JP5403766B2 - Vehicle cooling system - Google Patents

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Description

本発明は、冷却液回路を使用して、車両、特に電気自動車又はハイブリッド自動車のバッテリを冷却するための冷却システムに関する。
本発明は、さらに、冷却システムを動作させるための方法に関する。 The present invention relates to a cooling system for cooling a battery of a vehicle, in particular an electric vehicle or a hybrid vehicle, using a coolant circuit.
The invention further relates to a method for operating a cooling system.

電気自動車又はハイブリッド自動車で使用される大容量バッテリは、電気エネルギーを蓄積するために使用される。電源の供給元へ接続することにより、バッテリへエネルギーが供給される。ハイブリッド自動車では、さらに、自動車のブレーキプロセスの間にエネルギーを回収することができる。
動作時において、電気モータ及びパワーエレクトロニクス等の電気ドライブトレインの他の構成要素と、バッテリのバッテリセルとの両方の温度が上昇する。バッテリは、特に、放電及び充電時において最適な温度で動作する必要がある。高い動作温度は、バッテリセルに非常に高い熱負荷を生じさせる可能性があるため、プロセスにおいて生じた及び放出された熱は放散する必要がある。バッテリの温度耐性は限られているため、これらは、積極的に冷却する必要がある。バッテリ及びドライブトレインの他の電子構成要素を冷却するために適した媒体は、周囲空気、車内空気、冷媒及び冷却液である。冷却液として、例えば水及び／又はグリコールが使用される。
バッテリの冷却は、その寿命を延長させる。冷却されたバッテリの温度が、限られた範囲内のみで変動するように、バッテリの冷却を行うべきである。
しかしながら、最適な動作温度で電気自動車のバッテリを動作させるには、生成された熱を放散する必要があるだけでなく、特に始動時において周囲温度が低すぎる場合に、低温のバッテリに熱を提供する必要がある。 Large capacity batteries used in electric or hybrid vehicles are used to store electrical energy. By connecting to a power supply source, energy is supplied to the battery. Hybrid vehicles can also recover energy during the braking process of the vehicle.
In operation, the temperature of both the other components of the electric drive train, such as the electric motor and power electronics, and the battery cells of the battery rise. The battery needs to operate at an optimum temperature, especially during discharging and charging. Since high operating temperatures can cause very high heat loads on the battery cells, the heat generated and dissipated in the process needs to be dissipated. Since battery temperature tolerance is limited, they need to be actively cooled. Suitable media for cooling the battery and other electronic components of the drive train are ambient air, cabin air, refrigerant and coolant. For example, water and / or glycol is used as the cooling liquid.
Battery cooling extends its life. The battery should be cooled so that the temperature of the cooled battery fluctuates only within a limited range.
However, to operate an electric vehicle battery at an optimal operating temperature, it is not only necessary to dissipate the heat generated, but it also provides heat to the cold battery, especially when the ambient temperature is too low at start-up There is a need to.

電気自動車又はハイブリッド自動車で使用されるリチウムイオンバッテリは、狭い動作可能温度範囲を有する。低いバッテリセル温度、特に０℃以下の温度で、バッテリの電気出力を、セルの損傷を防ぐために低下させる必要がある。さらに、バッテリは、０℃未満の温度範囲で充電することはできない。
動作温度が上昇すると、リチウムイオンバッテリの電気効率は増加する。しかしながら、４０℃を超える温度では、バッテリセルの老化が進み、温度が５０℃よりも高い場合、セルを損傷させることになり得る。 Lithium ion batteries used in electric or hybrid vehicles have a narrow operable temperature range. At low battery cell temperatures, particularly below 0 ° C., the battery electrical output needs to be reduced to prevent cell damage. Furthermore, the battery cannot be charged in a temperature range below 0 ° C.
As the operating temperature increases, the electrical efficiency of the lithium ion battery increases. However, at temperatures above 40 ° C., the aging of the battery cell proceeds and if the temperature is higher than 50 ° C., the cells can be damaged.

特に、およそ４０℃を超えると既にパフォーマンスが制限される、リチウムイオンバッテリの場合、周囲空気を使用する冷却は、全環境条件において実現可能であるわけではない。外部空気温度値は、夏の暑い日において、４０℃の値に達するか、これを超える可能性があるため、未処理の周囲又は外部空気を使用した冷却は実現可能ではない。こうした外部条件において、生成された熱を制限するためにバッテリ出力を低減する場合がある。しかしながら、その場合、バッテリは、必要な最大出力を提供しない。
一方で、空気調整された車内から冷却空気を回収し、これをバッテリへ導くという可能性がある。
車内からの冷却空気を使用することは、周囲空気の使用よりも狭い温度範囲を可能にする一方で、しかしながら、車内からの空気の回収は、車両内のノイズを増加させ、したがって、快適性を低下させることになる。
加えて、０〜５Ｋの範囲の温度差で、温度分布の均質性についてかなり要求の厳しい、バッテリのための空冷を使用すると、個々のバッテリセルの間の温度変化が大きくなりすぎる可能性がある。温度変化を小さくするには、冷却は、非常に大きい空気質量流量を使用して実行する必要がある。上記の高いレベルの流動ノイズ及び周囲条件によって変化する冷却容量に加えて、さらに、大規模な送風機及び大きな流れ断面を使用して、空冷システムを使用する場合には、空気の経路指定のために大きな設置スペースが利用可能であることを確実にしなければならない。 In particular, for lithium ion batteries where performance is already limited above about 40 ° C., cooling using ambient air is not feasible under all environmental conditions. Cooling using untreated ambient or external air is not feasible because the external air temperature value can reach or exceed the value of 40 ° C. on hot summer days. Under these external conditions, the battery output may be reduced to limit the heat generated. In that case, however, the battery does not provide the maximum power required.
On the other hand, there is a possibility that the cooling air is recovered from the air-conditioned vehicle and led to the battery.
Using cooling air from inside the vehicle allows a narrower temperature range than using ambient air, however, the recovery of air from the inside of the vehicle increases noise in the vehicle and thus increases comfort. Will be reduced.
In addition, using air cooling for batteries, with temperature differences in the range of 0-5K, which are fairly demanding on the homogeneity of the temperature distribution, the temperature change between individual battery cells can be too large. . In order to reduce the temperature change, the cooling needs to be performed using a very large air mass flow rate. In addition to the high level of flow noise and cooling capacity that varies with ambient conditions, in addition, for air routing when using an air cooling system using large blowers and large flow cross sections, It must be ensured that a large installation space is available.

空調システムによって冷却される車内からの空気によるバッテリの冷却以外に、バッテリ冷却システムを車両の空調システムへ接続するための更なる方法が知られている。冷媒から直接、及び、空調システムの二次回路の両方によって、バッテリを冷却することが可能である。直接冷却により、冷媒は、バッテリ内部で上昇する熱を吸収するために、熱交換器に供給される。二次回路による冷却の際に、熱交換器内で吸収されるバッテリからの熱は、車両の空調システムへの第２の熱交換器内で放散される。例えば二次回路内で再循環される熱伝達媒体として、水又はグリコールを使用できる。
冷媒によってバッテリを冷却する際に、周囲条件が車内の空気調整を必要としない場合でも、車両空調システムの冷媒回路を動作させる必要があるため、コンプレッサの動作に電気エネルギーを使用する必要がある。
さらに、冷却液によってバッテリを冷却するために電気エネルギーが必要である。しかしながら、冷却液を提供するための電力は、冷却液回路の動作に必要なコンプレッサ電力よりも大幅に低い。低温の回路内では、冷却液がバッテリから吸収される熱を環境へと放散させる。バッテリの温度は４０℃を超えてはならないため、この動作は、知られているように、同様に４０℃未満の周囲温度でのみ可能である。
周囲空気温度が４０℃を超える場合、冷却液は、車両空調システムの冷媒回路によって周囲温度未満になるように冷却される。冷媒／冷却液熱交換器は、さらに、冷却装置とも称され、冷媒に対して蒸発器として動作される。その液体部分の大部分は蒸発器に入ると二相性（ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ）である冷媒は、必要な場合に蒸発及び過熱される。 In addition to cooling the battery with air from the interior of the vehicle cooled by the air conditioning system, further methods for connecting the battery cooling system to the vehicle air conditioning system are known. It is possible to cool the battery both directly from the refrigerant and by the secondary circuit of the air conditioning system. By direct cooling, the refrigerant is supplied to the heat exchanger to absorb the heat rising inside the battery. During cooling by the secondary circuit, the heat from the battery absorbed in the heat exchanger is dissipated in the second heat exchanger to the vehicle air conditioning system. For example, water or glycol can be used as a heat transfer medium that is recycled in the secondary circuit.
When the battery is cooled by the refrigerant, it is necessary to operate the refrigerant circuit of the vehicle air-conditioning system even when the ambient conditions do not require air conditioning in the vehicle, and thus it is necessary to use electric energy for the operation of the compressor.
Furthermore, electrical energy is required to cool the battery with the coolant. However, the power to provide the coolant is significantly lower than the compressor power required to operate the coolant circuit. In the low temperature circuit, the coolant dissipates the heat absorbed from the battery to the environment. Since the battery temperature should not exceed 40 ° C., this operation is only possible at ambient temperatures below 40 ° C. as is known.
When the ambient air temperature exceeds 40 ° C., the coolant is cooled by the refrigerant circuit of the vehicle air conditioning system so as to be less than the ambient temperature. The refrigerant / coolant heat exchanger is also referred to as a cooling device and operates as an evaporator for the refrigerant. The refrigerant, which is two-phase when the majority of its liquid portion enters the evaporator, is evaporated and superheated when necessary.

