobald die Wärmetauscher 150 und/oder die darauf gelagerten Batteriemodule eine vorgegebene Temperatur erreichen, wird die primäre Umwälzpumpe 214 aktiviert und das Bypassventil 216 geöffnet, damit die Wärmeträgerfluid durch das gesamte System 200 zirkulieren kann.
Das System 200 umfasst auch einen Bypass-Betriebszustand, in dem das Bypassventil 216 wie oben beschrieben geschlossen und die primäre Umwälzpumpe 214 aktiviert ist, so dass das Wärmeträgerfluid durch die Wärmetauscher 150 und die Bypass-Wärmetauscher 220 und 222 zirkulieren kann.
20 zeigt einen Teil eines Wärmemanagementsystems 170, in dem mehrere Batterie-Wärmetauscher 68 oder 120 in Reihe geschaltet sind, wobei die Einlassöffnung 42 eines Wärmetauschers 120 mit der Auslassöffnung 40 eines benachbarten Wärmetauschers 120 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann einer der Wärmetauscher 120 mit einem elektrischen Heizelement 52 auf der Verteilerabdeckung 94 versehen sein, obwohl mehr als ein Heizelement 52 auf dem gleichen oder verschiedenen Wärmetauschern 68, 120 vorgesehen sein können.
Die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Wärmetauscher sind „Kühlplatten“. Wie jetzt unter Bezugnahme auf die 21 bis 25 beschrieben, können elektrische Heizelemente 52 auch in Batterie-Wärmemanagementsysteme eingebaut werden, die „ICE“-Plattenwärmetauscher („inter-cell elements“) verwenden. ICE-Platten-Wärmetauscher sind zwischen benachbarten Taschenzellen (Pouch-Zellen) oder prismatischen Zellen einer Fahrzeugbatterie angeordnet oder „eingelegt“, wobei die individuellen ICE-Platten-Wärmetauscher fluidisch über gemeinsame Einlass- und Auslassverteilerleitungen miteinander verbunden sind, die in Strukturelementen zur Halterung der ICE-Plattenwärmetauscher und der Batteriezellen eines Batteriemoduls vorgesehen sind.
21 zeigt ein Batteriemodul 300 mit einer Mehrzahl von ICE-Plattenwärmetauschern 310 und einer Mehrzahl von Batteriezellen 312 in Form von Taschenzellen, wobei ein oder mehrere ICE-Plattenwärmetauscher 310 zwischen benachbarten Batteriezellen 312 aufgenommen werden. Das Batteriemodul 300 umfasst eine Trägerstruktur 314 zum Lagern der ICE-Plattenwärmetauscher 310 und der Batteriezellen 312, wobei die Trägerstruktur 314 auch Strömungskanäle zur Zufuhr eines Wärmeträgerfluids zu den ICE-Plattenwärmetauschern 310 umfasst, wobei die Strömungskanäle unter den ICE-Plattenwärmetauschern 310 und den Batteriezellen 312 in der Basis der Trägerstruktur 314 angeordnet sind. Die Trägerstruktur umfasst eine Mehrzahl von Tragrahmen 316.
Wie in 23 dargestellt, hat jeder Tragrahmen 316 einen oberen Teil, der aus einem Rahmen mit rechteckigem Umfang zur Aufnahme und Halterung der ICE-Plattenwärmetauscher 310 und Batteriezellen 312 besteht, und einen Sockelteil mit ersten und zweiten Fluidöffnungen 318, 320. In dem zusammengebauten Batteriemodul 300 bilden die Tragrahmen 316 mit Hilfe von Abstandshaltern und/oder Dichtungen Gleitringdichtungen mit Fluidöffnungen 322, 324 der ICE-Plattenwärmetauscher 310, so dass der Sockelteil des Batteriemoduls 300 zwei sich über seine Länge erstreckende kontinuierliche Fluidströmungskanäle 326, 328 aufweist, wobei diese Fluidströmungskanäle 326, 328 in Strömungsverbindung mit den inneren Fluidströmungskanälen 330 der ICE-Plattenwärmetauscher 310 stehen. Die Fluidströmungskanäle 326, 328 sind im Wesentlichen Einlass- und Auslassverteilerleitungen für die Fluidströmungskanäle 330 der ICE-Plattenwärmetauscher 310.
Wie genauer in der Detailansicht in 22 gezeigt, kann die Trägerstruktur 316 außerdem eine vordere End- oder Stirnplatte 332 mit Fluidarmaturen 334, 336 aufweisen, durch die das Wärmeträgerfluid den Fluidströmungskanälen 326, 328 zugeführt und aus diesen abgeführt wird.
Wie in der schematischen Aufsicht der 24 gezeigt, umfasst die Trägerstruktur 316 auch eine hintere End- oder Stirnplatte 338 mit einem inneren Fluidströmungskanal 340, der eine Strömungsverbindung zwischen den Enden der Fluidströmungskanäle 326, 328 vorsieht. Ein Ventil 342 ist in dem inneren Fluidströmungskanal 340 angeordnet, um abwechselnd den inneren Fluidströmungskanal 340 zu blockieren und den Durchfluss durch diesen zu ermöglichen.
Auf einer Außenfläche der hinteren Endplatte 338 ist ein elektrisches Heizelement 52 und eine äußere Heizelement-Trägerfläche 54 vorgesehen, wie in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben. Wenn die hintere Endplatte 338 aus einem Metall wie Aluminium besteht, kann das elektrische Heizelement 52 direkt an der hinteren Endplatte 338 angebracht werden.
Im Normalbetrieb ist das Ventil 342 geschlossen, so dass es keine direkte Strömungsverbindung zwischen den Fluidströmungskanälen 326, 328 gibt. Die Kanäle 326, 328 fungieren daher im Normalbetrieb, d.h. bei dem eine Erwärmung der Batteriezellen 312 nicht erforderlich ist, als Ein- und Auslassverteilerleitung, und das gesamte Fluid wird gezwungen, durch die inneren Fluidströmungskanäle 330 der ICE-Platten 310 zu fließen, wodurch die Batteriezellen 312 gekühlt werden.
Wenn das Ventil 342 geöffnet und das elektrische Heizelement 52 aktiviert wird, wird das Fluid erwärmt, während es zwischen den Fluidströmungskanälen 326, 328 zirkuliert. Sobald das Fluid erwärmt ist, wird das Ventil 342 geschlossen und die normale Zirkulation wird wieder aufgenommen. Somit ermöglicht diese Modifikation der hinteren Endplatte 338 die Erwärmung des durch das Batteriemodul 300 zirkulierenden Fluids. Es sei bemerkt, dass eine Mehrzahl von Batteriemodulen 300 in Reihe geschaltet werden können, wobei eines oder mehrere der Batteriemodule 300 mit elektrischen Heizelementen 52 ausgestattet sind, die das Fluid, das durch alle angeschlossenen Batteriemodule 300 zirkuliert, erwärmen.
Zusätzlich zum Versehen des Batteriemoduls 300 mit einem elektrischen Heizelement 52 wie oben beschrieben, kann das Batteriemodul auch mit einer Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und einer sekundären Umwälzpumpe 134, wie oben in Bezug auf den Wärmetauscher 130 beschrieben, versehen werden. Zum Beispiel können, wie in 25 gezeigt und wie in 24 schematisch dargestellt, die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und die sekundäre Umwälzpumpe 134 in die vordere Endplatte 332 und/oder die Armaturen 334, 336 eingebaut werden. In Zusammenarbeit mit einer Kurzschluss-Strömungssteuerung bzw. -regelung 142 wie oben beschrieben, die das Batteriemodul 300 vom Rest des Wärmemanagementsystems trennt, sorgen die Kurzschluss-Strömungsleitung 132 und die sekundäre Umwälzpumpe 134 für eine Rezirkulation des Volumens des Wärmeträgerfluids im Batteriemodul 300, wodurch eine schnelle Erwärmung des Wärmeträgerfluids mit dem elektrischen Heizelement 52 ermöglicht wird.
Statt des Vorsehens des elektrischen Heizelements 52 und der äußeren Heizelement-Trägerfläche 54 auf der hinteren Endplatte 338 kann das Batteriemodul 300 stattdessen mit einer Sattelheizvorrichtung 344 versehen werden, die an der Unterseite des Sockelteils der Trägerstruktur 314 in unmittelbarer Nähe der Fluidströmungskanäle 326, 328 vorgesehen ist.
Die Sattelheizvorrichtung umfasst eine Metallplatte 346, die aus Aluminium bestehen kann und die an den Unterseiten der Tragrahmen 316 befestigt ist. Zum Beispiel kann die obere Fläche der Platte 346 an den Unterseiten der Tragrahmen 316 befestigt werden. Die entgegengesetzte untere Fläche der Metallplatte bildet die äußere Heizelement-Trägerfläche 54, auf der ein oder mehrere elektrische Heizelemente 52 vorgesehen ist/sind. Die Metallplatte 346 und/oder das (die) elektrische(n) Heizelement(e) 52 können sich entlang eines Teils oder der gesamten Länge des Batteriemoduls 300 erstreckt.
27 zeigt einen Teil einer Sattelheizvorrichtung 344, die wärmeleitende Lamellen 348 enthält, die von der oberen Fläche der Metallplatte 346 nach oben ragen. Diese Lamellen 348 können verschiedene Formen haben, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Lamellen 348 jedoch rechteckig und enthalten Öffnungen 350, um die Fluidströmungskanäle 326, 328 nicht zu blockieren. Die Wärme leitenden Lamellen 348 sind so angepasst, dass sie sich zwischen Batteriezellen 312 und/oder ICE-Plattenwärmetauschern 310 erstrecken.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf Modifikationen an Subsystemen zur Kühlung/Heizung der Batterie, die die Aufwärmzeit und/oder den Energieverbrauch unter Kaltstartbedingungen reduzieren können und die auch die Kühlung der wiederaufladbaren Batterie gewährleisten, sobald diese ihren Betriebstemperaturbereich erreicht hat. Jedes der folgenden Ausführungsbeispiele bezieht sich auf ein Batterie-Kühl-/Heiz-Subsystem mit einer Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern, die in Parallel- und/oder Reihenanordnung fluidisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Batterie-Wärmetauscher eine fluidführende Plattenstruktur zum Kühlen einer oder mehrerer einzelner Batteriezellen und/oder eines oder mehrerer der die wiederaufladbare Batterie umfassenden Batteriemodule aufweist.
Sofern nicht anders angegeben, können die Batterie-Wärmetauscher in den folgenden Ausführungsbeispielen entweder aus „Kühlplatten“-Wärmetauschern oder „ICE“-Plattenwärmetauschern („Inter-Cell Elements“) bestehen. Ein Kühlplatten-Wärmetauscher ist ein Wärmetauscher, der eine flache obere Fläche aufweist, an der eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet sind, wobei die Anzahl von Batteriezellen, die jeder Kühlplatte zugeordnet sind, variabel ist und abhängig von dem Flächenbereich der Kühlplatte ein oder mehrere Batteriemodule umfassen kann. Typischerweise werden die Batteriezellen, die auf der Kühlplatte angeordnet sind, prismatische oder zylindrische Zellen sein, die in starren Behältern aufgenommen sind. Beispielsweise können prismatischen Zellen in kastenartigen Behältern aufgenommen sein, die in einander gegenüberstehendem Kontakt angeordnet sind.
In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen können Batteriezellen und Batteriemodule allgemein als „Batterieeinheiten“ bezeichnet werden.
Die 28 bis 30 stellen ein Subsystem 410 zur Kühlung/Heizung einer Batterie nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebsmodi dar. Das Subsystem 410 umfasst eine Mehrzahl von parallel angeordneten Batterie-Wärmetauscher 412. Insgesamt vier Batterie-Wärmetauscher 412 sind in den 28 bis 30 dargestellt und sind zum Zweck der Unterscheidung untereinander zusätzlich mit HX1 bis HX4 gekennzeichnet. Bei den Batterie-Wärmetauschern 412 kann es sich um jede der hier beschriebenen Kühlplatten oder ICE-Platten handeln, und jeder Batterie-Wärmetauscher 412 steht in Wärmekontakt mit einer oder mehreren Batteriezellen und/oder Batteriemodulen. Es sei auch verstanden, dass das Subsystem 410 weniger Batterie-Wärmetauscher 412 als abgebildet enthalten kann (z.B. zwei oder drei), oder dass das Subsystem 410 mehr als vier Batterie-Wärmetauscher 412 enthalten kann.
Das Subsystem 410 umfasst ferner eine primäre Umwälzpumpe 414 zum Pumpen eines flüssigen Wärmetragerfluids (hierin auch als „Kühlmittel“ bezeichnet) durch das Subsystem 410 und ein Primärventil 416 zum abwechselnden Zulassen und Sperren der Strömung des Wärmeträgerfluids zu und/oder von der primären Umwälzpumpe 414. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich das Primärventil 416 unmittelbar vor der primären Umwälzpumpe 414, das Primärventil 416 kann jedoch stattdessen auch hinter der Pumpe 414 angeordnet sein. Die primäre Umwälzpumpe 414 kann auch eine konventionelle Zentrifugalpumpe umfassen. Alternativ kann die primäre Umwälzpumpe 414 eine Verdrängerpumpe umfassen, die den Rückfluss des Wärmeträgerfluids verhindert, wenn sie abgeschaltet ist, wodurch die Notwendigkeit nach einem getrennten Primärventil 416 vermieden wird. Sofern in den folgenden Beschreibungen nicht anders angegeben, können alle hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, die eine Pumpe 414 und ein Ventil 416 enthalten, stattdessen mit einer Verdrängerpumpe ausgestattet werden.
