DE102013009749A1 - Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten eines mit elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten eines mit elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren 1 einer Traktions-Stromquelle 2 und von Elektronik-Komponenten 3 in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug, mit einem ersten Kühlmittelkreislauf 4 zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle 2, wobei das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 4 mittels einer Kältemaschinenvorrichtung 5 kühl- bzw. temperierbar ist, einem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten 3, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 mittels einer ersten Wärmetauschereinrichtung 7 kühl- bzw. temperierbar ist. Die Vorrichtung 1 weist weiter auf Ventilmittel 8, 8' im ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf 4, 6, mit den Ventilmitteln 8, 8' in Verbindung stehende Leitungsmittel 9, 9', 10, eine mit den Leitungsmitteln verbundene zweite Wärmetauschereinrichtung 11 und eine Steuereinrichtung 12, mittels derer wenigstens die Ventilmittel 8, 8' gesteuert werden können, derart dass in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, der Menge an Abwärme der Traktions-Stromquelle 2, der Menge an Abwärme der Elektronik-Komponenten 3, der Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 und/oder der Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf 4 die zweite Wärmetauschereinrichtung 11 (a) von den Kühlmittelkreisläufen 4, 6 getrennt wird, (b) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 4 zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle 2 verbunden wird oder (c) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten 3 verbunden wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten eines mit elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Bei mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugen kommen eine Reihe verschiedener Technologien zum Einsatz. Rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge) weisen zum Antreiben der Räder ausschließlich einen oder mehrere Elektromotoren auf, wobei die Energie zum Antreiben der Elektromotoren ausschließlich mittels einer Speichereinrichtung für elektrische Energie (wiederaufladbare Batterie, Akkumulator) oder einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird.
  • Hybrid-Fahrzeuge weisen wenigstens einen Elektromotor und eine Verbrennungskraftmaschine auf, mit denen das Hybrid-Fahrzeug abwechselnd oder auch gleichzeitig angetrieben werden kann. Die Energie zum Antrieb der Räder eines Hybrid-Fahrzeugs stammt somit aus einem Betriebskraftstofftank und einer Speichereinrichtung für elektrische Energie.
  • Bei sogenannten Mildhybrid-Fahrzeugen unterstützt der Elektroantriebsteil einen Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung. Weiter sind auch Fahrzeuge mit einem sogenannten Range Extender bekannt. Ein Range Extender ist ein zusätzliches Aggregat in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug, mit dem die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden kann. Als ein solches zusätzliches Aggregat wird derzeit üblicherweise eine Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Mittels der Verbrennungskraftmaschine wird ein Generator angetrieben und der hierdurch gewonnene Strom entweder zum Laden der Batterie oder zum Antreiben der Räder des Elektrofahrzeugs verwendet.
  • Allen mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugen ist gemeinsam, dass sie entweder – was derzeit die weitaus gängigere und bereits am Markt erhältliche Variante darstellt – eine sogenannte Traktions-Batterie aufweisen oder – was sich derzeit eher noch im Forschungs- und Erprobungsstadium befindet – über eine Brennstoffzelle verfügen. Diese allgemein als „Traktions-Stromquelle” bezeichneten Einrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Lebensdauer bzw. ihre Leistungsfähigkeit stark von der Temperatur abhängt, mit der die Traktions-Stromquellen betrieben werden.
  • Neben wenigstens einer Traktions-Stromquelle weisen mittels elektrischem Strom antreibbare Fahrzeuge eine Reihe von Elektronik-Komponenten auf, wie beispielsweise einen DC/DC-Wandler, mit dem die hohe Spannung im Bereich von oftmals mehr als 400 V von Hochvolt-Batterien in eine Bordspannung von 12 V oder 24 V transformiert wird oder einen Wechselrichter, der den von einer Hochvolt-Batterie zur Verfügung gestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet, wie er beispielsweise für die im Fahrzeug vorhandenen Elektromotoren benötigt wird. Diese Elektronik-Komponenten erzeugen bei ihrem Betrieb Abwärme, die abgeführt werden muss.
  • Vor diesem Hintergrund sind eine Reihe von Lösungen entwickelt worden, um eine die Lebensdauer von Batterien in Elektrofahrzeugen und Hybrid-Fahrzeugen erhöhende ausreichende Kühlung und/oder um eine effiziente Ableitung der Abwärme von Elektronik-Komponenten in einem Fahrzeug zu erreichen. So ist es beispielsweise bekannt, die Wärmequellen mit einer Kühlvorrichtung zu kühlen, die über einen Kühlmittelkreislauf gespeist wird. Auch ist es bekannt, die Kühlung von Hybridfahrzeug-Batterien über einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeugs zu realisieren, in dem ein Kältemittelkreislauf, in dem die Wärmequelle eingeschlossen ist, an den Kühlkreislauf angeschlossen wird. Ziel all dieser Bemühungen ist es, die Lebensdauer der derzeit verfügbaren Hochvolt-Batterien zu erhöhen, welche bei erhöhter Betriebstemperatur stark abnimmt. Hierbei wird insbesondere angestrebt, den Schwankungsbereich der Temperatur der Hochvolt-Batterie möglichst klein zu halten.