先行技術に従い、冷却装置の流出口における持続的な過熱を制御するように、冷却装置の上流に温度自動調節用膨張バルブを接続することが知られている。この目的のために、冷却装置で冷蔵容量が不要である動作状態のための遮断機能が、自動温度調節用膨張バルブに組み込まれる。遮断機能は、ソレノイドバルブ又はステッピングモータバルブによって実行される。
バッテリの温度が切り替え上限を超えると、バッテリは冷却する必要が生じ、ソレノイドバルブが開かれる。冷蔵容量は、自動温度調節用膨張バルブによって、「自動で」調節する。このプロセスによりバッテリが冷却される。低温側の切り替え限度未満に低下すると、ソレノイドバルブは閉じられる。バッテリの温度は、ゆっくりと再び上昇する。自動温度調節用膨張バルブ制御は機械的なものであるため、バッテリを冷却するための冷蔵容量を必要に応じて提供することはできず、これにより、バッテリ冷却プロセスの効率は低下する。バッテリは必要以上に強く冷却され、したがって、動作の効率性は低下する。必要な冷却容量が増加すると、バッテリ冷却を動作させるために生成される電力も増加する。 In accordance with the prior art, it is known to connect a self-regulating expansion valve upstream of the cooling device so as to control sustained overheating at the outlet of the cooling device. For this purpose, a shut-off function for an operating state in which no refrigeration capacity is required in the cooling device is incorporated into the automatic temperature regulating expansion valve. The shut-off function is performed by a solenoid valve or a stepping motor valve.
When the battery temperature exceeds the switching upper limit, the battery needs to be cooled and the solenoid valve is opened. The refrigeration capacity is adjusted “automatically” by an expansion valve for automatic temperature control. This process cools the battery. When the temperature drops below the switching limit on the low temperature side, the solenoid valve is closed. The battery temperature slowly rises again. Because the automatic temperature control expansion valve control is mechanical, it cannot provide the refrigeration capacity to cool the battery as needed, thereby reducing the efficiency of the battery cooling process. The battery is cooled more strongly than necessary, thus reducing the efficiency of operation. As the required cooling capacity increases, the power generated to operate battery cooling also increases.

独国特許出願公開第１０ ２００９ ０３５ ３２９号明細書（特許文献１）は、複数のシングルセルを含むバッテリを有する車両を動作させるための装置及び方法を開示している。冷却液回路内のポンプユニットから運搬される冷却液は、バッテリの筐体を通って流れる。冷却液回路は、熱交換器によって、冷媒回路と熱的に結合される。現在の周囲温度及び／又は車両の現在の速度に応じて、冷媒回路内に配置されたコンプレッサの回転速度は変動する。コンプレッサは、加えて、冷却装置として設計される熱交換器を介して、冷却液回路へ熱的に結合される。遮断バルブによって冷媒回路から水圧によって隔離できる冷却装置は、パルスモードで及び／又は断続的に動作される。したがって、蒸発器及び冷却装置は、個別に又は同時に、しかし冷媒と同じ圧力レベルで動作できる。   DE 10 2009 035 329 discloses a device and a method for operating a vehicle having a battery comprising a plurality of single cells. The coolant conveyed from the pump unit in the coolant circuit flows through the battery housing. The coolant circuit is thermally coupled to the refrigerant circuit by a heat exchanger. Depending on the current ambient temperature and / or the current speed of the vehicle, the rotational speed of the compressor arranged in the refrigerant circuit varies. The compressor is additionally thermally coupled to the coolant circuit via a heat exchanger designed as a cooling device. A cooling device that can be isolated from the refrigerant circuit by water pressure by means of a shut-off valve is operated in pulsed mode and / or intermittently. Thus, the evaporator and the cooling device can operate individually or simultaneously, but at the same pressure level as the refrigerant.

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０１２ ８９３号明細書（特許文献２）は、ストレージセルから構成されるバッテリの冷却のための冷却システムを開示している。バッテリは、バッテリケース内に収容される。必要に応じて冷却を提供するために、冷却システムは、熱を周囲空気へ伝達するための空気熱交換器を有する冷却液回路、冷却液体へ熱を伝達するための液体冷却器、好ましくは空調システムの冷媒回路内の冷媒、及び並列に接続された２つの熱交換器の間で切り替えるための３方向バルブを有する。バッテリセルケーシングの許容温度を上回る場合、軸方向ファンを有する外部空気熱交換器は３方向バルブを介して閉じられ、車両の空調システムへの直接の接続を有する液体冷却器が利用可能になる。   DE 10 2007 012 893 (Patent Document 2) discloses a cooling system for cooling a battery composed of storage cells. The battery is accommodated in a battery case. In order to provide cooling as needed, the cooling system comprises a coolant circuit having an air heat exchanger for transferring heat to ambient air, a liquid cooler for transferring heat to the cooling liquid, preferably air conditioning. It has a three-way valve for switching between the refrigerant in the refrigerant circuit of the system and two heat exchangers connected in parallel. If the allowable temperature of the battery cell casing is exceeded, the external air heat exchanger with the axial fan is closed via a three-way valve, and a liquid cooler with a direct connection to the vehicle air conditioning system becomes available.

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０１２ ８９３号明細書（特許文献２）のものと同様の冷却システムが、米国特許出願公開第２００９／０３２１５３２号明細書（特許文献３）に開示されている。冷却システムは、さらに、冷却液から車両の空調システムの冷媒へ熱を伝達させるための熱交換器及び空気熱交換器を有する冷却液回路を有する。熱交換器は、並列に接続され、３方向バルブを介して、必要に応じて接続される。この目的のために、流れは、両方の熱交換器を同時に流れ、ここで、冷却液から放散される出力に応じて、流れが、バイパスとしてこれを通過するように、熱交換器のうちの１つが非作動にされる。バッテリ及び接続される熱交換器の冷却容量の要求は、バッテリ及び環境の温度を決定するセンサによって決定される。   A cooling system similar to that of DE 10 2007 012 893 (patent document 2) is disclosed in US 2009/0321532 (patent document 3). The cooling system further includes a coolant circuit having a heat exchanger and an air heat exchanger for transferring heat from the coolant to the refrigerant of the vehicle air conditioning system. The heat exchangers are connected in parallel and connected as needed via a three-way valve. For this purpose, the flow flows through both heat exchangers simultaneously, where depending on the power dissipated from the coolant, the flow passes through it as a bypass. One is deactivated. The cooling capacity requirements of the battery and the connected heat exchanger are determined by sensors that determine the temperature of the battery and the environment.

独国特許出願公開第１０ ２００９ ０３５ ３２９号明細書German Patent Application Publication No. 10 2009 035 329 独国特許出願公開第１０ ２００７ ０１２ ８９３号明細書German Patent Application Publication No. 10 2007 012 893 米国特許出願公開第２００９／０３２１５３２号明細書US Patent Application Publication No. 2009/0321532

先行技術による公知の装置は、本質的に、車内の空気を調整するための蒸発器と並列に、冷却装置を動作させる。冷媒ラインは、蒸発器及び冷却装置のそれぞれの下流に互いに接続されるため、冷媒は同じ圧力を有し、そのため、両方の構成要素において同じ蒸発温度レベルを有する。したがって、冷却装置内の圧力レベル及び温度レベルは、車両空調システムの蒸発器とは無関係に制御することができない。   Known devices according to the prior art essentially operate a cooling device in parallel with an evaporator for regulating the air in the vehicle. Since the refrigerant lines are connected to each other downstream of the evaporator and the cooling device, the refrigerant has the same pressure, and thus has the same evaporation temperature level in both components. Therefore, the pressure level and temperature level in the cooling device cannot be controlled independently of the evaporator of the vehicle air conditioning system.

本発明の目的は、車両のバッテリの冷却、及び、特に、電気自動車又はハイブリッド自動車の車内に供給される空気の調整の組み合わせのためのシステム及び方法を提供することである。冷却システムは、動作について、車両の駆動システム及び空調システムの効率を最大限にするため、バッテリ冷却用に生成する電気エネルギーを最小にしなければならないように、設計する必要がある。   It is an object of the present invention to provide a system and method for the combination of cooling of a vehicle battery and, in particular, regulation of the air supplied into an electric or hybrid vehicle. The cooling system must be designed so that, in operation, the electrical energy generated for battery cooling must be minimized in order to maximize the efficiency of the vehicle drive system and air conditioning system.