Das Subsystem 410 umfasst ferner ein Paar Hauptfluidleitungen und eine Mehrzahl von Zweigleitungen, die sich zwischen den Hauptfluidleitungen und den Wärmetauschern für die parallele Zufuhr und Abfuhr des Wärmeträgerfluids zu/von jedem der Batterie-Wärmetauscher 412 erstrecken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Hauptfluidleitungen eine erste Hauptleitung 418 und eine zweite Hauptleitung 420, die jeweils als Zu- und Ablaufkopfteil oder -verteilerleitung für die Mehrzahl der parallel angeordneten Batterie-Wärmetauscher 412 wirken. Die Zweigleitungen umfassen eine Mehrzahl von ersten Zweigleitungen 422, die sich zwischen der ersten Hauptleitung 418 und jedem der Batterie-Wärmetauscher 412 erstrecken, von denen jede als Zufuhrleitung dient, um das Wärmeträgerfluid einem Einlass eines der Batterie-Wärmetauschers 412 in 28 zuzuführen; und eine Mehrzahl von zweiten Zweigleitungen 424, von denen jede als Abfuhrleitung zum Abführen des Wärmeträgerfluids vom Auslass eines der Batterie-Wärmetauscher 412 in 28 dient. Die erste Hauptleitung 418 ist eine Versorgungsleitung, die sich vom Auslass der primären Umwälzpumpe 414 bis zu den ersten Zweigleitungen 422 erstreckt, während die zweite Hauptleitung 420 eine Rücklaufleitung ist, die sich von den zweiten Zweigleitungen 424 bis zum Einlass der primären Umwälzpumpe 414 erstreckt. Es sei verstanden, dass die Unterscheidung zwischen der ersten und zweiten Hauptleitung 418, 420 etwas willkürlich ist und der vorliegenden Beschreibung Klarheit verleihen soll.
Die Hauptleitungen 418, 420 und/oder die Zweigleitungen 422, 424 können mit Mitteln zum Ausgleich der Fluidströmung zu den mehreren Batterie-Wärmetauschern 412 versehen sein. Beispielsweise können die Querschnittsflächen der Zweigleitungen 422, 424 so abgestuft sein, dass in einer oder beiden Zweigleitungen 422, 424, die an HX1 angeschlossen sind, die der Pumpe 414 am nächsten liegt, eine größere Durchflussbegrenzung vorliegt und in einer oder beiden Zweigleitungen 422, 424, die an HX4 angeschlossen sind, die am weitesten von der Pumpe 414 entfernt ist, eine geringere Durchflussbegrenzung vorliegt, so dass die Strömung zu den Batterie-Wärmetauschern 412 ausgeglichen wird. Die Abstufung in den Flächen der Leitungen 422 und/oder 424 kann auf verschiedene Weise erreicht werden, einschließlich der Verwendung von abgestuften Öffnungen, abgestuften Leitungsdurchmessern und/oder unterschiedlichen Graden der lokalen Einschnürung oder Verformung der Leitungen 422 und/oder 424.
Jeder der Batterie-Wärmetauscher 412 ist so dargestellt, dass er erste und zweite Fluidöffnungen 426, 428 aufweist, die entlang oder benachbart zu einem der Ränder des Batterie-Wärmetauschers 412 angeordnet sind, wobei jede erste Fluidöffnung 426 in Fluidverbindung mit einer der ersten Zweigleitungen 422 steht und jede zweite Fluidöffnung 428 in Fluidverbindung mit einer der zweiten Zweigleitungen 424 steht. Jede der Fluidöffnungen 426, 428 kann als Einlass oder Auslass für den inneren Fluidströmungskanal 442 jedes Batterie-Wärmetauschers 412 fungieren, abhängig von der Richtung des Fluidstroms durch den Batterie-Wärmetauscher 412. Zum Beispiel ist in der in 28 dargestellten Betriebsart jede erste Fluidöffnung 426 ein Einlass und jede zweite Fluidöffnung 428 ein Auslass. Es sei jedoch verstanden, dass sich die Richtung der Fluidströmung durch die Wärmetauscher 412 in verschiedenen Betriebsmodi des Subsystems 410 ändern kann, und daher werden die Öffnungen hier im Allgemeinen als Fluidöffnungen und nicht als Einlass- oder Auslassöffnungen bezeichnet. Außerdem sind die Fluidströmungskanäle 442 in 28 in gestrichelten Linien dargestellt, um im Allgemeinen den U-förmigen, Gegenstrom- oder „Zwei-Zug“-Strömungsweg anzuzeigen, dem das darin befindliche Wärmeträgerfluid folgt. Es sei bemerkt, dass der Fluidströmungskanal 442 im Wesentlichen den gesamten Flächenbereich jedes Wärmetauschers 412 einnehmen kann.
Einer der Batterie-Wärmetauscher 412 enthält ein integriertes elektrisches Heizelement 430, das an einer Außenfläche des Batterie-Wärmetauschers 412 angeordnet ist, um das Wärmeträgerfluid zu erwärmen, das durch den inneren Fluidströmungskanal 442 des Batterie-Wärmetauschers 412 fließt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das elektrische Heizelement 430 in den ersten Batterie-Wärmetauscher 412 (auch als HX1 bezeichnet) integriert, der der primären Pumpe 414 am nächsten (d.h. „proximal“) liegt, obwohl es stattdessen in jeden der anderen Batterie-Wärmetauscher HX2 bis HX4 integriert werden kann.
Das Subsystemen zur Kühlung/Heizung der Batterie 410 umfasst ferner eine sekundäre Umwälzpumpe 432, die in einer Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 vorgesehen ist, welche die erste und zweite Fluidöffnung 426, 428 (d.h. den Einlass und Auslass) des Batterie-Wärmetauschers 412 mit dem elektrischen Heizelement 430, d.h. dem ersten Wärmetauscher HX1 in den 28 bis 30, verbindet. Die sekundäre Umwälzpumpe 432 und die Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 sind in den 28 bis 30 als strömungstechnisch zwischen der ersten und zweiten Zweigleitung 422, 424 verbunden mit dem ersten Wärmetauscher HX1 dargestellt, jedoch können die sekundäre Umwälzpumpe 432 und die Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434, wie weiter unten näher erläutert, entweder vom ersten Batterie-Wärmetauscher HX1 getrennt oder mit diesem integriert sein.
Die sekundäre Umwälzpumpe 432 kann eine Verdrängerpumpe sein, die bei aktivierter Pumpe 432 eine Fluidströmungsverbindung zwischen der ersten und der zweiten Zweigleitung 422, 424 herstellt, aber bei deaktivierter Pumpe 432 eine Rückströmung zwischen den Leitungen 422, 424 verhindert. Obwohl eine Verdrängerpumpe vorteilhaft sein kann, wenn eine kompakte Bauweise gewünscht wird, sei verstanden, dass die sekundäre Umwälzpumpe 432 nicht notwendigerweise eine Verdrängerpumpe ist, sondern durch eine Kombination aus einer Kreiselpumpe mit einem Rückflussverhinderungsventil ersetzt werden kann, ähnlich wie die oben beschriebene Kombination aus primärer Umwälzpumpe 414 und Primärventil 416. Sofern in der folgenden Beschreibung nicht anders angegeben, können alle hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, die eine Verdrängerpumpe 432 enthalten, stattdessen mit einer Kreiselpumpe und einem Rückflussverhinderungsventil ausgestattet werden.
In den 28 bis 30 ist auch ein optionales Sekundärventil 436 dargestellt, das in einer der Hauptleitungen 418, 420 zwischen dem ersten Batterie-Wärmetauscher HX1 und den anderen Batterie-Wärmetauschern HX2 bis HX4 vorgesehen ist, und zwar aus Gründen, auf die weiter unten ausführlich eingegangen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Sekundärventil 436 in der zweiten Hauptleitung 420 zwischen den zweiten Zweigleitungen 424 vorgesehen, die mit dem jeweiligen ersten und zweiten Batterie-Wärmetauscher HX1 und HX2 verbunden sind. Es sei jedoch verstanden, dass das optionale Sekundärventil 436 stattdessen in der ersten Hauptleitung 418 zwischen den ersten Zweigleitungen 422 vorgesehen werden kann, die mit den jeweiligen ersten und zweiten Batterie-Wärmetauscher HX1 und HX2 verbunden sind.
Das Subsystem 410 kann einen Behälter oder eine „Flasche“ 438 für das Wärmeträgerfluid enthalten, der/die sich zwischen der primären Pumpe 414 und dem Primärventil 416 befinden kann. Das Subsystem 410 umfasst auch mindestens einen Wärmetauscher zur Abfuhr überschüssiger Wärme aus dem Subsystem 410. Beispielsweise wird das Subsystem 410 als einen sekundären Strahler 439 zur Ableitung überschüssiger Wärme an die Umgebung und einen Kühler 440 unmittelbar hinter dem sekundären Strahler 439 zur weiteren Kühlung des Wärmefluids enthaltend gezeigt. Die beiden Wärmetauscher 439, 440 befinden sich stromabwärts der primären Pumpe 414 und stromaufwärts der Zweigleitungen 422 und/oder 424. Wie in den 28 bis 30 dargestellt, können die Wärmetauscher 439, 440 in einer Zweigleitung 441 vorgesehen werden, die von der Hauptleitung 418 stromabwärts der primären Pumpe 414 abzweigt und die wieder in die Hauptleitung 418 stromaufwärts der Zweigleitungen 422 mündet. Ein Dreiwegeventil (nicht abgebildet) kann beispielsweise an einer der Verbindungsstellen zwischen den Leitungen 418 und 441 vorgesehen sein, um zu steuern, ob das Wärmeträgerfluid durch die Zweigleitung 441 fließt oder ob sie durch die Hauptleitung 418 fließt und die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440 umgeht. Es sei verstanden, dass das Subsystem 410 optional nur einen Wärmetauscher 439 oder 440 enthalten kann.
Wenn die Pumpen 414, 432 und die Ventile 416, 436 wie in 28 ausgebildet sind und das elektrische Heizelement 430 deaktiviert (d.h. ausgeschaltet) ist, befindet sich das Subsystem 410 im „Kühlmodus“, wobei sich die gesamte Batterie idealerweise innerhalb ihres optimalen Temperaturbereichs zum Laden und/oder Entladen befindet. Im Kühlmodus arbeiten die Batteriezellen exotherm und erzeugen Wärme, und die Batterie-Wärmetauscher 412 nehmen Wärme von den Batteriezellen und/oder Batteriemodulen ab und übertragen sie auf das zirkulierende Wärmeträgerfluid zur eventuellen Abfuhr durch die Wärmetauscher 439 und/oder 440. Daher kann, wie in 28 dargestellt, zumindest ein Teil des Wärmeträgerfluids des Subsystems 410 durch die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440 geführt werden, wobei sich das Subsystem 410 im Kühlmodus befindet.
Im Kühlmodus von 28 ist die primäre Umwälzpumpe 414 aktiviert (d.h. eingeschaltet), das Primärventil 416 ist offen und das Sekundärventil 436 (sofern vorhanden) ist offen. Außerdem ist die sekundäre Umwälzpumpe 432 ausgeschaltet, was bedeutet, dass es keinen Kurzschlussstrom des Wärmeträgerfluids durch die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 gibt.
Die Richtung des Fluidstroms im Subsystem 410 im Kühlmodus ist in 28 durch Pfeile dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die erste Hauptleitung 418 als Einlasskopfteil oder -verteilerleitung dient; die zweite Hauptleitung 420 dient als Auslasskopfteil oder -verteilerleitung; die ersten Zweigleitungen 422 dienen als Einlassleitungen für die Batterie-Wärmetauscher 412; die zweiten Zweigleitungen 424 dienen als Auslassleitungen für die Batterie-Wärmetauscher 412; und die ersten und zweiten Fluidöffnungen 426, 428 jedes Batterie-Wärmetauschers 412 dienen jeweils als Einlass und Auslass.
Während die Konfiguration des Subsystems 410 in 28 typischerweise im Kühlmodus verwendet wird, ist es möglich, die Konfiguration aus 28 im „Heizmodus“ zu verwenden, der genau dem oben beschriebenen Kühlmodus aus 28 entspricht, außer dass das elektrische Heizelement 430 aktiviert wird, um das durch das Subsystem 410 zirkulierende Wärmeträgerfluid zu erwärmen, und dass das Wärmeträgerfluid die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440 teilweise oder vollständig umgehen kann. Der in 28 dargestellte Heizmodus kann zum Beispiel unter mäßig kalten Bedingungen verwendet werden, wenn eine relativ geringe Wärmemenge erforderlich ist, um die gesamte Batterie auf ihre optimale Temperatur zum Laden und/oder Entladen zu bringen.
Der Heizmodus nach 28 kann zwar zum Starten des HEV/BEV unter kalten Bedingungen verwendet werden, dies ist jedoch nicht optimal, da das gesamte Volumen des durch das Subsystem 410 strömende Wärmeträgerfluids (hier auch als „erstes Volumen“ bezeichnet) erwärmt werden muss, um die gesamte Batterie auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Daher kann ein Kaltstart des HEV/BEV im Heizbetrieb nach 28 zu viel Zeit und/oder Energie erfordern.
29 veranschaulicht, wie das Subsystem 410 für eine schnellere Erwärmung und/oder einen geringeren Energieverbrauch unter Kaltstartbedingungen ausgebildet werden kann. In der Konfiguration des Heizmodus der 29 ist das elektrische Heizelement 430 aktiviert, die primäre Umwälzpumpe 414 ist ausgeschaltet, das Primärventil 416 ist geschlossen, das Sekundärventil 436 ist geschlossen und die sekundäre Umwälzpumpe 432 ist eingeschaltet, was bedeutet, dass nur ein Kurzschlussstrom des Wärmeträgerfluids durch die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 und den ersten Wärmetauscher HX1 zulässig ist und keine Strömung des Wärmeträgerfluids durch HX2 bis HX4 oder die Zweigleitungen 422, 424, an die sie angeschlossen sind, und kein Strömung des Wärmeträgerfluids durch die Hauptleitungen 418, 420 oder die Zweigleitung 441 vorhanden ist.
Wie durch Pfeile in 29 angedeutet, wird im Wesentlichen nur das Volumen des Wärmeträgerfluids im ersten Wärmetauscher HX1 durch das elektrische Heizelement 430 erwärmt, was bedeutet, dass die Batteriezelle(n) und/oder das/die Batteriemodul(e), die in Wärmekontakt mit HX1 stehen, innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne und mit relativ geringem anfänglichen Energieverbrauch auf den gewünschten Temperaturbereich gebracht werden können. Während dieser Zeit, in der nur HX1 und die zugehörige(n) Batteriezelle(n) und/oder Batteriemodul(e) aufgeheizt werden, kann das HEV/BEV unter kalten Bedingungen gestartet werden. Um jedoch eine Beschädigung der mit HX2 bis HX4 verbundenen Batteriemodule zu vermeiden, kann das Steuersystem des HEV/BEV die Entladung der mit HX2 bis HX4 verbundenen Batteriezellen, die kalt bleiben, vermeiden und sich stattdessen hauptsächlich oder ausschließlich auf die mit HX1 verbundene(n) Batteriezelle(n) und/oder das/die mit HX1 verbundene(n) Modul(e) verlassen, die zum Laden und/oder Entladen auf ihren gewünschten Temperaturbereich erwärmt wurden. Beispielsweise können in einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung die mit HX1 verbundene(n) Batteriezelle(n) und/oder Modul(e) so konfiguriert sein, dass sie die gleiche Spannung wie die Systemspannung des Fahrzeugs haben, so dass das Fahrzeug während und nach der Erstinbetriebnahme nur mit der/den mit HX1 verbundenen Batteriezelle(n) und/oder Modul(en) betrieben werden kann.
Sobald das in der Teilschleife der 29 zirkulierende Wärmeträgerfluid eine ausreichend hohe Schwellentemperatur erreicht und/oder die Batteriezelle(n) und/oder Batteriemodule in Wärmekontakt mit HX1 eine ausreichend hohe Schwellentemperatur (z. B. etwa 5°C) erreichen, kann die Konfiguration des Subsystems 410 so geändert werden, dass das durch das elektrische Heizelement 30 erwärmte Wärmeträgerfluid zu den anderen Wärmetauschern HX2 bis HX4 strömt. Dies kann durch Übernahme des Heizmodus aus 28 erfolgen, d.h. durch Schließen der sekundären Umwälzpumpe 432, Aktivieren der primären Umwälzpumpe 414, Öffnen der Primär- und Sekundärventile 416, 436 und Einschalten des elektrischen Heizelements 430. Dies ermöglicht die Zirkulation des bereits erwärmten Fluids von HX1 durch das Subsystem 410, während das elektrische Heizelement 430 weiterhin das gesamte Volumen des Wärmeträgerfluids im Subsystem 410 erwärmt. Dieses Aufheizen des gesamten Fluidvolumens durch das elektrische Heizelement 430 kann nach dem Anlassen des Fahrzeugs und während seines Betriebs fortgesetzt werden, so dass das elektrische Heizelement 430 des Wärmetauschers HX1 auch zum Aufheizen des Wärmeträgerfluids verwendet wird, das durch die anderen Wärmetauscher HX2 bis HX4 zirkuliert, wodurch die Batteriezelle(n) und/oder das/die Modul(e), die in Wärmekontakt mit HX1 stehen, erwärmt werden.
30 stellt eine andere Funktionsweise, wie das Subsystem 410 im Heizmodus für eine schnellere Erwärmung und/oder einen geringeren Energieverbrauch unter Kaltstartbedingungen betrieben werden kann. In der Konfiguration des Heizmodus der 30 ist das elektrische Heizelement 430 aktiviert, die primäre Umwälzpumpe 414 ist ausgeschaltet, das Primärventil 416 ist geschlossen, das Sekundärventil 436 ist offen und die sekundäre Umwälzpumpe 432 ist eingeschaltet, was bedeutet, dass die Strömung des Wärmeträgerfluids zu den vier Wärmetauschern 412, den Zweigleitungen 422, 424, an die sie angeschlossen sind, und den Teilen der Hauptleitungen 418, 420, die als Kopfteile oder Verteilerleitungen für die Wärmetauscher 412 wirken, beschränkt ist.
Die Richtung des Fluidstroms im Subsystem 410 im Heizmodus der 30 ist in 30 durch Pfeile dargestellt. Aus 30 ist ersichtlich, dass das Wärmeträgerfluid durch das elektrische Heizelement 430 erwärmt wird, während es durch den ersten Wärmetauscher HX1 zirkuliert, und das erwärmte Fluid dann durch die anderen Wärmetauscher HX2 bis HX4 strömt, um gleichzeitig alle Batteriezellen und/oder Batteriemodule zu erwärmen, die im Wärmekontakt mit den Wärmetauschern 412 sind, wenn auch nicht unbedingt mit der gleichen Rate, d.h. da HX1 das Heizelement 430 aufweist, wird es eine größere Heizrate als HX2 bis HX4 haben. Da der Heizmodus der 30 nicht das gesamte Wärmeträgerfluid im Subsystem 410 erwärmt, kann er außerdem eine schnellere Erwärmung des Fluids mit weniger Energieaufwand als der Heizmodus der 28 ermöglichen.
Sobald das in der Teilschleife der 30 zirkulierende Wärmeträgerfluid eine ausreichend hohe Temperatur erreicht und/oder die Batteriezellen und/oder Batteriemodule im Wärmekontakt mit HX1 bis HX4 eine ausreichend hohe Temperatur erreichen, wird die Konfiguration des Subsystems 410 geändert, indem die primäre Umwälzpumpe 414 aktiviert und das Primärventil 416 geöffnet wird, während das elektrische Heizelement 430 eingeschaltet bleibt, um den Heizmodus der 28 anzunehmen. Dies ermöglicht die Zirkulation des erwärmten Fluids durch das Subsystem 410, während das elektrische Heizelement 430 weiterhin das gesamte Volumen des Wärmeträgerfluids im Subsystem 410 erwärmt, bis das System und die Batterie ihre gewünschte Temperatur erreichen, woraufhin das elektrische Heizelement 430 abgeschaltet wird und das Subsystem den Kühlmodus der 28 annehmen wird.
Es sei verstanden, dass das Ausführungsbeispiel der 28 bis 30 auf verschiedene Weise modifiziert werden kann. Zum Beispiel ist, wie oben beschrieben, das Sekundärventil 436 optional und kann eliminiert werden. In diesem Fall kann das Subsystem 410 den Heizmodus der 30, den Heizmodus der 28 und den Kühlmodus der 28 annehmen.
Darüber hinaus ist es möglich, elektrische Heizelemente 430 an zwei oder mehr der Wärmetauscher 412 für eine schnellere Erwärmung des Wärmeträgerfluids in einem oder mehreren der oben beschriebenen Heizmodi vorzusehen. Wenn beispielsweise sowohl HX1 als auch HX2 mit elektrischen Heizelementen 430 ausgestattet sind, kann das Sekundärventil 436 (sofern eines vorhanden ist) an einen Punkt entweder auf der ersten Hauptleitung 418 oder der zweiten Hauptleitung 420 zwischen HX2 und HX3 verlegt werden. In ähnlicher Weise kann, wenn HX1, HX2 und HX3 alle mit elektrischen Heizelementen 30 ausgestattet sind, das Sekundärventil 436 zwischen HX3 und HX4 verlegt werden. Tatsächlich würde ein solches Ausführungsbeispiel ursprünglich einen größeren Teil der Batteriezellen und/oder -module, aus denen die Batterie besteht, bei der ersten Inbetriebnahme aufheizen. Die Entscheidung, wie viele Wärmetauscher 412 mit elektrischen Heizelementen 430 zu versehen sind, hängt von mehreren Faktoren ab, wie von der Leistungsdichte und den Kosten der elektrischen Heizelemente 430 sowie von der gewünschten Heizzeit und der Zieltemperatur.
Alternativ ist es auch möglich, eines oder mehrere der HX2, HX3 und HX4 mit elektrischen Heizelementen 430 zu versehen, wobei die Position des Sekundärventils 436, wie in den 28 bis 30 dargestellt (d.h. zwischen HX1 und HX2), beibehalten wird. Bei einer solchen Anordnung würde(n) das (die) elektrische(n) Heizelement(e) 430 der HX2, HX3 und/oder HX4 erst nach dem anfänglichen Aufwärmen des HX1 aktiviert, d.h. bei dem Subsystem 410 im Heizmodus der 30, bei dem das Fluid durch alle vier Wärmetauscher 412 zirkuliert. Ein solches System würde eine schnellere Erwärmung der mit HX2 bis HX4 verbundenen Batteriezellen und/oder -module ermöglichen, nachdem das Fahrzeug zunächst mit der/den mit HX1 verbundenen Batteriezelle(n) und/oder -modulen gestartet wurde. Es sei bemerkt, dass die elektrischen Heizelemente 430 durch das Steuersystem des Fahrzeugs unabhängig voneinander betrieben werden können, und dass das Steuersystem zwischen verschiedenen Betriebsmodi wählen kann, um die Effizienz unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu maximieren.
Es sei auch verstanden, dass der Heizmodus der 30, der gleichzeitig das durch alle Wärmetauscher 412 strömende Fluid erwärmt, als Zwischenheizmodus dienen kann, d.h. zwischen dem Heizmodus der 29 und dem Heizmodus der 28. Das Umschalten vom Heizmodus der 29 in den Heizmodus der 30 beinhaltet lediglich das Öffnen des Sekundärventils 436; und das Umschalten vom Heizmodus der 30 in den Heizmodus der 28 beinhaltet das Öffnen des Primärventils 416, die Aktivierung der primären Pumpe 414 und die Deaktivierung der sekundären Pumpe 432. Daher sieht das Subsystem der 28 bis 30 eine allmähliche oder fortschreitende Erwärmung der Batteriezelle(n) und/oder des/der Module(s), die im Wärmekontakt mit den Wärmetauschern 412 sind, vor, indem es ein oder zwei verschiedene Heizmodi liefert, bei denen das Volumen der durch das elektrische Heizelement 430 erwärmten Wärmetragerfluids geringer ist als das Gesamtvolumen (d.h. das „erste Volumen“) des Subsystems 410. Das Volumen des in den Heizmodi der 29 und 30 erwärmten Wärmeträgerfluids wird hier manchmal als „zweites Volumen“ bezeichnet und ist kleiner als das „erste Volumen“.
Die 31 bis 33 stellen ein Subsystemen 450 zur Kühlung/Heizung einer Batterienach einem dritten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebsmodi dar. Das Subsystem 450 umfasst eine Mehrzahl von parallel angeordneten Paaren von Batterie-Wärmetauschern 412. Das Subsystem 450 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hat mit dem Subsystem 410 der 28 bis 30 eine Reihe von gemeinsamen Elementen, und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die obigen Beschreibungen der Elemente des Subsystems 410 gelten gleichermaßen für gleichartige Elemente des Subsystems 450, sofern nicht anders angegeben.
Das Subsystem 450 umfasst vier Paare von Batterie-Wärmetauschern 412, die zur Unterscheidung untereinander zusätzlich mit HX1A, HX1B, HX2A, HX2B, HX3A, HX3B, HX4A und HX4B gekennzeichnet sind. Bei den Batterie-Wärmetauschern 412 kann es sich um Kühlplatten oder ICE-Platten handeln, und jeder Batterie-Wärmetauscher 412 ist in Wärmekontakt mit einer oder mehreren Batteriezellen und/oder Batteriemodulen. Außerdem kann das Subsystem 450 mehr oder weniger Paare von Batterie-Wärmetauschern 412 als abgebildet enthalten.
Das Subsystem 450 umfasst ferner eine primäre Umwälzpumpe 414, ein Primärventil 416, das stromaufwärts oder stromabwärts der Pumpe 414 angeordnet ist, eine erste Hauptleitung 418, eine zweite Hauptleitung 420, eine Mehrzahl von ersten Zweigleitungen 422, die sich zwischen der ersten Hauptleitung 418 und jedem der Batterie-Wärmetauscher 412 erstrecken, und eine Mehrzahl von zweiten Zweigleitungen 424, die sich zwischen der zweiten Hauptleitung 420 und jedem der Batterie-Wärmetauscher 412 erstrecken. Die Hauptleitungen 418, 420 und/oder die Zweigleitungen 422, 424 können mit Mitteln zum Ausgleich der Fluidströmung zu den mehreren Batterie-Wärmetauschern 412 versehen sein, wie detailliert oben beschrieben ist.
Jeder der Batterie-Wärmetauscher 412 hat eine erste und eine zweite Fluidöffnung 426, 428 in Fluidverbindung mit der jeweiligen ersten und zweiten Zweigleitung 422, 424. Einer oder mehrere der Batterie-Wärmetauscher 412 enthalten ein integriertes elektrisches Heizelement 430. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wärmetauscher 412, die das von der primären Umwälzpumpe 414 am weitesten entfernte Wärmetauscherpaar bilden (d.h. das distale Paar HX1A und HX1B), jeweils mit integrierten elektrischen Heizelementen 430 versehen und werden hier manchmal als „erste Wärmetauscher“ oder „erstes Paar“ von Wärmetauschern bezeichnet. Wie weiter unten näher erläutert wird, weist das distale Paar HX1A und HX1B im Vergleich zu den anderen Wärmetauscherpaaren den geringsten Druckabfall auf, wenn es mit der sekundären Umwälzpumpe 432 betrieben wird.