本発明は、バッテリの冷却及び車内へ供給される空気の調整の組み合わせのための冷却システムによって、この目的が実現されることを教示する。冷却システムは、ポンプ装置を有する冷却液回路、冷却液とバッテリとの間で熱を伝達させるための熱交換器、冷却液と環境との間で熱を伝達させるための熱交換器、さらに、冷却液と車両空調システムの冷媒回路内を再循環する冷媒との間で熱を伝達させるための熱交換器を有する。冷却液と冷媒との間で熱を伝達させるための熱交換器は、冷媒側の蒸発器として設計され、以降、冷却装置とも称される。   The present invention teaches that this object is achieved by a cooling system for the combination of cooling the battery and regulating the air supplied to the vehicle. The cooling system includes a coolant circuit having a pump device, a heat exchanger for transferring heat between the coolant and the battery, a heat exchanger for transferring heat between the coolant and the environment, A heat exchanger is provided for transferring heat between the coolant and the refrigerant that is recirculated in the refrigerant circuit of the vehicle air conditioning system. The heat exchanger for transferring heat between the coolant and the refrigerant is designed as an evaporator on the refrigerant side, and is hereinafter also referred to as a cooling device.

本発明によれば、冷却液回路は、２つの膨張器と共に設計される。ここで、第１の膨張器は、冷媒流れ方向において、冷却装置の上流に直接配置され、第２の膨張器は、冷却装置の下流に直接配置される。ここで、「直接」とは、構成要素が（構成要素は、第１の膨張器及び冷却装置、並びに冷却装置及び第２の膨張器である）接続ラインを除き、その間に配置される冷媒回路の更なる構成要素なしに、直接連続して、互いに追随することを意味することが理解される。冷却液と冷媒との間で熱を伝達するための熱交換器として機能する冷却装置は、冷却液回路及び冷媒回路の熱的結合を表す。   According to the invention, the coolant circuit is designed with two expanders. Here, the first expander is directly disposed upstream of the cooling device in the refrigerant flow direction, and the second expander is directly disposed downstream of the cooling device. Here, “directly” refers to a refrigerant circuit in which components are disposed between them except for a connection line (the components are a first expander and a cooling device, and a cooling device and a second expander). It is understood that it means to follow each other directly in succession without any further components. A cooling device that functions as a heat exchanger for transferring heat between the coolant and the refrigerant represents the thermal coupling of the coolant circuit and the refrigerant circuit.

冷媒回路は、好ましくは、車内に供給される流入空気を調整するための空調システムの構成要素として提供される。本発明によって教示されるように、冷却システムの冷媒と冷却液との間で熱を伝達するための熱交換器以外に、冷媒回路は、同様に冷媒の蒸発器として動作される空気／冷媒熱交換器として設計される更なる熱交換器を含む。
閉じた冷媒回路は、さらに、蒸発器として設計される空気／冷媒熱交換器に関連付けられる膨張器と同様に、冷媒コンプレッサ、コンデンサを含む。 The refrigerant circuit is preferably provided as a component of an air conditioning system for adjusting the incoming air supplied into the vehicle. As taught by the present invention, in addition to a heat exchanger for transferring heat between the refrigerant and coolant of the cooling system, the refrigerant circuit is also operated as a refrigerant evaporator air / refrigerant heat. Includes a further heat exchanger designed as an exchanger.
The closed refrigerant circuit further includes a refrigerant compressor, a condenser, as well as an expander associated with an air / refrigerant heat exchanger designed as an evaporator.

本発明の第１の実施形態では、冷却液と冷媒回路内の冷媒との間で熱を伝達させるための熱交換器は、車両空調システムの蒸発器として設計される空気／冷媒熱交換器と並列に接続される。
第２の実施形態では、冷却装置は、冷媒流れ方向において、並列ではなく、直列に及び／又は直列接続として、車両空調システムの空気／冷媒熱交換器の上流又は下流に組み込まれる。 In the first embodiment of the present invention, the heat exchanger for transferring heat between the coolant and the refrigerant in the refrigerant circuit is an air / refrigerant heat exchanger designed as an evaporator of a vehicle air conditioning system. Connected in parallel.
In the second embodiment, the cooling device is incorporated upstream or downstream of the air / refrigerant heat exchanger of the vehicle air conditioning system in series and / or as a series connection, rather than in parallel, in the refrigerant flow direction.

冷媒側の冷却装置の周囲に配置された膨張器は、好ましくは、調整可能な膨張バルブとして設計される。冷却装置上の冷媒回路は、冷却液と冷媒との間の熱伝達の温度レベルが空気／冷媒熱交換器内の熱伝達の温度レベルとは無関係に調整可能となるように、２段階の膨張で有利に動作できる。
調整可能な膨張バルブは自動温度調節用膨張バルブであり、これは、好ましくは、外部から操作可能となるように設計される。 The expander arranged around the refrigerant-side cooling device is preferably designed as an adjustable expansion valve. The refrigerant circuit on the chiller has a two-stage expansion so that the temperature level of the heat transfer between the coolant and the refrigerant can be adjusted independently of the temperature level of the heat transfer in the air / refrigerant heat exchanger. Can operate advantageously.
The adjustable expansion valve is an automatic temperature regulating expansion valve, which is preferably designed to be operable from the outside.

本発明の更なる有利な実施形態では、ファンは、空気／冷却液熱交換器として、冷却液と環境との間で熱を伝達させるための熱交換器に関連付けられることにあり、前記ファンは、速度制御可能となるように設計される。したがって、冷却液から空気へ伝達される熱が変化できるように、空気／冷却液熱交換器の熱伝達表面における周囲空気の質量流を調節可能である。   In a further advantageous embodiment of the invention, the fan is associated with a heat exchanger for transferring heat between the coolant and the environment as an air / coolant heat exchanger, Designed to be speed controllable. Thus, the mass flow of the ambient air at the heat transfer surface of the air / coolant heat exchanger can be adjusted so that the heat transferred from the coolant to the air can be varied.

本発明によって教示されているように、車両のバッテリを冷却するための冷却システムを動作させるための方法において、バッテリから放散される熱が、バッテリ冷却器とも称される熱交換器において冷却液へ伝達される。この目的のために、閉じた冷却液回路内でポンプ装置によって再循環される冷却液が、冷却装置として知られる熱交換器を介して冷媒へ熱的に結合される。冷媒は、次に、閉じた冷媒回路内を循環する。
バッテリから冷却液へ伝達され、次に冷却液から放散される熱は、バッテリ冷却器として設計された熱交換器への冷却液の流入温度に応じて、及び、周囲温度に応じて、制御される。周囲温度は、特に、周囲空気の温度である。熱は、熱交換器内の冷却液から、周囲空気及び／又は冷却装置内の冷媒へと伝達される。 As taught by the present invention, in a method for operating a cooling system for cooling a vehicle battery, heat dissipated from the battery is transferred to coolant in a heat exchanger, also referred to as a battery cooler. Communicated. For this purpose, the coolant recirculated by the pumping device in the closed coolant circuit is thermally coupled to the refrigerant via a heat exchanger known as a cooling device. The refrigerant then circulates in the closed refrigerant circuit.
The heat transferred from the battery to the coolant and then dissipated from the coolant is controlled according to the coolant inlet temperature to the heat exchanger designed as a battery cooler and according to the ambient temperature. The The ambient temperature is in particular the ambient air temperature. Heat is transferred from the coolant in the heat exchanger to ambient air and / or refrigerant in the cooling device.

本発明によれば、冷媒回路内の冷却装置は、冷媒流れ方向において、上流に第１の膨張器、及び下流に第２の膨張器を有する蒸発器として動作される。同時に、冷媒回路内に組み込まれ、蒸発器としても設計される空気／冷媒熱交換器が動作される。この目的のために、冷却装置内の冷媒の蒸発の温度レベルは、空気／冷媒熱交換器内の蒸発の温度レベルとは無関係に、有利に制御される。
冷媒の蒸発の温度レベル以外に、冷却装置を通る冷媒の質量流が、膨張器によって調整される。 According to the present invention, the cooling device in the refrigerant circuit is operated as an evaporator having a first expander upstream and a second expander downstream in the refrigerant flow direction. At the same time, an air / refrigerant heat exchanger is operated that is integrated into the refrigerant circuit and also designed as an evaporator. For this purpose, the temperature level of the evaporation of the refrigerant in the cooling device is advantageously controlled independently of the temperature level of the evaporation in the air / refrigerant heat exchanger.
In addition to the temperature level of refrigerant evaporation, the mass flow of refrigerant through the cooling device is regulated by an expander.

本発明による方法の好適な一実施形態では、蒸発器として設計される車両の空調システムの空気／冷媒熱交換器と、冷媒流れ方向において、上流に第１の膨張器及び下流に第２の膨張器を含む冷却液と冷媒との間で熱を伝達させるための蒸発器は、冷媒回路内で、互いに並列接続されて動作される。
この目的のために、制御可能な膨張バルブ、特に、自動温度調節用膨張バルブとして有利に設計される膨張バルブは、外部から操作される。冷却装置へと流れる前に、及び、冷却装置から流出後に必要な場合に、冷媒が減圧される。冷却装置の上流及び下流で冷媒を減圧するプロセスのために、冷媒回路は、２段階の膨張で動作される。冷却システムの動作時において、２段階の膨張によって生成される冷却装置内の冷媒の中間圧力レベルは、バッテリの冷却要求及び周囲温度により、種々の蒸発の温度レベルに調整及び変更される。中間圧力は、冷却装置内の圧力レベルに相当する、第１の膨張器における第１の膨張後の圧力を意味することが理解される。
冷媒／冷却液の熱交換器内の冷却液と冷媒との間の熱伝達の温度レベルは、したがって、車両空調システムの蒸発器とは無関係に、有利に制御できる。 In a preferred embodiment of the method according to the invention, an air / refrigerant heat exchanger of a vehicle air conditioning system designed as an evaporator and a first expander upstream and a second expansion downstream in the direction of refrigerant flow. The evaporator for transferring heat between the coolant including the vessel and the refrigerant is operated in parallel with each other in the refrigerant circuit.
For this purpose, controllable expansion valves, in particular expansion valves that are advantageously designed as expansion valves for automatic temperature control, are operated from the outside. The refrigerant is depressurized before it flows into the cooling device and when needed after it has flowed out of the cooling device. For the process of depressurizing the refrigerant upstream and downstream of the cooling device, the refrigerant circuit is operated in two stages of expansion. During operation of the cooling system, the intermediate pressure level of the refrigerant in the cooling device generated by the two-stage expansion is adjusted and changed to various evaporation temperature levels depending on the battery cooling requirements and ambient temperature. Intermediate pressure is understood to mean the pressure after the first expansion in the first expander, which corresponds to the pressure level in the cooling device.
The temperature level of the heat transfer between the coolant and the coolant in the coolant / coolant heat exchanger can therefore be advantageously controlled independently of the evaporator of the vehicle air conditioning system.

加えて、バッテリから放散される熱は、好ましくは、電気的に駆動されたポンプ装置を使用して、バッテリ冷却器を通る冷却液の流量によって、連続的に制御される。冷却液ポンプの補助により、冷却液は、必要に応じて、冷却液回路内で再循環される。   In addition, the heat dissipated from the battery is preferably continuously controlled by the coolant flow rate through the battery cooler, preferably using an electrically driven pumping device. With the aid of a coolant pump, the coolant is recirculated in the coolant circuit as needed.

本発明による方法の改良では、バッテリ冷却器を流れる間に冷却液に伝達される熱は、周囲温度が低い場合、空気／冷却液熱交換器として設計される熱交換器内の周囲空気へ放出される。低い周囲温度は、最大で３０℃の周囲空気温度の値で存在する。
空気／冷却液熱交換器を通って導かれる周囲空気の質量流は、熱交換器に関連付けられたファンの回転速度によって制御される。冷却液から冷媒へ熱を伝達するための冷却装置が作動停止される。空気／冷却液熱交換器から流出した後で、冷却液は冷却装置の周囲のバイパスを通って流れ、及び／又は、流れは、冷却装置の冷媒側を全く通らない。いずれの制御形態をとっても、冷却液から冷媒へ熱は伝達されない。 In an improvement of the method according to the invention, the heat transferred to the coolant while flowing through the battery cooler is released to the ambient air in a heat exchanger designed as an air / coolant heat exchanger when the ambient temperature is low. Is done. Low ambient temperatures exist with values of ambient air temperature of up to 30 ° C.
The ambient air mass flow conducted through the air / coolant heat exchanger is controlled by the rotational speed of the fan associated with the heat exchanger. The cooling device for transferring heat from the coolant to the refrigerant is deactivated. After exiting the air / coolant heat exchanger, the coolant flows through a bypass around the cooling device and / or no flow passes through the refrigerant side of the cooling device. Regardless of the control mode, heat is not transferred from the coolant to the refrigerant.

バッテリ冷却器への冷却液の流入温度が許容温度を超える場合に、冷却液から放散される熱は、空気／冷却液熱交換器内の周囲空気へ、及び、冷却装置内の冷媒へ伝達される。したがって、冷媒へ熱を伝達するための冷却装置が動作される。冷却液は、今度は、冷却装置を通り、冷却装置の周囲のバイパスは通らずに流れる。同時に、流れは、さらに、冷却装置の冷媒側を通過する。冷却装置内の冷媒の蒸発の温度レベルは、冷蔵容量と同様に、上流及び下流の膨張バルブの断面を変化させることによって制御される。冷却装置及び空気／冷却液熱交換器の同時の及び／又は組み合わせられた使用の方法は、特に中間的な周囲空気温度、例えば、空気温度が３０℃〜４０℃である場合に動作される。   When the coolant inlet temperature to the battery cooler exceeds the allowable temperature, the heat dissipated from the coolant is transferred to the ambient air in the air / coolant heat exchanger and to the refrigerant in the cooling device. The Therefore, the cooling device for transferring heat to the refrigerant is operated. The coolant now flows through the cooling device and not through the bypass around the cooling device. At the same time, the flow further passes through the refrigerant side of the cooling device. The temperature level of the evaporation of the refrigerant in the cooling device is controlled by changing the cross section of the upstream and downstream expansion valves, similar to the refrigeration capacity. The method of simultaneous and / or combined use of the cooling device and the air / coolant heat exchanger is operated in particular when the intermediate ambient air temperature, for example, the air temperature is between 30 ° C. and 40 ° C.

高い周囲温度で、冷却液から放散される熱は、冷却装置内の冷媒に伝達される。高い周囲温度は、４０℃以上の周囲空気温度の値で存在する。冷却装置内の冷媒の蒸発の温度レベルも、冷蔵容量と同様に、上流及び下流の膨張バルブの断面を変化させることにより、変化する。熱を周囲空気へ伝達させるための空気／冷却液熱交換器が作動停止される。この目的のために、熱交換器のファンのみが遮断され、その結果、熱交換器の空気側がブロックされる、又は、冷却液回路のそれぞれの構成に基づいて、冷却液は、冷却液が熱交換器を流れないように、バイパスによって、熱交換器の周りに導かれる。この場合、空気／冷却液熱交換器が冷却液側で遮断される、及び／又は、冷却液回路から水圧によって隔離される。両方の場合において、熱は、空気／冷却液熱交換器内の周囲空気へ伝達されない。   At high ambient temperatures, the heat dissipated from the coolant is transferred to the refrigerant in the cooling device. High ambient temperatures exist with values of ambient air temperature above 40 ° C. The temperature level of the evaporation of the refrigerant in the cooling device is also changed by changing the cross sections of the upstream and downstream expansion valves, similar to the refrigeration capacity. The air / coolant heat exchanger for transferring heat to the ambient air is deactivated. For this purpose, only the heat exchanger fan is shut off, so that the air side of the heat exchanger is blocked or, depending on the respective configuration of the coolant circuit, the coolant is heated by the coolant. In order not to flow through the exchanger, it is guided around the heat exchanger by bypass. In this case, the air / coolant heat exchanger is shut off on the coolant side and / or isolated from the coolant circuit by water pressure. In both cases, heat is not transferred to the ambient air in the air / coolant heat exchanger.

本発明による方法の更なる利点は、車両の空調システムの冷却液回路が空気ヒートポンプとして動作される場合に生じる。この目的のために、周囲空気は、蒸発器として設計される冷媒回路の空気／冷媒熱交換器の周囲を流れる。こうして、周囲空気は熱源として利用される。バッテリ冷却器への冷却液の必要な流入温度よりも低い周囲温度において、冷却装置内の冷媒の蒸発の温度レベルは、冷蔵容量と同様に、バッテリ冷却器内の冷却液の必要に応じて、膨張バルブの断面を変化させることにより、制御される。   A further advantage of the method according to the invention arises when the coolant circuit of the vehicle air conditioning system is operated as an air heat pump. For this purpose, the ambient air flows around the air / refrigerant heat exchanger of the refrigerant circuit designed as an evaporator. Thus, ambient air is utilized as a heat source. At ambient temperatures lower than the required inflow temperature of the coolant to the battery cooler, the temperature level of the evaporation of the refrigerant in the cooling device, as well as the refrigeration capacity, depends on the need for the coolant in the battery cooler, It is controlled by changing the cross section of the expansion valve.