Die sekundäre Umwälzpumpe 432 ist in einer Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 vorgesehen, welche die erste und zweite Fluidöffnung 426, 428 des Batterie-Wärmetauschers HX1A verbindet, ist mit einem Ende der ersten Hauptleitung 418 verbunden und umfasst eine Verdrängerpumpe. Das Subsystem 450 umfasst auch ein optionales Sekundärventil 436, das in einer der Hauptleitungen 418, 420 zwischen dem ersten Paar von Batterie-Wärmetauschern (HX1A und HX1B) und den anderen Batterie-Wärmetauschern 412 vorgesehen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Sekundärventil 436 in der zweiten Hauptleitung 420 zwischen den zweiten Zweigleitungen 424 vorgesehen, die mit dem jeweiligen ersten Paar (HX1A, HX1B) und zweiten Paar (HX2A, HX2B) von Batterie-Wärmetauschern 412 verbunden sind.
Wenn die Pumpen 414, 432 und die Ventile 416, 436 wie in 31 ausgebildet sind und die elektrischen Heizelemente 430 deaktiviert (d.h. ausgeschaltet) sind, wird sich das Subsystem 450 im „Kühlmodus“ befinden, wobei sich die Batterien idealerweise innerhalb ihres optimalen Temperaturbereichs zum Laden und/oder Entladen befinden. Im Kühlmodus der 31 entziehen die Batterie-Wärmetauscher 412 den Batteriezellen und/oder Modulen, die mit jedem der Wärmetauscher 412 verbunden sind, Wärme und übertragen sie auf das zirkulierende Wärmeträgerfluid. Im Kühlmodus ist die primäre Umwälzpumpe 414 eingeschaltet, das Primärventil 416 ist offen, das Sekundärventil 436 ist offen (oder nicht vorhanden) und die sekundäre Umwälzpumpe 432 ist ausgeschaltet. Außerdem kann zumindest ein Teil des Wärmeträgerfluids durch die die Wärmetauscher 439, 440 enthaltenden Zweigleitung 441 strömen.
Wie durch die Pfeile in 31 gezeigt, dient die erste Hauptleitung 418 als Einlasskopfteil oder -verteilerleitung; die zweite Hauptleitung 420 dient als Auslasskopfteil oder -verteilerleitung; die ersten Zweigleitungen 422 dienen als Einlassleitungen für die Batterie-Wärmetauscher 412; die zweiten Zweigleitungen 424 dienen als Auslassleitungen für die Batterie-Wärmetauscher 412; und die ersten und zweiten Fluidöffnungen 426, 428 jedes Batterie-Wärmetauschers 412 dienen jeweils als Einlass und Auslass.
Die Systemkonfiguration aus 31 kann auch im „Heizmodus“ verwendet werden, der genau dem oben beschriebenen Kühlmodus aus 31 entspricht, außer dass eines oder beide der elektrischen Heizelemente 430 aktiviert werden, um das gesamte Volumen („erstes Volumen“) des durch das Teilsystem 450 zirkulierenden Wärmeträgerfluids zu erwärmen. Der in 31 dargestellte Heizmodus kann zum Beispiel unter mäßig kalten Bedingungen verwendet werden, wenn eine relativ geringe Wärmemenge erforderlich ist, um die Batterie auf ihre optimale Temperatur zum Laden und/oder Entladen zu bringen. Wie oben erläutert, benötigt der Heizbetrieb nach 31 jedoch zu viel Zeit und/oder kann beim Kaltstart übermäßige Energiemengen verbrauchen, da er die Erwärmung des gesamten Volumens des Wärmeträgerfluid im Subsystem 450 erfordert.
Die 32 und 33 veranschaulichen optimalere Heizmodi des Subsystems 450, bei denen ein kleineres Volumen („zweites Volumen“) des Wärmeträgerfluids erwärmt wird. In dieser Hinsicht zeigt 32 eine Konfiguration des Heizmodus, die analog zu der in 29 ist. In der Konfiguration des Heizmodus der 32 sind ein oder beide elektrische Heizelemente 430 aktiviert, die primäre Umwälzpumpe 414 ist ausgeschaltet, das Primärventil 416 ist geschlossen, das Sekundärventil 436 ist geschlossen und die sekundäre Umwälzpumpe 432 ist eingeschaltet, was bedeutet, dass ein Kurzschlussstrom des Wärmeträgerfluids durch die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 ermöglicht wird. In dieser Konfiguration ist der Strom des Wärmeträgerfluids auf das erste Paar Batterie-Wärmetauscher HX1A, HX1B, die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 und die Zweigleitungen 422, 424, an die sie angeschlossen sind, beschränkt. In diesem Fall ist die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 über die Zu- und Ableitungsseite der beiden ersten Wärmetauscher HX1A, HX1B angeschlossen. 32 zeigt auch, dass keine Strömung des Wärmeträgerfluids durch HX2A, HX2B, HX3A, HX3B, HX4A und HX4B, kein Strömung durch die Zweigleitungen 422, 424, an die sie angeschlossen sind, und kein Strömung durch die Hauptleitungen 418, 420 vorhanden ist. Daher wird im Heizmodus der 32 im Wesentlichen nur das Volumen des Wärmeträgerfluids in den ersten Wärmetauschern HX1A, HX1B durch das eine oder beide elektrischen Heizelemente 430 erwärmt, was bedeutet, dass die Batteriezelle(n) und/oder das/die Modul(e), die in Wärmekontakt mit HX1A und HX1B stehen, innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne und mit relativ geringem Energieverbrauch auf den gewünschten Temperaturbereich gebracht werden können. Während dieser Zeit, in der nur HX1A und HX1B und ihre zugehörige(n) Batteriezelle(n) und/oder Modul(e) beheizt werden, kann das HEV/BEV unter kalten Bedingungen gestartet werden, beispielsweise wenn die Batteriezelle(n) und/oder Modul(e), die zu HX1A und HX1B gehören, so konfiguriert sind, dass sie dieselbe Spannung wie die Systemspannung des Fahrzeugs haben, die beispielsweise 300V betragen kann. Das Steuersystem des HEV/BEV kann die Entladung der Batteriezellen und/oder Module, die den anderen Batterie-Wärmetauschern 412 zugeordnet sind, während dieser Zeit vermeiden, um sie nicht zu beschädigen.
Sobald das in der Teilschleife der 32 zirkulierende Wärmeträgerfluid eine ausreichend hohe Schwellentemperatur erreicht und/oder die Batteriezelle(n) und/oder Module in Wärmekontakt mit HX1A und HX1B eine ausreichend hohe Schwellentemperatur (z. B. etwa 5°C) erreichen, wird die Konfiguration des Subsystems 450 so geändert werden, dass das durch das eine oder beide elektrischen Heizelemente 430 erwärmte Wärmeträgerfluid zu den anderen Batterie-Wärmetauschern 412 strömt. Dies kann durch Übernahme des Heizmodus aus 31 erfolgen, d.h. durch Schließen der sekundären Umwälzpumpe 432, Aktivieren der primären Umwälzpumpe 414, Öffnen der Primär- und Sekundärventile 416, 436 und Einschalten des einen oder beider elektrischen Heizelemente 430. Dies ermöglicht die Zirkulation des bereits erwärmten Fluids von HX1A und HX1B durch das Subsystem 450, während das eine oder beide elektrischen Heizelemente 430 weiterhin das gesamte Volumen („erste Volumen“) des Wärmeträgerfluids im Subsystem 450 erwärmt.
33 stellt einen anderen Heizmodus dar, der analog zu dem in 30 gezeigten ist. Im Heizmodus der 33 sind das eine oder beide elektrischen Heizelemente 430 aktiviert, die primäre Umwälzpumpe 414 ist ausgeschaltet, das Primärventil 416 ist geschlossen, das Sekundärventil 436 ist offen und die sekundäre Umwälzpumpe 432 ist eingeschaltet, was bedeutet, dass die Strömung des Wärmeträgerfluids zu den vier Paaren von Wärmetauschern 412, den Zweigleitungen 422, 424, an die sie angeschlossen sind, und den Teilen der Hauptleitungen 418, 420, die als Kopfteile oder Verteilerleitungen für die Wärmetauscher 412 wirken, beschränkt ist. Im Heizmodus der 33 strömt erwärmtes Fluid durch alle Batterie-Wärmetauscher 412, um alle Batteriezellen und/oder Batteriemodule, die im Wärmekontakt mit den Wärmetauschern 412 sind, gleichzeitig zu erwärmen. Da außerdem nur ein Teil des Wärmeträgerfluids erwärmt wird, kann der Heizmodus der 33 eine schnellere Erwärmung des Fluids mit weniger Energieaufwand als der Heizmodus der 31 ermöglichen.
Sobald das in der Teilschleife der 33 zirkulierende Wärmeträgerfluid eine ausreichend hohe Temperatur erreicht und/oder die Batteriezellen oder Batteriemodule im Wärmekontakt mit den Wärmetauschern 412 eine ausreichend hohe Temperatur erreichen, wird die Konfiguration des Subsystems 450 geändert, indem die primäre Umwälzpumpe 414 aktiviert und das Primärventil 416 geöffnet wird, während das eine oder beide elektrischen Heizelemente 430 eingeschaltet bleiben, um den Heizmodus der 31 anzunehmen. Es sei auch verstanden, dass mit dem Teilsystem 450 eine progressive Erwärmung der Fahrzeugbatterie möglich ist, wobei der Heizmodus der 33 eine Zwischenheizstufe zwischen dem Heizmodus der 32 und dem Heizmodus der 31 darstellt. Wie oben beschrieben, erfordert der Wechsel vom Heizmodus der 32 zum Heizmodus der 33 das Öffnen des Sekundärventils 436. Es sei bemerkt, dass das Sekundärventil 436 allmählich und/oder teilweise geöffnet werden kann, um eine progressive Erwärmung und eine optimale Fluidverteilung zu gewährleisten und/oder einen Rückfluss der Wärmeträgerfluid zwischen HX1A und HX1B und den anderen Batterie-Wärmetauschern 412 des Subsystems 450 zu verhindern. Darüber hinaus können die beiden Heizelemente 430 im Subsystem 450 einzeln oder zusammen eingeschaltet werden, was zusätzliche Möglichkeiten für ein progressives Aufwärmen in jedem der Heizmodi der 31-33 bietet.
Es sei bemerkt, dass das Subsystem 450 auf verschiedene Weise modifiziert werden kann, beispielsweise kann das optionale Sekundärventil 436 eliminiert werden, so dass das Subsystem 50 in der Lage ist, den Heizmodus der 33 und die Heiz- und Kühlmodi der 31 zu übernehmen. Auch ohne Sekundärventil 436 sei verstanden, dass während der Aufwärmphase eine gewisse bevorzugte Zirkulation des Wärmeträgerfluids in HX1A und HX1B stattfindet, d.h. weil die Wärmetauscher 412, die am weitesten von der primären Umwälzpumpe 414 entfernt sind, die Drosselöffnungen mit dem geringsten Druckabfall aufweisen und weil das durch die elektrischen Heizelemente von HX1A und/oder HX1B erwärmte Fluid eine niedrigere Viskosität als die Fluid an anderer Stelle im Subsystem 450 hat. Es ist auch möglich, elektrische Heizelemente 430 an einen oder mehr zusätzliche Wärmetauscher 412 des Subsystems 450 für eine schnellere Erwärmung des Wärmeträgerfluids in einem oder mehreren der Heizmodi vorzusehen, wobei solche zusätzlichen elektrischen Heizelemente 430 gegebenenfalls für ein optimiertes progressives Aufwärmen gesteuert werden können.
Die 34 bis 35 stellen ein Subsystemen 460 zur Kühlung/Heizung einer Batterienach einem vierten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebsmodi dar. Das Subsystem 460 ist eine Variante des Subsystems 450 und enthält die gleiche Anordnung der Batterie-Wärmetauscher 412. Sofern nachstehend nicht anders angegeben, gilt die Beschreibung der Elemente der Subsysteme 410 und 450 für gleichartige Elemente des Subsystems 460.
Subsystem 460 unterscheidet sich vom Subsystem 450 dadurch, dass die Wärmetauscher 412, die das Wärmetauscherpaar bilden, das der primären Umwälzpumpe 414 am nächsten liegt, die „ersten Wärmetauscher“ sind und als „HX1A“ und „HX1B“ bezeichnet werden, weil einer oder beide dieser Wärmetauscher mit einem integrierten elektrischen Heizelement 430 versehen sind. Durch die Anordnung des Subsystems 460 entfällt die Notwendigkeit einer sekundären Umwälzpumpe 432 und eines Primärventils 416, das zwischen der primären Pumpe 414 und der parallelen Anordnung der Wärmetauscherpaare 412 angeordnet ist. Stattdessen ist die primäre Umwälzpumpe 414 in allen Betriebsmodi eingeschaltet, und das Subsystem 460 umfasst ein oder mehrere Sekundärventile 436, die zwischen benachbarten Wärmetauscherpaaren 412 angeordnet sind. Insbesondere umfasst das Subsystem 460 ein Sekundärventil 436, das zwischen dem ersten Paar von Batterie-Wärmetauschern HX1A, HX1B und dem zweiten Paar von Batterie-Wärmetauschern HX2A, HX2B angeordnet ist.
34 stellt einen ersten Heizmodus dar, bei dem ein oder beide elektrischen Heizelemente 430 aktiviert sind, die primäre Umwälzpumpe 414 eingeschaltet ist und das Ventil 436 geschlossen ist. Wie aus den Pfeilen in 34 ersichtlich ist, führt diese Anordnung dazu, dass das Wärmeträgerfluid nur durch das erste Wärmetauscherpaar HX1A und HX1B zirkuliert, wo es von einem oder beiden elektrischen Heizelementen 430 erwärmt wird, wobei das Fluid durch die Pumpe 414 zirkuliert. Daher sieht der Heizmodus der 34 eine Erwärmung nur eines Teils des durch das Subsystem 460 strömenden Wärmeträgerfluids (das „zweite Volumen“) vor.
35 stellt einen zweiten Heizmodus dar, bei dem ein oder beide elektrischen Heizelemente 430 aktiviert sind, die primäre Umwälzpumpe 414 eingeschaltet ist und das Ventil 436 teilweise oder vollständig geöffnet ist. Wie aus den Pfeilen in 35 ersichtlich ist, führt diese Anordnung dazu, dass das Wärmeträgerfluid durch alle vier Wärmetauscherpaar 412 zirkuliert, derart dass das gesamte durch das Subsystem strömende Fluid (das „erste Volumen“) geheizt wird.
Die fortschreitende Erwärmung des Wärmeträgerfluids erfolgt durch Umschalten vom Heizmodus nach 34 auf den Heizmodus nach 35, sobald das durch das erste Wärmetauscherpaar HX1A, HX1B zirkulierende Fluid eine Schwellentemperatur erreicht hat. Das Umschalten vom Heizmodus der 34 auf den Heizmodus der 35 erfolgt durch teilweises oder vollständiges Öffnen des Ventils 436.
35 veranschaulicht auch einen „Kühlmodus“, der angewandt wird, sobald die Batterien auf ihren optimalen Temperaturbereich zum Laden und/oder Entladen erwärmt sind. Im Kühlmodus ist die Umwälzpumpe 414 eingeschaltet, das Ventil 436 ist geöffnet, so dass das Wärmeträgerfluid durch das gesamte Subsystem 460 zirkuliert, die elektrischen Heizelemente 430 sind ausgeschaltet, und zumindest ein Teil des Wärmeträgerfluids strömt durch die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440.
36 zeigt ein Subsystem 470 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, wobei das Subsystem 470 eine Variante des oben beschriebenen Subsystems 460 ist. Das Subsystem 470 umfasst eine Mehrzahl von Sekundärventilen 436, die jeweils in der ersten oder zweiten Hauptleitung 418, 420 zwischen benachbarten Paaren von Wärmetauschern 412 angeordnet sind, um Zwischenheizmodi zwischen den in den 34 und 35 dargestellten zu ermöglichen.
Das Subsystem 470 umfasst ein erstes Ventil 436A zwischen dem ersten Paar von Wärmetauschern HX1A, HX1B und dem zweiten Paar von Wärmetauschern HX2A, HX2B und ein zweites Ventil 436B zwischen dem zweiten Paar von Wärmetauschern HX2A, HX2B und dem dritten Paar von Wärmetauschern HX3A, HX3B. Wenn das erste Ventil 436A geschlossen ist, befindet sich das Subsystem 470 in einem ersten Heizmodus, der im Wesentlichen mit dem in 34 dargestellten Heizmodus übereinstimmt, der unabhängig von der Anwesenheit oder Konfiguration des zweiten Ventils 436B ist. Im ersten Heizmodus lässt die Pumpe 414 das Wärmeträgerfluid nur durch das erste Wärmetauscherpaar HX1A und HX1B zirkulieren.
36 zeigt einen zweiten, zwischengeschalteten Heizmodus, bei dem das erste Ventil 436A geöffnet und das zweite Ventil 436B geschlossen ist, so dass die Pumpe 414 das Wärmeträgerfluid sowohl durch das erste Paar Wärmetauscher HX1A, HX1B als auch durch das zweite Paar Wärmetauscher HX2A, HX2B zirkulieren lässt. Durch teilweises oder vollständiges Öffnen des zweiten Ventils 436B (d.h. bei geöffnetem ersten Ventil 436A) ergibt sich ein dritter Heizmodus ähnlich dem Heizmodus in 35, in dem die Pumpe 414 das Wärmeträgerfluid durch alle vier Wärmetauscherpaare 412 zirkulieren lässt.
37 zeigt ein Subsystem 480 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, wobei das Subsystem 480 eine Variante der oben beschriebenen Subsysteme 460 und 470 ist. Das Subsystem 480 umfasst ein erstes, zweites und drittes Sekundärventil 436A, 436B und 436C, die jeweils in der ersten oder zweiten Hauptleitung 418, 420 zwischen benachbarten Paaren von Wärmetauschern 412 angeordnet sind. Darüber hinaus enthält das Subsystem 480 ein zusätzliches Paar elektrischer Heizelemente 430, die in das dritte Paar Wärmetauscher HX3A, HX3B integriert sind. Aus 37 ist ersichtlich, dass das Subsystem 480 einen zusätzlichen Zwischenheizmodus zwischen dem zweiten und dritten Heizmodus des Subsystems 470 bietet, d.h. bei geöffnetem ersten und zweiten Ventil 436A, 436B und geschlossenem dritten Ventil 436C. Bei dem Zwischenheizmodus der 37 lässt die Pumpe 414 das Wärmeträgerfluid durch das erste Paar Wärmetauscher HX1A, HX1B, das zweite Paar Wärmetauscher HX2A, HX2B und das dritte Paar Wärmetauscher HX3A, HX3B zirkulieren. Durch teilweises oder vollständiges Öffnen des dritten Ventils 436C (d.h. bei geöffnetem ersten und zweiten Ventil 436A, 436B) ergibt sich ein Heizmodus ähnlich dem Heizmodus der 35, in dem die Pumpe 414 das Wärmeträgerfluid durch alle vier Wärmetauscherpaare 412 zirkulieren lässt.
Wenn sich das Subsystem 480 im Heizmodus der 37 befindet, kann das Subsystem außerdem selektiv gesteuert werden, um eines oder beide der elektrischen Heizelemente 430, die in das dritte Paar Wärmetauscher HX3A, HX3B integriert sind, zu aktivieren, wobei eines oder beide der elektrischen Heizelemente 430, die in das erste Paar Wärmetauscher HX1A, HX1B integriert sind, entweder aus- oder eingeschaltet sind. Daraus ist ersichtlich, dass das in den 34 bis 37 gezeigte Ausführungsbeispiel zusätzliche progressive Heizmöglichkeiten bietet, wobei die Notwendigkeit einer sekundären Umwälzpumpe 432 entfällt und zumindest im Subsystem 460 die Gesamtzahl der Ventile reduziert wird.
Die 38 und 39 stellen ein Subsystemen 490 zur Kühlung/Heizung einer Batterie nach einem siebenten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebsmodi dar. Das Subsystem 490 ist eine Variante des Subsystems 450 und enthält die gleiche Anordnung der Batterie-Wärmetauscher 412. Sofern nachstehend nicht anders angegeben, gilt die Beschreibung der Elemente der Subsysteme 410 und 450 für gleichartige Elemente des Subsystems 490.
Das Subsystem 490 unterscheidet sich vom Subsystem 450 dadurch, dass nur einer der Wärmetauscher HX1A, die das distale Wärmetauscherpaar HX1A, HX1B bilden, mit einem integrierten elektrischen Heizelement 430 versehen ist. Darüber hinaus fehlt im Subsystem 490 ein Primärventil 416, das zwischen der primären Pumpe 414 und der parallelen Anordnung der Wärmetauscherpaare 412 angeordnet ist, und das Sekundärventil 436 des Subsystems 490 befindet sich in einer der Zweigleitungen 422, 424 des Wärmetauschers HX1A, so dass der Wärmetauscher HX1A strömungstechnisch von HX1B und von allen anderen Wärmetauschern 412 des Subsystems 490 getrennt werden kann.
38 stellt einen ersten Heizmodus dar, bei dem das elektrische Heizelement 430 aktiviert ist, die primäre Umwälzpumpe 414 ausgeschaltet ist, die sekundäre Umwälzpumpe 432 eingeschaltet ist und das Ventil 436 geschlossen ist. Wie aus den Pfeilen in 38 ersichtlich ist, führt diese Anordnung dazu, dass das Wärmeträgerfluid nur durch den distalen Wärmetauscher HX1A zirkuliert, wobei das Fluid zwischen den Fluidöffnungen 426, 428 über die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 rezirkuliert. Somit sorgt der erste Heizmodus der 38 für eine schnelle Erwärmung des Fluids im distalen Wärmetauscher HX1A.
Sobald das Fluid, das durch den distalen Wärmetauscher HX1A zirkuliert, eine Schwellentemperatur erreicht, wird die sekundäre Umwälzpumpe 432 abgeschaltet, um eine Kurzschlussströmung durch die Leitung 434 zu verhindern, die primäre Umwälzpumpe 414 wird eingeschaltet und das Ventil 436 wird teilweise oder vollständig geöffnet, wobei das elektrische Heizelement 430 eingeschaltet bleibt. Dieser zweite Heizmodus ist in 13 dargestellt, wobei das im ersten Heizmodus der 38 erwärmte Fluid im gesamten Subsystem 490 verteilt wird, um die Batteriezellen und/oder Module zu erwärmen, die den anderen Wärmetauschern 412 zugeordnet sind, und das elektrische Heizelement 430 weiterhin das im Subsystem 490 zirkulierende Fluid erwärmt, bis das gesamte Fluidvolumen eine Schwellentemperatur erreicht, wobei zu diesem Zeitpunkt das elektrische Heizelement 430 abgeschaltet wird, was dazu führt, dass das Subsystem 490 den Kühlmodus annimmt.
Da das distale Wärmetauscherpaar HX1A, HX1B den geringsten Druckabfall aufweist und aufgrund der niedrigeren Viskosität des Fluids, das durch das distale Wärmetauscherpaar HX1A, HX1B zirkuliert, wird der Rezirkulationsstrom durch das distale Wärmetauscherpaar HX1A, HX1B etwas bevorzugt, selbst nachdem das Ventil 436 teilweise oder vollständig geöffnet ist und sich die verbleibenden Teile des Subsystems 490 bei niedrigeren Fluiddurchflussraten erwärmen.
Die 40 und 41 stellen ein Subsystemen 500 zur Kühlung/Heizung einer Batterie nach einem achten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebsmodi dar. Das Subsystem 500 ist eine Variante des in den 28 bis 30 gezeigten Subsystems 410 dahingehend, dass es die gleiche Anordnung der Batterie-Wärmetauscher 412 enthält. Sofern nachstehend nicht anders angegeben, gilt die Beschreibung der Elemente des Subsystems 410 für gleichartige Elemente des Subsystems 500.
Das Subsystem 500 unterscheidet sich von Subsystem 410 dadurch, dass der distale Wärmetauscher HX1 ein Paar distale Wärmetauscherabschnitte HX1A, HX1B umfasst, die in Reihe mit einem Paar Zweigleitungen 422, 424 verbunden sind. In dieser Hinsicht hat der erste distale Wärmetauscherabschnitt HX1A ein erstes Paar Fluidöffnungen 426A, 428A, die Wärmeträgerfluid von den Hauptleitungen 418, 420 aufnehmen und Wärmeträgerfluid an diese abgeben. Der erste distale Wärmetauscherabschnitt HX1A enthält auch ein zweites Paar Fluidöffnungen 426B, 428B, die Wärmeträgerfluid von den Fluidöffnungen 426, 428 des zweiten distalen Wärmetauscherabschnitts HX1B durch Verbindungsleitungen 502, 504 aufnehmen und an diese abgeben. Die Verbindungsleitung 502 erstreckt sich von der Fluidöffnung 426B des Abschnitts HX1A bis zur Fluidöffnung 426 des Abschnitts HX1B, und die Verbindungsleitung 504 erstreckt sich von der Fluidöffnung 428B des Abschnitts HX1A bis zur Fluidöffnung 428 des Abschnitts HX1B. Während daher das Paar der distalen Wärmetauscherabschnitte HX1A, HX1B zusammen mit den anderen Batterie-Wärmetauschern HX2, HX3 und HX4 parallel an die Hauptleitungen 418, 420 angeschlossen ist, ist der zweite distale Wärmetauscherabschnitt HX1B nur über den ersten distalen Wärmetauscherabschnitt HX1A mit dem Rest des Subsystems 500 strömungstechnisch verbunden.
Es sei verstanden, dass das Paar distaler Wärmetauscherabschnitte HX1A, HX1B entweder zwei separate Wärmetauscher umfassen kann, die durch externe Verbindungsleitungen 502, 504 verbunden sind, oder zwei Bereiche oder Abschnitte desselben Wärmetauschers, in denen die Verbindungsleitungen 502, 504 innere Fluidströmungskanäle umfassen.
Das Subsystem 500 umfasst ferner eine sekundäre Umwälzpumpe 432, die in einer Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 zwischen der ersten und zweiten Verbindungsleitung 502, 504 vorgesehen ist, um so einen Kurzschluss-Strömungsweg zwischen den Fluidöffnungen 426, 428 des zweiten distalen Wärmetauscherabschnitt HX1B vorzusehen.
Anstelle eines elektrischen Heizelements 430 im ersten oder proximalen Wärmetauscher HX4 hat das Subsystem 500 ein elektrisches Heizelement 430, das in den zweiten distalen Wärmetauscherabschnitt HX1B integriert ist.
40 zeigt einen ersten Betriebsmodus, der einem anfänglichen Heizmodus unter Kaltstartbedingungen entspricht. Im Heizmodus der 40 ist die primäre Umwälzpumpe 414 abgeschaltet und das Primärventil 416 geschlossen, so dass kein Wärmeträgerfluid durch das Subsystem 500 zirkulieren wird. Darüber hinaus werden die sekundäre Umwälzpumpe 432 und das elektrische Heizelement 430 eingeschaltet. Beim Kaltstart hat das Wärmeträgerfluid im Subsystem 500 zunächst eine niedrige Temperatur und ist relativ zähflüssig. Wenn das Wärmeträgerfluid im zweiten distalen Wärmetauscherabschnitt HX1B durch das elektrische Heizelement 430 erwärmt wird, steigt ihre Temperatur und seine Viskosität sinkt. Die verringerte Viskosität des erwärmten Fluids bewirkt, dass es von der sekundären Umwälzpumpe 432 bevorzugt durch den zweiten distalen Wärmetauscherabschnitt HX1B rezirkuliert wird.