バッテリの温度を連続的に制御するための本発明による解決法は、最適な温度でのバッテリの動作を可能にし、以下の多様な利点、すなわち、
−最大効率及び最小限のバッテリ電力損失、
−バッテリの調整のための最小限の電力消費、
−システム全体の、特に駆動システムの最大効率、
及び、したがって、
−車両の最大動作範囲、を有する。
加えて、本発明による解決法では、冷却液回路は、空調システムの冷媒回路にこのように熱的に結合され、冷媒回路は、両方のシステムを異なる温度レベルで動作できるため、車内がバッテリの冷却とは無関係に調整されるように設計される。 The solution according to the invention for continuously controlling the temperature of the battery allows the operation of the battery at an optimal temperature and has the following various advantages:
-Maximum efficiency and minimum battery power loss,
-Minimum power consumption for battery conditioning,
The maximum efficiency of the entire system, in particular the drive system,
And therefore
-The maximum operating range of the vehicle;
In addition, in the solution according to the invention, the coolant circuit is thus thermally coupled to the refrigerant circuit of the air conditioning system, which can operate both systems at different temperature levels, so Designed to be adjusted independently of cooling.

本発明の更なる事項、特徴及び利点は、関連する図面を参照して、例示的な実施形態の以下の記載から明らかであろう。   Further items, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments, with reference to the associated drawings.

ヒートシンクとして空気及び／又は車両空調システムの冷媒を有する冷却液回路を含む、冷却システムである。A cooling system comprising a coolant circuit having air and / or a vehicle air conditioning system refrigerant as a heat sink. 空気／冷却液熱交換器の周囲にバイパスを含む、冷却システムである。A cooling system that includes a bypass around the air / coolant heat exchanger.

図１は、熱を冷却させ、及び／又は化学エネルギー蓄積装置２から放散させるように設計される冷却液回路３を含む冷却システム１を示す。以降、バッテリ２とも称されるエネルギー蓄積装置２の代わりに、エンジン又はパワーエレクトロニクス等の車両のドライブトレインの他の構成要素を、冷却システム１に熱的に結合させることも可能である。
冷却液回路３は、冷却液を供給するためのポンプ装置１３を有する。冷却液流れ方向において、熱交換器５は冷却液ポンプの下流に配置され、熱交換器はバッテリ２に熱的に結合される。この目的のために、種々の熱伝達が考えられる。冷却液は、バッテリセルの間で形成される空間を直接通って流れ、こうして、バッテリセルの表面と直接接する。あるいは、熱は、バッテリ２の筐体の接触表面を介して、冷却液へ伝達される。 FIG. 1 shows a cooling system 1 including a coolant circuit 3 designed to cool and / or dissipate heat from a chemical energy storage device 2. Thereafter, instead of the energy storage device 2, also referred to as the battery 2, other components of the vehicle's drivetrain, such as an engine or power electronics, can be thermally coupled to the cooling system 1.
The coolant circuit 3 has a pump device 13 for supplying coolant. In the coolant flow direction, the heat exchanger 5 is disposed downstream of the coolant pump, and the heat exchanger is thermally coupled to the battery 2. Various heat transfers are conceivable for this purpose. The coolant flows directly through the space formed between the battery cells and thus directly contacts the surface of the battery cells. Alternatively, the heat is transferred to the coolant via the contact surface of the battery 2 housing.

冷却液流れ方向において、更なる熱交換器６がバッテリ冷却器５の下流に配置され、熱交換器は、再び、バッテリ冷却器５から吸収する熱を環境へ、一般的には、周囲空気へ放散する。改善された熱伝達のために、低温度冷却器６又は空気／冷却液熱交換器６とも称される熱交換器６は、熱交換器６を通って及び／又はその表面上に空気質量流を供給する、ファン７と共に設計される。冷却液の質量流を変化させ、したがって、電気的に駆動される冷却液ポンプ１３の出力を変化させることにより、冷却液流量を制御することにより、バッテリ冷却器５内の冷却液の熱吸収及び周囲空気への熱交換器６内の熱放散は、共に、連続的に制御できる。加えて、低温度冷却器６内の熱伝達は、通過する空気の体積によって、変化できる。空気の質量流は、送風機７の回転速度を調整、遮断、又は変化させることによって変化する。   In the direction of the coolant flow, a further heat exchanger 6 is arranged downstream of the battery cooler 5, which again heats absorbed from the battery cooler 5 to the environment, generally to ambient air. Dissipate. For improved heat transfer, the heat exchanger 6, also referred to as the low temperature cooler 6 or the air / coolant heat exchanger 6, passes the air mass flow through and / or over the heat exchanger 6. Designed with fan 7 to supply By controlling the coolant flow rate by changing the mass flow of the coolant and thus changing the output of the electrically driven coolant pump 13, heat absorption of the coolant in the battery cooler 5 and Both the heat dissipation in the heat exchanger 6 to the ambient air can be controlled continuously. In addition, the heat transfer in the low-temperature cooler 6 can vary depending on the volume of air passing through. The mass flow of air changes by adjusting, blocking, or changing the rotational speed of the blower 7.

熱交換器６から流出した後で、冷却液は、冷却液の質量流を流路９及びバイパス１１に分割できる分岐８へ流れる。流路９及びバイパス１１は、共に、Ｔ字部分１２として設計されるマウスポイント１２へと延伸する。冷却液は、マウスポイント１２からポンプ装置１３へ流れる。冷却液回路３は閉じられる。
分岐８とマウスポイント１２との間で、流路９は熱交換器１０を有し、これを通って、一方の側で冷却液が流れ、他方の側で車両の空調システムの冷媒が流れる。冷却液回路３は、冷媒／冷却液熱交換器１０を介して、冷媒回路４へ熱的に結合される。冷媒回路４に対して蒸発器１０として動作される冷媒／冷却液熱交換器１０内部では、これを通って流れる冷媒は、熱を吸収する気体状態へ変換される。冷却液から熱が回収され、冷却される。バイパス１１は、冷媒への熱伝達が行われないように、熱交換器１０を通過する冷却液の誘導の操作の制御ついて選択肢を提供する。
分岐８は、３方向バルブ及び／又は切り替えバルブ８として設計される。一方の側では、冷却液は、冷却液回路３が直接、冷媒回路４へ接続されるように、冷却装置１０とも称される蒸発器１０を使用して、流路９を介して導くことができる。他方の側では、冷却液は、切り替えバルブ８を使用してバイパス１１を通り、蒸発器１０の周囲に導くことができる。あるいは、冷却液の質量流は、流路９及びバイパス１１を形成するように、分岐８において分岐させることもできる。 After flowing out of the heat exchanger 6, the coolant flows to a branch 8 that can divide the mass flow of coolant into a flow path 9 and a bypass 11. Both the channel 9 and the bypass 11 extend to a mouse point 12 that is designed as a T-shaped portion 12. The coolant flows from the mouse point 12 to the pump device 13. The coolant circuit 3 is closed.
Between the branch 8 and the mouth point 12, the flow path 9 has a heat exchanger 10, through which the coolant flows on one side and the refrigerant of the vehicle air conditioning system on the other side. The coolant circuit 3 is thermally coupled to the coolant circuit 4 via the coolant / coolant heat exchanger 10. Inside the refrigerant / coolant heat exchanger 10 operating as an evaporator 10 with respect to the refrigerant circuit 4, the refrigerant flowing through it is converted into a gaseous state that absorbs heat. Heat is recovered from the coolant and cooled. The bypass 11 provides an option for controlling the operation of guiding the coolant passing through the heat exchanger 10 so that heat transfer to the refrigerant is not performed.
The branch 8 is designed as a three-way valve and / or a switching valve 8. On one side, the coolant is guided through the flow path 9 using an evaporator 10, also referred to as a cooling device 10, so that the coolant circuit 3 is directly connected to the refrigerant circuit 4. it can. On the other side, the coolant can be directed around the evaporator 10 through the bypass 11 using the switching valve 8. Alternatively, the mass flow of the cooling liquid can be branched at the branch 8 so as to form the flow path 9 and the bypass 11.