Da dem Subsystem 500 ein Sekundärventil 436 fehlt, um die beiden distalen Wärmetauscherabschnitte HX1A und HX1B strömungstechnisch voneinander zu trennen, lässt die sekundäre Umwälzpumpe 432 auch einen Teil des erwärmten Fluids zum ersten distalen Wärmetauscherabschnitt HX1A zirkulieren, was zu einer progressiven und bevorzugten Erwärmung des Fluids führt, das durch die beiden distalen Wärmetauscherabschnitte HX1A und HX1B strömt. Die bevorzugte Umwälzung durch die Wärmetauscherabschnitte HX1A und HX1B wird durch die größeren Querschnittsflächen der Zweigleitungen 422, 424 des ersten distalen Wärmetauscherabschnitts HX1A in der gleichen Weise unterstützt, wie sie oben in Bezug auf HX4 des Subsystems 410 beschrieben wurde.
Die sekundäre Umwälzpumpe 432 wird auch einen Teil des Wärmeträgerfluids zu den anderen Wärmetauschern HX2 bis HX4 umwälzen, wobei der Anteil des zu diesen Wärmetauschern strömenden Fluids anfänglich gering ist und mit fortschreitender Erwärmung des Fluids zunimmt. Irgendwann wird die sekundäre Umwälzpumpe 432 abgeschaltet, die primäre Umwälzpumpe 414 eingeschaltet, das Primärventil 416 geöffnet und die Erwärmung des Fluids durch das elektrische Heizelement 430 fortgesetzt, so dass das Subsystem 500 die in 41 gezeigte Heizmoduskonfiguration annimmt. Sobald das im Subsystem 500 zirkulierende Wärmeträgerfluid eine gewünschte Temperatur erreicht hat, wird das Subsystem 500 durch Abschalten des elektrischen Heizelements 430 in den Kühlmodus geschaltet, während die anderen Elemente in der in 41 gezeigten Konfiguration verbleiben.
Die 42 stellt ein Subsystemen 510 zur Kühlung/Heizung einer Batterie nach einem neunten Ausführungsbeispiel dar. Das Subsystem 510 umfasst eine Mehrzahl von paarweise angeordneten Batterie-Wärmetauschern 412, die mit HX1A, HX1B, HX2A, HX2B, HX3A und HX3B bezeichnet sind. Das Subsystem 510 ist jedoch ein Hybridsystem, da die drei Wärmetauscherpaare 412 parallel und die Wärmetauscher 412 jedes Paares in Reihe angeordnet sind. Das Subsystem 510 unterscheidet sich von den anderen oben beschriebenen Subsystemen dadurch, dass die Wärmetauscher 412 an ihren entgegengesetzten Enden mit Fluidöffnungen 426, 428 dargestellt sind, es sei jedoch verstanden, dass jedes der oben beschriebenen Subsysteme für den Einsatz solcher Wärmetauscher 412 angepasst werden kann. Umgekehrt könnten Batterie-Wärmetauscher 412, wie in 42 dargestellt, in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden.
Das Subsystem 510 umfasst ferner eine primäre Umwälzpumpe 414, ein Primärventil 416, das stromaufwärts oder stromabwärts der Pumpe 414 angeordnet ist, eine erste Hauptleitung 418, eine zweite Hauptleitung 420, eine Mehrzahl von ersten Zweigleitungen 422, die sich zwischen der ersten Hauptleitung 418 und jedem der Batterie-Wärmetauscher 412 erstrecken, und eine Mehrzahl von zweiten Zweigleitungen 424, die sich zwischen der zweiten Hauptleitung 420 und jedem der Batterie-Wärmetauscher 412 erstrecken. Die Hauptleitungen 418, 420 und/oder die Zweigleitungen 422, 424 können mit Mitteln zum Ausgleich der Fluidströmung zu den mehreren Batterie-Wärmetauschern 412 versehen sein, wie detailliert oben beschrieben ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die Hauptleitungen 418, 420 ein etwas anderes Erscheinungsbild als in den oben beschriebenen Subsystemen 410 und 450, wobei die Leitungen zu/von Pumpe 414 und Ventil 416 mit den Hauptleitungen 418, 420 an Stellen verbunden sind, die zwischen den Enden der Hauptleitungen 418, 420 liegen, und nicht wie in den Subsystemen 410 und 450 an den Enden der Hauptleitungen 418, 420. Dieser Unterschied ist jedoch für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung nicht signifikant.
Das Subsystem 510 umfasst außerdem die sekundäre Umwälzpumpe 432, die in einer Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 vorgesehen ist, welche die erste und zweite Fluidöffnung 426, 428 des Batterie-Wärmetauschers HX1A verbindet und optional eine Verdrängerpumpe umfassen kann. Das Subsystem 510 ist optional mit einem Sekundärventil 436 ausgestattet, um den Wärmetauscher HX1A während des Kaltstarts des Subsystems 510 strömungstechnisch vom Rest des Teilsystems 510 zu trennen. Wie gezeigt, kann die Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 einen Verlängerungsabschnitt 434A enthalten, der sich über den Wärmetauscher HX1B zur zweiten Zweigleitung 424 erstreckt, die sich von der Fluidöffnung 428 des Wärmetauschers HX1B zur zweiten Hauptleitung 420 erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Sekundärventil 436 ein Dreiwegeventil umfassen, um zu steuern, ob das Wärmeträgerfluid, das durch die Kurzschluss-Strömungsleitung 434 zirkuliert, in den Verlängerungsabschnitt 434A eintreten darf, um durch HX1B zurückgeführt zu werden, oder ob es direkt zu HX1A zurückgeführt wird.
Während eines anfänglichen Starts bei kalten Bedingungen wird die primäre Umwälzpumpe 414 ausgeschaltet, das Primärventil 416 geschlossen, das elektrische Heizelement 430 eingeschaltet und die sekundäre Umwälzpumpe 432 eingeschaltet. Wenn das Subsystem 510 kein Sekundärventil 436 hat, ist das Subsystem 510 auf eine bevorzugte Rezirkulation des Wärmeträgerfluids durch den Wärmetauscher HX1A angewiesen, die durch Viskositätsunterschiede zwischen dem erwärmten Fluid, das durch den Wärmetauscher HX1A zirkuliert, und dem relativ kühlen Fluid, das durch die anderen Wärmetauscher 412 zirkuliert, verursacht wird, wie oben unter Bezugnahme auf Subsystem 500 besprochen.
Wenn es sich bei dem Sekundärventil 436 um ein Dreiwegeventil handelt, das sich an der Verbindungsstelle zwischen der Kurzschluss-Fluidströmungsleitung 434 und dem Verlängerungsabschnitt 434A befindet, erhöht die Fähigkeit des Sekundärventils 436, die Strömung durch den Verlängerungsabschnitt 434A zu blockieren oder zuzulassen, die Anzahl der progressiven Heizmodi, die vom Subsystem 510 bereitgestellt werden können.
Beispielsweise kann das Subsystem 510 mit Sekundärventil 436 in einer ersten Stellung konfiguriert werden, wodurch die Fluidrückführung durch die Strömungsleitung 434 und den Wärmetauscher HX1A erlaubt ist, während die Fluidrückführung bzw. -rezirkulation durch den Verlängerungsabschnitt 434A und den Wärmetauscher HX1B blockiert ist, wodurch ein erster Heizmodus vorgesehen wird, bei dem das Wärmeträgerfluid vorzugsweise nur durch den Wärmetauscher HX1A rezirkuliert. Das Sekundärventil 436 kann dann so betätigt werden, dass es eine zweite Stellung einnimmt, in der eine Fluidrückführung durch die Strömungsleitungen 434 und 434A sowie durch die beiden Wärmetauscher HX1A und HX1B möglich ist, wodurch ein zweiter Heizmodus ermöglicht wird, bei dem das Wärmeträgerfluid vorzugsweise durch die beiden Wärmetauscher HX1A und HX1B zurückgeführt wird.
Während die oben genannten Heizmodi eine bevorzugte Strömung des Wärmeträgerfluids durch den Wärmetauscher HX1A und optional durch HX1B ermöglichen, sei verstanden, dass die Wärmetauscher HX1A, HX1B in Fällen nicht strömungstechnisch von den anderen Wärmetauschern 412 getrennt sind, bei denen kein Sekundärventil zwischen den Wärmetauschern HX1A, HX1B und den übrigen Wärmetauschern 412 vorgesehen ist. Daher wird ein gewisser Fluidstrom („Leckage“) durch die Hauptleitungen 418, 420 und die Wärmetauscher HX2A, HX2B, HX3A und HX3B bei ausgeschalteter primären Umwälzpumpe 414 und geschlossenem Primärventil 416 entstehen. Der Anteil des Leckagestroms wird anfangs aufgrund des Viskositätsunterschieds zwischen dem erwärmten Fluid, das durch HX1A und optional HX1B strömt, und dem kalten Fluid in den anderen Wärmetauschern 412 gering sein. Das elektrische Heizelement 430 erhöht jedoch allmählich die Temperatur des durch die unbeheizten Wärmetauscher 412 strömenden Fluids, wodurch der Viskositätsunterschied verringert und der Anteil des Leckagestroms erhöht wird.
Sobald die Temperatur des durch einen oder mehrere der Wärmetauscher 412 zirkulierenden Fluids ein vorbestimmtes Niveau erreicht, wird das Sekundärventil 436 zum Absperren der Strömung durch die Leitungen 434 und 434A betätigt, um die Rückströmung durch die Wärmetauscher HX1A, HX1B zu blockieren. Auch wird zum weiteren Aufheizen des in dem Subsystem 510 strömenden Fluids die sekundäre Pumpe 432 abgeschaltet, die primäre Pumpe 414 eingeschaltet und das Primärventil 416 geöffnet, während das elektrische Heizelement 430 eingeschaltet bleibt. Das System 510 kann dann in den Kühlmodus geschaltet werden, indem das elektrische Heizelement 430 ausgeschaltet wird und indem zumindest ein Teil des Wärmeträgerfluids durch die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440 geleitet wird.
Es sei verstanden, dass die Wärmetauscher im Subsystem 510, mit Ausnahme von HX1A und HX1B, nicht notwendigerweise in Reihe geschaltete Paare HX2A, HX2B und HX3A, HX3B usw. sind, wie in 42 dargestellt. Vielmehr können es einzelne Wärmetauscher HX2, HX3 usw. sein, die mit HX1A und HX1B strömungstechnisch abgeglichen sind. Wie bei den in Reihe geschalteten Wärmetauscherabschnitten HX1A und HX1B des Subsystems 500 können auch HX1A und HX1B des Subsystems 510 in Reihe geschaltete Abschnitte eines einzelnen Wärmetauschers sein. Zum Beispiel kann das Subsystem 510 einen Zweizug-Wärmetauscher HX1 enthalten, wie einen U-Strömung-Wärmetauscher, mit einem Auslass am Ende des ersten Zuges. Unabhängig von diesen Details wird erwartet, dass das Subsystem 510 bei der anfänglichen Start bei kalten Bedingungen aufgrund des zusätzlichen Druckabfalls durch den in Reihe geschalteten Wärmetauscher HX1B einen erhöhten Volumenanteilstrom durch den Wärmetauscher HX1A liefert.
In den obigen Ausführungen wird der größte Teil an Wärme zum Erwärmen der Batterie-Wärmetauscher 412 letztlich aus der von der Fahrzeugbatterie bereitgestellten elektrischen Energie abgeleitet. Obwohl die oben genannten Ausführungsbeispiele eine schnellere Erwärmung von Teilen der Batterie ermöglichen, verringern sie nicht unbedingt die Gesamtenergiemenge, die erforderlich ist, um die gesamte Batterie auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erwärmen. Die 43 und 44 stellen ein Subsystemen 520 zur Kühlung/Heizung einer Batterie nach einem zehnten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betriebsmodi dar. Das Subsystem 520 ist eine Variante des in den 28 bis 30 gezeigten Subsystems 410 dahingehend, dass es die gleiche Anordnung der Batterie-Wärmetauscher 412 enthält. Sofern nachstehend nicht anders angegeben, gilt die Beschreibung der Elemente des Subsystems 410 für gleichartige Elemente des Subsystems 520.
Das Subsystem 520 unterscheidet sich vom Subsystem 410 dadurch, dass es kein Primärventil 416 benötigt, da die primäre Umwälzpumpe 414 immer eingeschaltet sein kann. Außerdem enthält das System 520 ein Paar Sekundärventile 436A, 436B. Anstatt in den Hauptleitungen 418 und/oder 420 zu liegen, befinden sich die Sekundärventile 436A, 436B jedoch in den jeweiligen ersten und zweiten Zweigleitungen 422, 424, die die Fluidöffnungen 426, 428 des HX1 mit den ersten und zweiten Hauptleitungen 418, 420 verbinden. Diese Anordnung trennt HX1 in bestimmten Betriebsmodi vom Rest des Subsystems 520, unabhängig von dem Betriebsmodus der Pumpe 414. Zum Beispiel kann die Pumpe 414 in allen Betriebsmodi Fluid zu den anderen Batterie-Wärmetauschern HX2 bis HX4 zirkulieren lassen. Es sei bemerkt, dass das Subsystem 520 mit nur einem sekundären Wärmetauscher 436 betrieben werden kann, der sich entweder in der ersten oder zweiten Zweigleitung 422 oder 424 befindet, die mit HX1 verbunden ist.
Das Subsystem 520 umfasst auch eine wärmeerzeugende Komponente 522, die sich, wie dargestellt, in einer Zweigleitung 524 stromabwärts der primären Umwälzpumpe 414 und stromaufwärts der Zweigleitung 441 befindet, in der die Wärmetauscher 439, 440 angeordnet sind. Ein Dreiwegeventil (nicht abgebildet) kann an einem der Verzweigungspunkte zwischen Hauptleitung 418 und Zweigleitung 524 vorgesehen sein, damit das Wärmeträgerfluid bei bestimmten Betriebsmodi durch die Zweigleitung 524 strömen und der Komponente 522 Wärme entziehen kann, und damit das Wärmeträgerfluid bei bestimmten Betriebsmodi die Zweigleitung 524 und die wärmeerzeugende Komponente 522 umgehen kann.