冷却液からの熱は、冷却装置１０内の車両の空調システムの冷媒に伝達される。このため、冷媒回路４は、図示されておらずコンプレッサを含む従来の構成要素、及び環境へ熱を伝達するための熱交換器、さらに、車内への流入空気を調整するための空気／冷媒の熱交換器１９を含む。冷却装置１０は、好ましくは、流入空気を調整するために、蒸発器１９として設計される、空気／冷媒の熱交換器１９と並列に接続され、制御可能な膨張バルブ１４、１５及び／又は自動温度調節用膨張バルブとして設計される２つの膨張器１４、１５を含む。この目的のために、冷媒流れ方向において、第１の膨張バルブ１４は、上流に配置され、第２の膨張バルブ１５は、蒸発器１０の下流に配置される。冷却液回路４は、外部から操作可能な膨張バルブ１４、１５によって、冷却装置１０における２段階の膨張で動作可能である。例えば、第１の膨張バルブ１４による中間圧力レベルへの減圧を使用して、中間圧力を使用する動作のオプションのために、冷却装置１０内の冷媒の種々の蒸発圧力及び／又は蒸発温度を、冷媒側で調整可能である。こうして、冷媒による熱吸収の温度レベルを、次第に変化させることもできる。さらに、冷却装置１０を通る冷媒の質量流は、調整可能な膨張バルブ１４、１５の補助により調整される。
あるいは、冷却装置１０は、車内への流入空気の調整のために、冷媒回路４内の蒸発器１９の上流又は下流で直列に配置することもできる。 Heat from the coolant is transmitted to the refrigerant in the vehicle air conditioning system in the cooling device 10. For this reason, the refrigerant circuit 4 is not shown, but includes conventional components including a compressor, a heat exchanger for transferring heat to the environment, and an air / refrigerant for adjusting the inflow air into the vehicle. A heat exchanger 19 is included. The cooling device 10 is preferably connected in parallel with an air / refrigerant heat exchanger 19, designed as an evaporator 19, to control the incoming air, and a controllable expansion valve 14, 15 and / or automatic. It includes two expanders 14, 15 that are designed as temperature regulating expansion valves. For this purpose, in the refrigerant flow direction, the first expansion valve 14 is arranged upstream and the second expansion valve 15 is arranged downstream of the evaporator 10. The coolant circuit 4 can be operated in two stages of expansion in the cooling device 10 by expansion valves 14 and 15 that can be operated from the outside. For example, various evaporation pressures and / or evaporation temperatures of the refrigerant in the refrigeration system 10 may be used for options of operation using intermediate pressure using a decompression to an intermediate pressure level by the first expansion valve 14. Adjustment is possible on the refrigerant side. In this way, the temperature level of heat absorption by the refrigerant can be gradually changed. Furthermore, the mass flow of refrigerant through the cooling device 10 is adjusted with the aid of adjustable expansion valves 14, 15.
Or the cooling device 10 can also be arrange | positioned in series upstream or downstream of the evaporator 19 in the refrigerant circuit 4 for adjustment of the inflow air into a vehicle.

図２は、低温度冷却器６の周囲のバイパス１８の拡張を有する、図１からの冷却システム１を示す。分岐１６からマウスポイント１７へと延在するバイパス１８の空気により、冷却液を、冷却器６の周囲に導くことができる。冷却流れ方向において、Ｔ字部分１６として設計される分岐１６は、熱交換器６の上流に配置され、マウスポイント１７は、熱交換器６の下流に配置される。冷媒の質量流は、切り替えバルブ１７及び／又はマウスポイント１７として機能する３方向バルブ１７の補助によって制御される。冷却の質量流は、完全に冷却器６を通って、又は低温度冷却器６の周囲のバイパス１８を通って、必要に応じて導かれる。   FIG. 2 shows the cooling system 1 from FIG. 1 with an extension of the bypass 18 around the low temperature cooler 6. Coolant can be directed around the cooler 6 by the air in the bypass 18 extending from the branch 16 to the mouse point 17. In the cooling flow direction, the branch 16 designed as a T-shaped portion 16 is arranged upstream of the heat exchanger 6, and the mouth point 17 is arranged downstream of the heat exchanger 6. The mass flow of the refrigerant is controlled with the aid of a switching valve 17 and / or a three-way valve 17 that functions as a mouse point 17. The cooling mass flow is directed as needed either completely through the cooler 6 or through the bypass 18 around the low temperature cooler 6.

バッテリ２への冷却液の流入温度は、周囲温度に応じて、異なるモードで制御される。   The temperature at which the coolant flows into the battery 2 is controlled in different modes according to the ambient temperature.

最大で３０℃の空気温度等の低い周囲温度において、バッテリ２への冷却液の流入温度は、低温度冷却器６における周囲空気の質量流を導くファン７の速度により、制御される。その結果、冷却温度は、熱交換器６によってのみ制御される。熱交換器６を通過後に、冷却液は冷却装置１０の周囲のバイパス１１を通って流れる、すなわち冷却装置１０の冷却液側は作動停止される。この場合、冷却液は蒸発器１０を通って流れない。冷却液は、切り替えバルブ８の２つの制御形態のいずれをとっても、冷媒へ熱を放散しない。
熱交換器６は、最大で３０℃の周囲空気温度で、ファン７と共に動作される。特別に空冷された冷却液の温度が、バッテリ２の冷却のための許容温度を超える場合にのみ、冷却液回路４の熱交換器１０がさらに動作される。空気によって冷却液を特別に冷却する方法において、低温度冷却器６を動作させる利点は、冷却液回路４、したがって車両の空調システムが、およそ３０℃を超える周囲空気温度でのみ動作されるということである。したがって、車両の空調システムは、連続的に動作させる必要はないため、車両の駆動に利用可能なエネルギーが節約され、車両の動作範囲が最小限にされる。 At low ambient temperatures, such as an air temperature of up to 30 ° C., the inflow temperature of the coolant to the battery 2 is controlled by the speed of the fan 7 that guides the mass flow of ambient air in the low temperature cooler 6. As a result, the cooling temperature is controlled only by the heat exchanger 6. After passing through the heat exchanger 6, the coolant flows through the bypass 11 around the cooling device 10, i.e., the coolant side of the cooling device 10 is deactivated. In this case, the coolant does not flow through the evaporator 10. The cooling liquid does not dissipate heat to the refrigerant, regardless of which of the two control modes of the switching valve 8 is taken.
The heat exchanger 6 is operated with a fan 7 at an ambient air temperature of up to 30 ° C. The heat exchanger 10 of the coolant circuit 4 is further operated only when the temperature of the specially cooled coolant exceeds the allowable temperature for cooling the battery 2. The advantage of operating the low temperature cooler 6 in the way of specially cooling the coolant with air is that the coolant circuit 4, and thus the vehicle air conditioning system, is only operated at ambient air temperatures above approximately 30 ° C. It is. Thus, since the vehicle air conditioning system does not need to be operated continuously, the energy available for driving the vehicle is saved and the operating range of the vehicle is minimized.

冷却装置１０及び低温度冷却器６を組み合わせて動作している間、バッテリ２への冷却液の流入温度、さらに、冷却装置１０内の蒸発の温度レベル及び冷蔵容量は、低温度冷却器６におけるファン７の速度によって制御される。この目的のために、蒸発温度及び冷蔵容量のレベルは、膨張バルブ１４、１５の断面によって調整される。冷却システム１は、中程度の周囲温度、特に、３０℃〜４０℃の空気温度で、冷却装置１０及び低温度冷却器６の同時及び／又は組み合わせた使用によって、動作される。   While the cooling device 10 and the low temperature cooler 6 are operated in combination, the inflow temperature of the coolant into the battery 2, and the temperature level and refrigeration capacity of the evaporation in the cooling device 10 are the same as those in the low temperature cooler 6. It is controlled by the speed of the fan 7. For this purpose, the evaporation temperature and the level of the refrigeration capacity are adjusted by the cross section of the expansion valves 14, 15. The cooling system 1 is operated by the simultaneous and / or combined use of the cooling device 10 and the low temperature cooler 6 at moderate ambient temperatures, in particular air temperatures of 30 ° C. to 40 ° C.

高い周囲温度、特に４０℃を超える空気温度において、バッテリ２への冷却液の流入温度は、特別に、冷却装置１０内の蒸発の温度レベル及び冷蔵容量を変化させることにより、調整される。冷却液回路３から放散される全体熱は、冷媒回路４内の冷媒へ伝達され、したがって、冷媒側で制御される。蒸発器１０内の冷媒の温度レベル及び／又は圧力レベルは、膨張バルブ１４、１５の断面によって調整される。同時に、熱が熱交換器６へ伝達されないように、低温度冷却器６のファン７が作動停止される。こうして、低温度冷却器６は空気側でブロックされ、アクティブにならない。
あるいは、冷却液回路３の設計により、冷却液が低温度冷却器６を通って流れないように、冷却液がバイパス１８を通るように導くことができる。次いで、低温度冷却器６は、冷却液側でブロックされ、同様に、アクティブにはならない。
そうでなければ、熱交換器６へ４０℃を超える温度を有する非常に温度の高い周囲空気を供給すると、冷却液が周囲空気より低い温度を有する場合、冷却液回路３が環境から更なる熱を吸収することになる。 At high ambient temperatures, in particular air temperatures exceeding 40 ° C., the temperature of the coolant flowing into the battery 2 is adjusted, in particular, by changing the temperature level of evaporation in the cooling device 10 and the refrigeration capacity. The total heat dissipated from the coolant circuit 3 is transferred to the refrigerant in the refrigerant circuit 4 and is therefore controlled on the refrigerant side. The temperature level and / or pressure level of the refrigerant in the evaporator 10 is adjusted by the cross section of the expansion valves 14 and 15. At the same time, the fan 7 of the low temperature cooler 6 is deactivated so that heat is not transferred to the heat exchanger 6. Thus, the low temperature cooler 6 is blocked on the air side and is not active.
Alternatively, the design of the coolant circuit 3 can guide the coolant through the bypass 18 so that the coolant does not flow through the low temperature cooler 6. The low temperature cooler 6 is then blocked on the coolant side and is likewise not active.
Otherwise, supplying the heat exchanger 6 with very hot ambient air having a temperature above 40 ° C. will cause the coolant circuit 3 to heat further from the environment if the coolant has a lower temperature than the ambient air. Will be absorbed.

図１及び２に示される構成は、特に空気ヒートポンプとして動作される空調システムの冷媒回路４内の蒸発器１０を組み込むための利点を提供する。周囲温度が、バッテリ２の冷却液回路３内の冷却液の必要な温度よりも低い場合、蒸発器１０内の蒸発温度レベルは、空調システムの動作時に、周囲空気による熱伝達によって空気ヒートポンプとして動作される、冷媒回路４の並列接続された空気／冷媒熱交換器１９内の温度レベルとは無関係に制御できる。
非常に低い周囲温度、特に０℃未満の空気温度においても、冷却装置１０内の蒸発の温度レベルは、膨張バルブ１４、１５の断面によって制御される。特に、熱源として周囲空気を使用して熱ポンプモードで動作される、冷却液回路３から車両の空調システムの冷媒回路４へバッテリ２の余熱を伝達する場合に、バッテリ２内の非常に高い温度勾配が、冷却システム１を０℃未満の周囲温度で切り替えられる場合に生じ得る。バッテリ２内の高い温度勾配を防ぐために、冷却装置１０内の温度レベルが、冷媒回路４の並列接続された蒸発器１９とは無関係に制御される。冷媒回路４内の蒸発器１０、１９内の圧力レベル及び／また温度レベルの独立した制御が、膨張バルブ１４、１５の配置によって、２段階の膨張によって可能になる。冷却装置１０内の空調システムの冷却液と冷媒との間の熱伝達の温度レベルを、空調システムの空気／冷媒熱交換器１９とは無関係に制御できる。 The configuration shown in FIGS. 1 and 2 provides the advantage for incorporating an evaporator 10 in the refrigerant circuit 4 of an air conditioning system that is operated as an air heat pump in particular. When the ambient temperature is lower than the required temperature of the coolant in the coolant circuit 3 of the battery 2, the evaporation temperature level in the evaporator 10 operates as an air heat pump by heat transfer by the ambient air during operation of the air conditioning system. It can be controlled independently of the temperature level in the air / refrigerant heat exchanger 19 connected in parallel in the refrigerant circuit 4.
Even at very low ambient temperatures, especially air temperatures below 0 ° C., the temperature level of evaporation in the cooling device 10 is controlled by the cross section of the expansion valves 14, 15. In particular, when the residual heat of the battery 2 is transferred from the coolant circuit 3 to the refrigerant circuit 4 of the vehicle air conditioning system, which is operated in a heat pump mode using ambient air as a heat source, a very high temperature in the battery 2 A gradient can occur when the cooling system 1 is switched at an ambient temperature below 0 ° C. In order to prevent a high temperature gradient in the battery 2, the temperature level in the cooling device 10 is controlled independently of the evaporator 19 connected in parallel in the refrigerant circuit 4. Independent control of the pressure level and / or the temperature level in the evaporators 10, 19 in the refrigerant circuit 4 is made possible by two-stage expansion by the arrangement of the expansion valves 14, 15. The temperature level of the heat transfer between the coolant and refrigerant of the air conditioning system in the cooling device 10 can be controlled independently of the air / refrigerant heat exchanger 19 of the air conditioning system.

記載された相互接続の変形及び動作モードは、低い圧力側における液体から気体への位相変化を行い、プロセス内の熱を吸収する、種々の冷媒で使用するために適している。高い圧力側において、冷媒は、熱回収及び／又は気体冷却、以降の凝縮によって、及び選択的には、過冷により、吸収した熱を、周囲空気又は車内への流入空気へ等、ヒートシンクへ再び放出する。適した冷媒は、例えば、Ｒ７４４等の自然物質、さらに、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ等の化学物質である。   The described interconnect variants and modes of operation are suitable for use with a variety of refrigerants that undergo a liquid-to-gas phase change on the low pressure side and absorb heat in the process. On the high pressure side, the refrigerant is reheated to the heat sink, such as by heat recovery and / or gas cooling, subsequent condensation, and optionally by subcooling, to the heat sink, such as to ambient air or air entering the car. discharge. Suitable refrigerants are, for example, natural substances such as R744, and further chemical substances such as R134a, R152a, HFO-1234yf.

１ 冷却システム
２ エネルギー蓄積装置、バッテリ
３ 冷却液回路
４ 冷媒回路
５ 熱交換器、バッテリ冷却器
６ 熱交換器、低温度冷却器、空気／冷却液熱交換器
７ ファン、送風機
８ 分岐、切り替えバルブ、３方向バルブ
９ 流路
１０ 熱交換器、蒸発器、冷却装置、冷媒／冷却液熱交換器
１１ 冷却装置バイパス
１２ マウスポイント、Ｔ字部分
１３ ポンプ装置、冷却液ポンプ
１４ 第１の膨張装置、膨張バルブ
１５ 第２の膨張装置、膨張バルブ
１６ 分岐、Ｔ字部分
１７ マウスポイント、切り替えバルブ、３方向バルブ
１８ 低温度冷却器バイパス
１９ 熱交換器、蒸発器、空気／冷媒熱交換器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cooling system 2 Energy storage device, battery 3 Coolant circuit 4 Refrigerant circuit 5 Heat exchanger, battery cooler 6 Heat exchanger, low temperature cooler, air / coolant heat exchanger 7 Fan, blower 8 Branch, switching valve 3-way valve 9 Channel 10 Heat exchanger, evaporator, cooling device, refrigerant / coolant heat exchanger 11 Cooling device bypass 12 Mouth point, T-shaped portion 13 Pump device, coolant pump 14 First expansion device, Expansion valve 15 second expansion device, expansion valve 16 branch, T-shaped portion 17 mouse point, switching valve, three-way valve 18 low temperature cooler bypass 19 heat exchanger, evaporator, air / refrigerant heat exchanger

Claims (2)