Die wärmeerzeugende Komponente 522 kann eine oder mehrere elektrische Komponenten des Fahrzeugs umfassen, wie den elektrischen Antriebsmotor, die Systemelektronik und/oder eine elektrische Widerstandsheizung. Typischerweise kann die wärmeerzeugende Komponente 522 einen Wärmetauscher zur Entnahme von Wärme aus einem oder mehreren dieser elektrischen Fahrzeugkomponenten umfassen.
Wenn die elektrische Komponente des Fahrzeugs 522 eine elektrische Widerstandsheizung und/oder ein Wärmetauscher ist, der Wärme von einer Widerstandsheizung aufnimmt, kann die Energiequelle für die elektrische Widerstandsheizung eine Energiequelle sein, die keine Energie aus der Fahrzeugbatterie bezieht. Beispielsweise kann die Energiequelle für die elektrische Widerstandsheizung überschüssiger elektrischer Energie umfassen, die vom regenerativen Bremsmodul des Fahrzeugs erzeugt wird, von der ansonsten ein Teil verschwendet werden kann, insbesondere wenn das Fahrzeug bei kalten Bedingungen betrieben wird, bei denen die vom regenerativen Bremsmodul erzeugte Energie ganz oder teilweise nicht zum Laden der Batterie verwendet werden darf. Die Vorteile des Subsystems 520 werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
43 zeigt einen ersten Betriebsmodus, der einem anfänglichen Heizmodus unter Kaltstartbedingungen entspricht. In dem Heizmodus der 43 sind die primäre Umwälzpumpe 414 eingeschaltet, die sekundäre Umwälzpumpe 432 eingeschaltet, die Sekundärventile 436A, 436B geschlossen und das elektrische Heizelement 430 des HX1 eingeschaltet. Dementsprechend strömt im Heizmodus der 43 ein kleines Volumen des Wärmeträgerfluids durch den HX1 und die Kurzschluss-Strömungsleitung 434, während es durch das elektrische Heizelement 430 schnell erhitzt wird. Unter der Annahme, dass die dem HX1 zugeordnete(n) Batteriezelle(n) und/oder Modul(e) miteinander verbunden sind, um die Systemspannung zu liefern, kann das Fahrzeug gestartet und betrieben werden, sobald der HX1 ausreichend erwärmt ist.
In der Zwischenzeit lässt die primäre Umwälzpumpe 414 das kalte Wärmeträgerfluid durch das Subsystem 520, außer durch den HX1 und möglicherweise unter Umgehung der Wärmetauscher 439, 440 zirkulieren. Insbesondere wird im Heizmodus der 43 das Wärmeträgerfluid durch die Zweigleitung 524 und das wärmeerzeugende Bauteil 522 gepumpt, um so dem Subsystem 520 Wärme zuzuführen. Diese Wärme von Komponente 522 wird an die Wärmetauscher HX2 bis HX4 verteilt, wodurch die den HX2 bis HX4 zugeordneten Batteriezellen und/oder Module während des Betriebs des Fahrzeugs und der weiteren Erwärmung von HX1 erwärmt werden. Der Heizmodus 43 verwendet also zumindest einen Teil der Wärme, die ansonsten verschwendet werden könnte, um die HX2 bis HX4 zu erwärmen.
Sobald HX1 ausreichend beheizt ist, können die Sekundärventile 436A, 436B geöffnet und die sekundäre Umwälzpumpe 432 abgeschaltet werden, während das elektrische Heizelement 430 eingeschaltet bleibt. In diesem in 44 dargestellten Heizmodus wird das Wärmeträgerfluid durch die Zweigleitung 524 und die wärmeerzeugende Komponente 522 gepumpt und kann weiterhin die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440 umgehen. Im Heizmodus der 44 wird die Wärme vom elektrischen Heizelement 430 und die Wärme von der Komponente 522 das gesamte durch das Subsystem 520 zirkulierende Volumen des Fluids aufgeheizt, wodurch alle Wärmetauscher HX1 bis HX4 erwärmt werden.
Sobald das gesamte Subsystem 520 ausreichend erwärmt ist, kann das Subsystem 520 in den Kühlmodus geschaltet werden, indem das elektrische Heizelement 430 ausgeschaltet wird und indem das Wärmeträgerfluid durch die Zweigleitung 441 und die Wärmetauscher 439, 440 geleitet wird. Darüber hinaus kann das Subsystem 520 so betrieben werden, dass Fluid die die wärmeerzeugenden Komponente 522 enthaltende Zweigleitung 524 umgeht und, wenn die Komponente eine elektrische Widerstandsheizung oder ein damit verbundener Wärmetauscher ist, kann diese Heizvorrichtung abgeschaltet werden.
Während verschiedene Ausführungsformen in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Anpassungen und Modifikationen der beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung auszulegend vorgenommen werden können. Daher sind die oben erörterten Ausführungsformen als erläuternd, aber nicht als beschränkend aufzufassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/677824 [0001]
US 62/744294 [0001]
US 2019/050283 [0035]
US 8653423 [0035]
US 35890 [0037]
US 6273183 [0037]

Claims

Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug, das ein eine Mehrzahl von aufladbaren Batterieeinheiten einschließendes Energiespeichersystem aufweist, wobei das Wärmemanagementsystem ein Subsystem zum Kühlen/Aufheizen einer Batterie aufweist, umfassend: (a) einen Zirkulationskreis für einen Umlauf eines ersten Volumens eines Wärmeträgerfluids durch das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie, der eine Mehrzahl von Leitungen zum Fördern des Wärmeträgerfluids umfasst; (b) eine Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern, die in dem Zirkulationskreis vorgesehen sind, wobei jeder der Batterie-Wärmetauscher in Wärmekontakt mit einer oder mehreren der Batterieeinheiten steht, wobei jeder der Batterie-Wärmetauscher einen inneren Fluidströmungskanal und eine Mehrzahl von Fluidöffnungen einschließlich eines Einlasses und eines Auslasses des inneren Fluidströmungskanals aufweist; (c) ein elektrisches Heizelement, das in einen ersten Batterie-Wärmetauscher der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern integriert ist, um so das Wärmeträgerfluid zu erwärmen, das durch den inneren Fluidströmungskanal des ersten Wärmetauschers strömt; (d) eine Teilschleife des Zirkulationskreises, die eine oder mehrere der Leitungen, die in Fluidströmungsverbindung mit dem Einlass und dem Auslass des Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers sind, umfasst und weiterhin den inneren Fluidströmungskanal des ersten Batterie-Wärmetauschers umfasst; wobei die Teilschleife für die Zirkulation eines zweiten Volumens des Wärmeträgerfluids angepasst ist, wobei das zweite Volumen kleiner als das erste Volumen ist und ein Volumen des Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers umfasst.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1, außerdem umfassend: (e) eine in dem Zirkulationskreis vorgesehene primäre Umwälzpumpe zum Pumpen des Wärmeträgerfluids durch das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie; und (f) einen fluidgekühlten Wärmetauscher, der in dem Zirkulationskreis vorgesehen ist, um Wärme aus dem in dem Zirkulationskreis strömenden Wärmeträgerfluid abzuführen.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine der Leitungen der Teilschleife eine Kurzschluss-Strömungsleitung umfasst, die den Einlass und den Auslass des inneren Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers verbindet; und wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem eine sekundäre Umwälzpumpe umfasst, die in der Teilschleife vorgesehen ist, um das zweite Volumen des Wärmeträgerfluids durch die gesamte Teilschleife in Umlauf zu bringen.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 2, wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem ein Primärventil umfasst, das in dem Zirkulationskreis zum Steuern der Strömung des Wärmeträgerfluids zu oder von der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern vorgesehen ist; und wobei das Primärventil zum Steuern der Strömung des Wärmeträgerfluids zu oder von der primären Pumpe geeignet ist.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem mindestens ein Sekundärventil zum Steuern der Strömung des Wärmeträgerfluids innerhalb der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern umfasst; und wobei ein erstes der Sekundärventile in der Zirkulationsteilschleife vorgesehen ist, um die Strömung des Wärmeträgerfluids zwischen dem ersten Batterie-Wärmetauscher und anderen Batterie-Wärmetauschern in dem Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie zu steuern.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 5, wobei ein zweites der Sekundärventile zwischen zwei der außerhalb der Teilschleife angeordneten Batterie-Wärmetauscher vorgesehen ist.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei einige oder alle der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern eine Anordnung von parallel angeordneten Wärmetauschern umfassen; wobei die Leitungen des Subsystems zum Kühlen/Aufheizen der Batterie eine Mehrzahl von Hauptleitungen und eine Mehrzahl von Zweigleitungen umfassen, wobei die Einlässe und Auslässe der parallel angeordneten Wärmetauscher jeweils über eine Zweigleitung mit einer Hauptleitung verbunden sind; und wobei jede der Hauptleitungen ein Kopfteil oder eine Verteilerleitung für die Zuführung oder Ableitung des Wärmeträgerfluids zu oder von den parallel angeordneten Wärmetauschern umfasst.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Hauptleitungen und/oder die Zweigleitungen mit Mitteln zum Abgleichen der Strömung des Wärmeträgerfluids zu den parallel angeordneten Wärmetauschern versehen sind; wobei das Mittel zum Abgleichen der Strömung des Wärmeträgerfluids zu den parallel angeordneten Wärmetauschern Strömungshindernisse in den Hauptleitungen und/oder den Zweigleitungen umfasst, wobei die Strömungshindernisse über die Anordnung der parallel angeordneten Wärmetauscher hinweg abgestuft sind, derart dass es ein größeres Strömungshindernis und einen höheren Druckabfall in den Batteriewärmetauschern proximal zur primären Pumpe und ein geringeres Strömungshindernis und einen geringeren Druckabfall in den Batteriewärmetauschern distal von der primären Pumpe gibt; wobei die Strömungshindernisse eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften umfassen: abgestufte Öffnungen, abgestufte Leitungsdurchmesser und/oder unterschiedliche Grade der lokalen Verengung oder Verformung der Hauptleitungen und/oder der Zweigleitungen.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei alle der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern parallel angeordnete Wärmetauschern sind; wobei die Batterie-Wärmetauscher in einer Mehrzahl von Paaren angeordnet sind, wobei die Zweigleitungen jedes Paares von Batterie-Wärmetauschern gemeinsame Verbindungspunkte mit den Hauptleitungen aufweisen; wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem ein Sekundärventil zum Steuern der Strömung des Wärmeträgerfluids innerhalb der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern umfasst; und wobei das Sekundärventil in einer der Hauptleitungen zwischen zwei benachbarten Paaren von Batterie-Wärmetauschern angeordnet ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 9, wobei das Sekundärventil zwischen einem ersten Paar der Batterie-Wärmetauscher und einem benachbarten zweiten Paar der Batterie-Wärmetauscher vorgesehen ist; und wobei das erste Paar der Batterie-Wärmetauscher, das sich am proximalsten zu oder am distalsten von der Pumpe befindet.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 10, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher, der mit dem elektrischen Heizelement integriert ist, einen der Batterie-Wärmetauscher des ersten Paares umfasst; und wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem ein zweites elektrisches Heizelement aufweist, das mit dem anderen der Batterie-Wärmetauscher des ersten Paares integriert ist.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei alle der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern parallel angeordnete Wärmetauscher sind; wobei die Batterie-Wärmetauscher in einer Mehrzahl von Paaren angeordnet sind, wobei die Zweigleitungen jedes Paares von Batterie-Wärmetauschern gemeinsame Verbindungspunkte mit den Hauptleitungen aufweisen; wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem ein Sekundärventil zum Steuern der Strömung des Wärmeträgerfluids innerhalb der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern umfasst; wobei das Sekundärventil zwischen den Batterie-Wärmetauschern eines ersten Paares der Batterie-Wärmetauscher vorgesehen ist; wobei das erste Paar der Batterie-Wärmetauscher sich am distalsten von der Pumpe befindet; wobei einer der Batterie-Wärmetauscher des ersten Paares den ersten Batterie-Wärmetauscher umfasst, der mit dem elektrischen Heizelement integriert ist; und wobei der andere Batterie-Wärmetauscher des ersten Paares nicht mit einem elektrischen Heizelement integriert ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern ein distales Paar von Batterie-Wärmetauschern umfasst, die relativ zu den anderen Batterie-Wärmetauschern des Subsystems zum Kühlen/Aufheizen der Batterie distal von der primären Umwälzpumpe angeordnet sind; wobei das distale Paar von Batterie-Wärmetauschern den ersten Batterie-Wärmetauscher enthält, der mit dem elektrischen Heizelement integriert ist; wobei das distale Paar von Batterie-Wärmetauschern einen zweiten Batterie-Wärmetauscher enthält, der in der Anordnung parallel angeordneter Wärmetauscher enthalten ist; und wobei der erste Batterie-Wärmetauscher mit dem zweiten Batterie-Wärmetauscher des distalen Paares durch ein Paar von Verbindungsleitungen verbunden ist, die ein Paar von Fluidöffnungen des ersten Batterie-Wärmetauschers mit einem Paar von Fluidöffnungen des zweiten Batterie-Wärmetauschers verbinden.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 13, wobei eine der Leitungen der Teilschleife eine Kurzschluss-Strömungsleitung umfasst, die zwischen den Verbindungsleitungen zwischen dem ersten und dem zweiten Batterie-Wärmetauscher angeschlossen ist, derart dass die Teilschleife außerdem Abschnitte der Verbindungsleitungen umfasst, die sich von der Kurzschluss-Strömungsleitung zu den Fluidöffnungen des ersten Batterie-Wärmetauschers erstrecken; und wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem eine sekundäre Umwälzpumpe umfasst, die in der Teilschleife vorgesehen ist, um das zweite Volumen des Wärmeträgerfluids durch die gesamte Teilschleife in Umlauf zu bringen.