冷却液回路（３）を使用して、車両のバッテリ（２）を冷却するための冷却システム（１）であって、ポンプ装置（１３）と、冷却液と前記バッテリ（２）との間で熱を伝達させるための熱交換器（５）と、前記冷却液と環境との間で熱を伝達させるための熱交換器（６）と、前記冷却液と冷媒回路（４）内で循環する冷媒との間で熱を伝達するための熱交換器（１０）とを備え、前記冷媒回路（４）は、関連付けられた膨張器を有する熱交換器（１９）をさらに備え、
前記冷媒回路（４）は２つの膨張器（１４、１５）と共に設計されており、前記冷媒側の蒸発器として設計される前記熱交換器（１０、１９）が、変動する圧力レベル及び温度レベルにおいて動作できるように、前記冷媒の流れ方向において、前記第１の膨張器（１４）は前記熱交換器（１０）の上流に配置され、前記第２の膨張器は前記熱交換器（１０）の下流に配置され、
前記冷媒回路（４）は、前記車両の空調システムの構成要素として設計され、前記熱交換器（１９）は、車内の前記流入空気を調整するための空気／冷媒熱交換器（１９）として提供され、
前記冷媒回路（４）内の前記冷却液と前記冷媒と間で熱を伝達させるための前記熱交換器（１０）は、前記車両空調システムの前記空気／冷媒熱交換器（１９）と並列に接続され、
前記冷却液と前記冷媒との間の前記熱伝達の前記温度レベルが、前記空気／冷媒熱交換器内の前記熱伝達の前記温度レベルとは無関係に制御できるように、前記冷媒回路（４）を前記熱交換器（１０）における２段階の膨張によって動作できるように、前記膨張器（１４、１５）は、調整可能な膨張バルブ（１４、１５）として設計され、
前記冷却液と前記環境との間で熱を伝達するための前記熱交換器（６）は、前記熱を前記冷却液から前記周囲空気の質量流へ伝達できるように、ファン（７）を有する空気／冷却液熱交換器（６）として設計されることを特徴とする、冷却システム。 A cooling system (1) for cooling a battery (2) of a vehicle using a coolant circuit (3), between the pump device (13), the coolant and the battery (2) A heat exchanger (5) for transferring heat, a heat exchanger (6) for transferring heat between the coolant and the environment, and circulating in the coolant and refrigerant circuit (4). A heat exchanger (10) for transferring heat to and from the refrigerant, the refrigerant circuit (4) further comprising a heat exchanger (19) having an associated expander,
The refrigerant circuit (4) is designed with two expanders (14, 15), and the heat exchanger (10, 19) designed as an evaporator on the refrigerant side has variable pressure and temperature levels. In the refrigerant flow direction, the first expander (14) is disposed upstream of the heat exchanger (10), and the second expander is disposed in the heat exchanger (10). is disposed downstream of,
The refrigerant circuit (4) is designed as a component of the vehicle air conditioning system, and the heat exchanger (19) is provided as an air / refrigerant heat exchanger (19) for regulating the incoming air in the vehicle. And
The heat exchanger (10) for transferring heat between the coolant in the refrigerant circuit (4) and the refrigerant is in parallel with the air / refrigerant heat exchanger (19) of the vehicle air conditioning system. Connected,
The refrigerant circuit (4) so that the temperature level of the heat transfer between the coolant and the refrigerant can be controlled independently of the temperature level of the heat transfer in the air / refrigerant heat exchanger. Can be operated by two-stage expansion in the heat exchanger (10), the expander (14, 15) is designed as an adjustable expansion valve (14, 15),
The heat exchanger (6) for transferring heat between the cooling liquid and the environment has a fan (7) so that the heat can be transferred from the cooling liquid to the mass flow of the ambient air. characterized Rukoto designed as an air / coolant heat exchanger (6), the cooling system. 車両のバッテリ（２）を冷却するための冷却システム（１）を動作させるための方法であって、
前記バッテリ（２）から放散される前記熱は、熱交換器（５）内で冷却液へと伝達され、前記冷却液は、冷却液回路（３）内のポンプ装置（１３）によって再循環され、熱交換器（１０）によって、冷媒へと熱的に結合されて、冷媒回路（４）内で再循環され、
前記冷却液から放散される前記熱は、前記熱交換器（５）への前記冷却液の前記流入温度及び前記周囲温度に応じて、熱交換器（６）内において前記周囲空気へ、及び／又は前記熱交換器（１０）内において前記冷媒へ、これを伝達することにより、制御され、
蒸発器として設計された空気／冷媒熱交換器（１９）を含む、前記冷媒回路（４）内において、前記熱交換器（１０）は、前記冷媒流れ方向において、上流の膨張器（１４）及び下流の第２の膨張器（１５）を有する蒸発器（１０）として動作され、前記熱交換器（１０）内の冷媒の前記蒸発の前記温度レベルは、前記空気／冷媒熱交換器（１９）内の前記蒸発の前記温度レベルとは無関係に制御され、
蒸発器として設計された前記空気／冷媒熱交換器（１９）、並びに前記冷媒流れ方向において、上流に前記第１の膨張器（１４）及び下流に前記第２の膨張器（１５）を有する、前記冷却液と前記冷媒との間で熱を伝達するための前記蒸発器（１０）は、前記冷媒回路（４）内において互いに並列接続で動作されることを特徴とし、
調整可能な膨張バルブ（１４、１５）として設計された前記膨張器（１４、１５）は、外部から操作され、
前記蒸発器（１０）へ流れる前、及び前記蒸発器（１０）から出た後に、前記冷媒は、前記冷媒が前記蒸発器（１０）をまたぐ２段階の膨張を実行するように減圧され、前記蒸発器（１０）内の前記冷媒の中間圧力レベルは、前記バッテリ（２）の前記冷却要求及び前記蒸発の種々の温度レベルにおける前記周囲温度に応じて、調整及び変動され、
前記バッテリ（２）から放散される前記熱は、電気的に駆動されるポンプ装置（１３）を使用するバッテリ冷却器として設計される前記熱交換器（５）を通る前記冷却液の流量によって連続的に制御され、
前記冷却液から放散される前記熱は、
低い周囲温度時に、前記熱交換器（６）で前記周囲空気に伝達され、
前記熱交換器（６）における前記周囲空気の前記質量流は、前記熱交換器（６）に関連付けられたファン（７）の前記回転速度によって制御され、
前記冷媒へ前記熱を伝達するための前記熱交換器（１０）は、作動停止され、
前記熱交換器（５）への前記冷却液の前記流入温度が前記熱交換器（６）内の許容温度を超える場合に、前記周囲空気及び前記熱交換器（１０）内の前記冷却液に伝達され、前記冷媒へ前記熱を伝達するための前記熱交換器（１０）は動作され、前記熱交換器（１０）内の前記冷媒の前記蒸発の前記温度レベルは、前記冷蔵容量と同様に、前記膨張バルブ（１４、１５）の断面を変化させることにより制御され、
高い周囲温度時に、前記熱交換器（１０）で前記冷媒に伝達され、
前記熱交換器（１０）内の前記冷媒の前記蒸発の前記温度レベルは、前記冷蔵容量と同様に、前記膨張バルブ（１４、１５）の前記断面を変化させることにより制御され、
前記周囲空気へ前記熱を伝達させるための前記熱交換器（６）は作動停止され、
周囲空気が、蒸発器として設計された前記空気／冷媒熱交換器（１９）の周囲を、前記熱交換器（５）への前記冷却液の前記必要な流入温度よりも低い周囲温度で流れ、空気ヒートポンプとして前記車両の前記空調システムの前記冷媒回路（４）が動作している間、熱交換器（１０）内の前記冷媒の蒸発の前記温度レベルは、前記冷蔵容量と同様に、前記膨張バルブ（１４、１５）の前記断面を変化させることにより制御されることを特徴とする、方法。 A method for operating a cooling system (1) for cooling a battery (2) of a vehicle,
The heat dissipated from the battery (2) is transferred to the coolant in the heat exchanger (5), and the coolant is recirculated by the pump device (13) in the coolant circuit (3). , Thermally coupled to the refrigerant by the heat exchanger (10) and recirculated in the refrigerant circuit (4),
The heat dissipated from the cooling liquid is transferred to the ambient air in the heat exchanger (6) and / or according to the inflow temperature and the ambient temperature of the cooling liquid to the heat exchanger (5) and / or Or by transmitting it to the refrigerant in the heat exchanger (10),
In the refrigerant circuit (4), including an air / refrigerant heat exchanger (19) designed as an evaporator, the heat exchanger (10) is connected in the refrigerant flow direction to an upstream expander (14) and Operated as an evaporator (10) with a second expander (15) downstream, the temperature level of the evaporation of refrigerant in the heat exchanger (10) is the air / refrigerant heat exchanger (19) Controlled independently of the temperature level of the evaporation in the
The air / refrigerant heat exchanger (19) designed as an evaporator and the first expander (14) upstream and the second expander (15) downstream in the refrigerant flow direction; The evaporator (10) for transferring heat between the coolant and the refrigerant is operated in parallel connection with each other in the refrigerant circuit (4),
The inflator (14, 15) designed as an adjustable expansion valve (14, 15) is operated from the outside,
Before flowing into the evaporator (10) and after leaving the evaporator (10), the refrigerant is depressurized so that the refrigerant performs a two-stage expansion across the evaporator (10), and The intermediate pressure level of the refrigerant in the evaporator (10) is adjusted and varied according to the cooling requirements of the battery (2) and the ambient temperature at the various temperature levels of the evaporation,
The heat dissipated from the battery (2) is continuous by the flow rate of the coolant through the heat exchanger (5) designed as a battery cooler using an electrically driven pump device (13). Controlled,
The heat dissipated from the coolant is
At low ambient temperature, transferred to the ambient air by the heat exchanger (6),
The mass flow of the ambient air in the heat exchanger (6) is controlled by the rotational speed of a fan (7) associated with the heat exchanger (6);
The heat exchanger (10) for transferring the heat to the refrigerant is deactivated;
When the inflow temperature of the coolant into the heat exchanger (5) exceeds the allowable temperature in the heat exchanger (6), the ambient air and the coolant in the heat exchanger (10) The heat exchanger (10) for transferring and transferring the heat to the refrigerant is operated, and the temperature level of the evaporation of the refrigerant in the heat exchanger (10) is similar to the refrigeration capacity Controlled by changing the cross-section of the expansion valve (14, 15),
At a high ambient temperature, it is transferred to the refrigerant in the heat exchanger (10),
The temperature level of the evaporation of the refrigerant in the heat exchanger (10) is controlled by changing the cross section of the expansion valve (14, 15), similar to the refrigeration capacity,
The heat exchanger (6) for transferring the heat to the ambient air is deactivated;
Ambient air flows around the air / refrigerant heat exchanger (19) designed as an evaporator at an ambient temperature lower than the required inlet temperature of the coolant to the heat exchanger (5); While the refrigerant circuit (4) of the air conditioning system of the vehicle is operating as an air heat pump, the temperature level of the evaporation of the refrigerant in the heat exchanger (10) is similar to the refrigeration capacity and the expansion. It is controlled by varying the cross-section of the valve (14, 15), characterized in Rukoto method.
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