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine der Leitungen der Teilschleife eine Kurzschluss-Strömungsleitung umfasst, die den Einlass und den Auslass des inneren Fluidströmungskanals des ersten Batterie-Wärmetauschers verbindet; wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem ein Sekundärventil, das in der Zweigleitung vorgesehen ist, die mit dem Einlass oder dem Auslass des ersten Batterie-Wärmetauschers verbunden ist, und eine sekundäre Umwälzpumpe umfasst, die in der Teilschleife vorgesehen ist, um das zweite Volumen des Wärmeträgerfluids durch die Teilschleife in Umlauf zu bringen; wobei das Schließen des Sekundärventils den ersten Batterie-Wärmetauscher strömungstechnisch von der primären Umwälzpumpe und den anderen Batterie-Wärmetauschern der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern trennt, und das Öffnen des Sekundärventils den ersten Batterie-Wärmetauscher strömungstechnisch mit der primären Umwälzpumpe und den anderen Batterie-Wärmetauschern der Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern verbindet; wobei das Subsystem zum Kühlen/Aufheizen der Batterie außerdem eine wärmeerzeugende Komponente umfasst, die strömungstechnisch mit dem Zirkulationskreis verbunden ist, um dem Wärmeträgerfluid in dem Zirkulationskreis zu ermöglichen, der wärmeerzeugenden Komponente Wärme zu entziehen; und wobei die wärmeerzeugende Komponente eine oder mehrere elektrische Komponenten des Fahrzeugs, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus dem elektrischen Antriebsmotor, der Systemelektronik und einer elektrischen Widerstandsheizung, oder einen Wärmetauscher zum Entziehen von Wärme aus einer oder mehreren elektrischen Komponenten des Fahrzeugs umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus dem elektrischen Antriebsmotor, der Systemelektronik und einer elektrischen Widerstandsheizung.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 15, wobei das Fahrzeug über ein regeneratives Bremsmodul verfügt, das elektrische Energie erzeugt; wobei die wärmeerzeugende Komponente eine elektrische Widerstandsheizung oder einen Wärmetauscher zum Entziehen von Wärme aus einer elektrischen Widerstandsheizung umfasst; und wobei die elektrische Widerstandsheizung von der elektrischen Energie gespeist wird, die vom regenerativen Bremsmodul erzeugt wird.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der erste Batterie-Wärmetauschern umfasst: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei die erste und die zweite Platte so aneinandergefügt sind, dass ihre Innenflächen einander zugewandt sind, und wobei Bereiche der Innenflächen voneinander beabstandet sind; (c) eine Mehrzahl von Fluidströmungskanälen, die für die Strömung eines Wärmeträgerfluids angepasst sind und die zwischen den voneinander beabstandeten Bereichen der Innenflächen der ersten und der zweiten Platte liegen; (d) eine Einlassöffnung zum Liefern des Wärmeträgerfluids zu der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen; (e) mindestens eine erste Auslassöffnung zum Auslassen des Wärmeträgerfluids aus der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen; (f) eine Einlassverteilerleitung in Fluidverbindung mit der Einlassöffnung und der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen, wobei der Einlassverteilerleitung eine Fluidverteilungskammer definiert, in der das durch die Einlassöffnung zugeführte Wärmeträgerfluid auf die Mehrzahl von Fluidströmungskanälen verteilt wird; (g) eine Auslassverteilerleitung in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung und der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen, wobei die Auslassverteilerleitung eine Fluidsammelkammer definiert, in der das durch die Auslassöffnung abgegebene Wärmeträgerfluid von der Mehrzahl von Fluidströmungskanälen gesammelt wird; (h) ein elektrisches Heizelement mit einem Flächenbereich; und (i) eine äußere Heizelement-Trägerfläche, auf der das elektrische Heizelement vorgesehen ist und die einen Flächenbereich aufweist, der gleich dem Flächenbereich des elektrischen Heizelements ist, wobei die äußere Heizelement-Trägerfläche direkt gegenüber einer Innenfläche des ersten Batterie-Wärmetauschers liegt, die zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung und/oder die Auslassverteilerleitung definiert.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 17, wobei die Einlass- und Auslassverteilerleitung des ersten Batterie-Wärmetauschers zumindest teilweise zwischen der ersten und der zweiten Platte an den Enden der Fluidströmungskanäle angeordnet sind.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 17 oder 18, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher eine Kühlplatte umfasst, die angepasst ist, eine oder mehrere Batteriezellen auf der Außenfläche der ersten Platte zu tragen.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die äußere Heizelement-Trägerfläche und das elektrische Heizelement des ersten Batterie-Wärmetauschers auf einer Außenfläche der zweiten Platte oder auf einer Außenfläche der ersten Platte vorgesehen sind.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die äußere Heizelement-Trägerfläche des ersten Batterie-Wärmetauschers direkt gegenüber einer Innenfläche des ersten Batterie-Wärmetauschers liegt, die zumindest teilweise die Fluidströmungskanäle definiert.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 17, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher außerdem eine erste Verteilerabdeckung aufweist, die abdichtend mit der Außenfläche der ersten Platte verbunden ist und eine erste externe Verteilerkammer umschließt, die zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung oder die Auslassverteilerleitung des ersten Batterie-Wärmetauschers definiert; wobei die erste Verteilerabdeckung länglich ist und sich quer über mindestens einen Bereich der ersten Platte erstreckt; wobei die Einlassöffnung oder die Auslassöffnung in der ersten Verteilerabdeckung vorgesehen sind; und wobei die erste Verteilerabdeckung eine flache Außenfläche aufweist, die die äußere Heizelement-Trägerfläche definiert, auf der das elektrische Heizelement vorgesehen ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 22, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher außerdem eine zweite Verteilerabdeckung aufweist, die abdichtend mit der Außenfläche der ersten Platte verbunden ist und eine zweite äußere Verteilerkammer umschließt, die zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung oder die Auslassverteilerleitung des ersten Batterie-Wärmetauschers definiert; wobei die zweite Verteilerabdeckung länglich ist und sich quer über mindestens einen Bereich der ersten Platte erstreckt; wobei die Einlassöffnung oder die Auslassöffnung in der zweiten Verteilerabdeckung vorgesehen sind; und wobei die zweite Verteilerabdeckung eine flache Außenfläche aufweist, die wahlweise eine zweite äußere Heizelement-Trägerfläche definiert, auf der ein zweites elektrisches Heizelement vorgesehen ist.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher außerdem eine Kurzschluss-Strömungsleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende umfasst, die zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung vorgesehen ist, um eine Kurzschluss-Rückführungsströmung direkt zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung zu ermöglichen; wobei eine sekundäre Umwälzpumpe zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung vorgesehen ist, wobei die sekundäre Umwälzpumpe zum Pumpen eines Volumens eines Wärmeträgerfluids geeignet ist, das in dem ersten Batterie-Wärmetauscher enthalten ist, wobei die Pumpe einen Einlass, der über die Kurzschluss-Strömungsleitung mit der Auslassverteilerleitung verbunden ist, und einen Auslass aufweist, der über die Kurzschluss-Strömungsleitung mit der Einlassverteilerleitung verbunden ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 17, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher außerdem eine erste und zweite Verteilerabdeckung aufweist, die abdichtend mit der Außenfläche der ersten Platte verbunden sind und eine erste und zweite äußere Verteilerkammer umschließen, die jeweils zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung oder die Auslassverteilerleitung des ersten Batterie-Wärmetauschers definieren; wobei die erste und zweite Verteilerabdeckung länglich ist und sich quer über mindestens einen Bereich der ersten Platte erstrecken; wobei die Einlass- und Auslassöffnungen in den ersten und zweiten Verteilerabdeckungen vorgesehen sind und nebeneinander, in der Nähe der Enden der Verteilerabdeckungen und an einer Längskante des ersten Batterie-Wärmetauschers angeordnet sind; wobei die Einlass- und Auslassöffnung mit rohrförmigen Armaturen mit Verlängerungen versehen sind, die über eine Außenkante des ersten Batterie-Wärmetauschers nach außen vorstehen und zur Verbindung mit den Leitungen des Zirkulationskreises geeignet sind.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 25, wobei das erste Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung mit der rohrförmigen Armatur verbunden ist, die sich von der Einlassöffnung aus erstreckt, und das zweite Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung mit der rohrförmigen Armatur verbunden ist, die sich von der Auslassöffnung aus erstreckt; und wobei die sekundäre Umwälzpumpe außerhalb der Längskante des ersten Batterie-Wärmetauschers angeordnet ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 26 außerdem ein Kurzschluss-Durchflussregelventil umfassend, das ausgebildet ist, abwechselnd den Durchfluss zwischen der ersten Öffnung und/oder der zweiten Öffnung und den Leitungen des Zirkulationskreises zu verhindern und ermöglichen.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der erste Batterie-Wärmetauscher außerdem eine erste und zweite Verteilerabdeckung aufweist, die abdichtend mit der Außenfläche der ersten Platte verbunden sind und eine erste und zweite externe Verteilerkammer umschließen, die jeweils zumindest teilweise die Einlassverteilerleitung oder die Auslassverteilerleitung des ersten Batterie-Wärmetauschers definieren; wobei die erste und zweite Verteilerabdeckung länglich ist und sich quer über mindestens einen Bereich der ersten Platte erstrecken; wobei die ersten und zweiten Verteilerabdeckungen Teil einer integrierten Verteilerabdeckstruktur sind, in der die ersten und zweiten äußeren Verteilerkammern durch eine Trennrippe getrennt sind; wobei sich die Kurzschluss-Strömungsleitung direkt zwischen der ersten und der zweiten Verteilerabdeckung erstreckt, um die erste externe Verteilerkammer und die zweite externe Verteilerkammer direkt zu verbinden; und wobei die sekundäre Umwälzpumpe innerhalb einer Pumpenkammer untergebracht ist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung vorgesehen ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern in Reihe miteinander verbunden sind, wobei die Einlassöffnung mindestens eines der Wärmetauscher mit der Auslassöffnung eines benachbarten der Wärmetauscher verbunden ist.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von wiederaufladbaren Batterieeinheiten eine Mehrzahl von Batteriezellen und die Mehrzahl von Batterie-Wärmetauschern eine Mehrzahl von ICE-Plattenwärmetauschern umfasst; wobei einer oder mehrere der ICE-Plattenwärmetauscher zwischen benachbarten Batteriezellen aufgenommen werden; wobei das Batteriemodul ferner eine Trägerstruktur zum Lagern der Mehrzahl von ICE-Plattenwärmetauschern und der Mehrzahl von Batteriezellen umfasst; wobei die Trägerstruktur Fluidströmungskanäle zum Zuführen von Wärmeträgerfluid zu den ICE-Plattenwärmetauschern und zum Abführen des Wärmeträgerfluids aus den ICE-Plattenwärmetauschern aufweist, und wobei die Fluidströmungskanäle der Trägerstruktur unter der Mehrzahl von ICE-Plattenwärmetauschern und der Mehrzahl von Batteriezellen in einer Basis der Trägerstruktur angeordnet sind.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 30, wobei die Trägerstruktur eine vordere Endplatte und eine hintere Endplatte aufweist, wobei die vordere Endplatte Einlass- und Auslassarmaturen aufweist, durch die das Wärmeträgerfluid den Fluidströmungskanälen der Trägerstruktur zugeführt und aus diesen abgeführt wird; und wobei die hintere Endplatte einen inneren Fluidströmungskanal aufweist, der eine Strömungsverbindung zwischen den Enden der Fluidströmungskanäle der Trägerstruktur vorsieht; wobei die hintere Endplatte weiterhin ein Ventil aufweist, um abwechselnd den inneren Fluidströmungskanal zu blockieren und den Durchfluss durch diesen zu ermöglichen; und wobei die äußere Heizelement-Trägerfläche und das elektrische Heizelement auf einer Außenfläche der hinteren Endplatte vorgesehen sind.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 31, außerdem eine Kurzschluss-Strömungsleitung mit einem ersten und einem zweiten Ende umfassend, die zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung vorgesehen ist, um eine Kurzschluss-Rückführungsströmung direkt zwischen den Einlass- und der Auslassarmaturen zu ermöglichen; wobei eine sekundäre Umwälzpumpe zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Kurzschluss-Strömungsleitung vorgesehen ist, wobei die sekundäre Umwälzpumpe zum Pumpen eines Volumens eines Wärmeträgerfluids geeignet ist, das in dem Batteriemodul enthalten ist, wobei die Pumpe einen Einlass, der über die Kurzschluss-Strömungsleitung mit der Auslassarmatur verbunden ist, und einen Auslass aufweist, der über die Kurzschluss-Strömungsleitung mit der Einlassarmatur verbunden ist.
Batteriemodul nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die äußere Heizelement-Trägerfläche und das elektrische Heizelement auf einer Außenfläche einer Sattelheizung vorgesehen sind, die auf der Unterseite des Basisteils der Trägerstruktur in unmittelbarer Nähe der Fluidströmungskanäle der Trägerstruktur vorgesehen ist; wobei die Sattelheizung eine Metallplatte mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche umfasst, wobei die untere Fläche die externe Heizelement-Trägerfläche definiert, auf der das elektrische Heizelement vorgesehen ist; und wobei sich die Metallplatte und/oder das elektrische Heizelement entlang eines Teils oder der gesamten Länge des Batteriemoduls erstreckt.
Batteriemodul nach Anspruch 33, wobei die Sattelheizung ferner eine oder mehrere wärmeleitende Lamellen aufweist, die von der oberen Fläche nach oben ragen und ausgebildet sind, sich zwischen den Batteriezellen und/oder den ICE-Plattenwärmetauschern des Batteriemoduls zu erstrecken.