  • Aus der DE 10 2007 004 979 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung beziehungsweise Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, insbesondere der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HV-Fahrzeug) mit Verbrennungsmotor und integriertem Elektroantrieb mit einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (Kältemittelkreislauf) des Fahrzeugs, welcher mindestens mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Kondensator und einem Kühler versehen ist, an welchen die Batterie über einen separaten abgezweigten Kältekreislauf verdampferseitig zur Kühlung der Batterie über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf angebunden ist, wobei zwischen dem Kältekreislauf und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf ein erweiterter Kältekreislauf mit einem zusätzlichen Wärmetauscher vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf mit einem zusätzlichen Wärmetauscher vorgesehen ist, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf und die Batterie kühlerseitig zusätzlich zur Abgabe von Wärme seitens der Batterie bei niedrigen Temperaturen zur Kühlung der Batterie in einem Kühlungsmodus und/oder zur Zufuhr von Wärme an die Batterie zur Vorwärmung der Batterie in einem Vorwärmungsmodus (beziehungsweise Kaltstart) der Batterie miteinander thermisch koppelbar sind.
  • Mit der in der DE 10 2007 004 979 A1 beschriebenen technischen Lösung soll auch bei kühlerer Witterung und niedrigeren Außentemperaturen eine effiziente Ableitung der Betriebswärme seitens der Batterie eines Hybridfahrzeugs oder ähnlicher Wärmequellen ermöglicht werden. Ferner soll mittels der Vorrichtung zur thermischen Beeinflussung der Hybrid-Batterie eine flexiblere und optimiertere Temperierung der Batterie in unterschiedlichen Betriebssituationen des Fahrzeugs realisierbar sein.
  • Nach dem vorbekannten Stand der Technik wird für die Auslegung einer Kühlvorrichtung (eines Kühlkreislaufs) für die Elektronik-Komponenten eines mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugs immer die maximale Abwärme, d. h. die Spitzenleistung des/der Verbraucher(s) bei max. Umgebungstemperatur betrachtet. In der Realität kommt dieser Fall jedoch nur ganz selten vor, so dass in der ganz überwiegenden Betriebszeit des mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugs dieses mit einer „überdimensionierten” Kühlvorrichtung für die Elektronik-Komponenten ausgestattet ist, was in Bezug auf die Kosten für die Herstellung des Fahrzeugs, das Gewicht und auch den Energieverbrauch des Fahrzeugs nachteilig ist.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil des Stands der Technik zu überwinden. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug gemäß Anspruch 1, das mittels elektrischem Strom antreibbare Fahrzeug gemäß Anspruch 6, sowie das Verfahren zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug vorgeschlagen, die aufweist
    • – einen ersten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle, wobei das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs mittels einer Kältemaschinenvorrichtung kühl- bzw. temperierbar ist, und
    • – einen zweiten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs mittels einer ersten Wärmetauschereinrichtung kühl- bzw. temperierbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter Ventilmittel im ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf, mit den Ventilmitteln in Verbindung stehende Leitungsmittel, eine mit den Leitungsmitteln verbundene zweite Wärmetauschereinrichtung und eine Steuereinrichtung aufweist, mittels derer wenigstens die Ventilmittel gesteuert werden können, derart dass in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, der Menge an Abwärme der Traktions-Stromquelle, der Menge an Abwärme der Elektronik-Komponenten, der Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf und/oder der Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf die zweite Wärmetauschereinrichtung (a) von den Kühlmittelkreisläufen getrennt wird, (b) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle verbunden (verschaltet) wird oder (c) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten verbunden (verschaltet) wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, dass der zweite Kühlmittelkreislauf nur für eine durchschnittliche Abwärme des/der Verbraucher (Elektronik-Komponenten) ausgelegt zu werden braucht. Durch die erfindungsgemäße intelligente Verschaltung, mit der eine bedarfsgerechte Nutzung der zweiten Wärmetauschereinrichtung erreicht werden kann, wird ein Downsizing der Kühleinrichtung für die Elektronik-Komponenten, eine Gewichts- und Kostenreduzierung, eine Effizienzsteigerung des Hybrid-Kühlsystems und eine Energieeinsparung (CO2-Einsparung) erreicht.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Kältemaschinenvorrichtung der Vorrichtung wenigstens einen Verdichter, ein Expansionsventil, einen Kältemittel-Verdampfer und einen Wärmetauscher auf. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bei der Vorrichtung der Wärmetauscher der Kältemaschinenvorrichtung mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf verbunden.
  • Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist bei der Vorrichtung die erste Wärmetauschereinrichtung und die zweite Wärmetauschereinrichtung eine Kühlmittel-Luft-Wärmetauschereinrichtung (Wasser-Luft-Wärmetauscher) auf, die wahlweise jeweils eine Einrichtung zur Zuführung von Luft aufweisen kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können bei der Vorrichtung der ersten Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf mittels der Ventilmittel und der Leitungsmittel zu einem einzigen Kühlmittelkreislauf zusammengeschaltet werden.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein mittels elektrischem Strom antreibbares Fahrzeug, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug kann als Traktions-Stromquelle wenigstens eine Hochvolt-Batterie vorhanden sein und das erfindungsgemäße Fahrzeug kann als Elektronik-Komponenten einen DC/DC-Wandler, einen Gleichrichter und/oder einen Wechselrichter aufweisen.
  • Ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst ist ein Verfahren zum Kühlen bzw. Temperieren einer Traktions-Stromquelle und von Elektronik-Komponenten in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wobei mittels der Steuereinrichtung die Vorrichtung derart gesteuert wird, dass in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, der Menge an Abwärme der Traktions-Stromquelle, der Menge an Abwärme der Elektronik-Komponenten, der Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf und/oder der Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf die zweite Wärmetauschereinrichtung (a) von den Kühlmittelkreisläufen getrennt wird, (b) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle verbunden wird oder (c) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten verbunden wird.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Vorrichtung bevorzugt derart gesteuert werden, dass
    • (a) bei einer Umgebungslufttemperatur bis kleiner und gleich etwa 10°C die zweite Wärmetauschereinrichtung von den Kühlmittelkreisläufen getrennt und die Kältemaschinenvorrichtung ausgeschaltet wird und der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf fluidisch miteinander verbunden werden,
    • (b) bei einer Umgebungslufttemperatur von größer etwa 10°C bis kleiner oder gleich etwa 20°C die Kältemaschinenvorrichtung ausgeschaltet und die zweite Wärmetauschereinrichtung mit dem ersten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle verbunden wird;
    • (c) bei einer Umgebungslufttemperatur ab etwa 20°C und bis etwa 40°C in Abhängigkeit von der abgegebenen Wärmeleistung der elektrischen Komponenten entweder die Kältemaschinenvorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle eingeschaltet und die zweite Wärmetauschereinrichtung von den Kühlmittelkreisläufen getrennt wird; oder die Kältemaschinenvorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle eingeschaltet und die zweite Wärmetauschereinrichtung mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten und des Kältemittels der Kältemaschinenvorrichtung verbunden wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Traktions-Stromquelle und Elektronik-Komponenten, bei der sämtliche theoretisch möglichen Leitungswege für das Kühlmittel des ersten und zweiten Kühlmittelkreislaufs angezeigt sind;
  • 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Traktions-Stromquelle und Elektronik-Komponenten gemäß einem ersten möglichen Betriebsmodus der Vorrichtung;
  • 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Traktions-Stromquelle und Elektronik-Komponenten gemäß einem zweiten möglichen Betriebsmodus der Vorrichtung;
  • 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Traktions-Stromquelle und Elektronik-Komponenten gemäß einem dritten möglichen Betriebsmodus der Vorrichtung;
  • 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Traktions-Stromquelle und Elektronik-Komponenten gemäß einem vierten möglichen Betriebsmodus der Vorrichtung.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Traktions-Stromquelle 2 und Elektronik-Komponenten 3, bei der sämtliche theoretisch möglichen Leitungswege für das Kühlmittel des ersten und zweiten Kühlmittelkreislaufs 4, 6 angezeigt sind.
  • Wie in 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 1 einen ersten Kühlmittelkreislauf 4 zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle 2 auf, wobei das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 4 mittels einer Kältemaschinenvorrichtung 5 kühl- bzw. temperierbar ist. Weiter weist die Vorrichtung 1 einen zweiten Kühlmittelkreislauf 6 zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten 3 auf, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 mittels einer ersten Wärmetauschereinrichtung 7 kühl- bzw. temperierbar ist. Die Vorrichtung weist weiter Ventilmittel 8, 8' im ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf 4, 6, mit den Ventilmitteln 8, 8' in Verbindung stehende Leitungsmittel 9, 9', 10, eine mit den Leitungsmitteln verbundene zweite Wärmetauschereinrichtung 11 und eine Steuereinrichtung 12 (z. B. ein Hybridsteuergerät zum Steuern der Hybridkomponenten eines Hybrid-Fahrzeugs) auf, mittels derer wenigstens die Ventilmittel 8, 8' gesteuert werden können, derart dass in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, der Menge an Abwärme der Traktions-Stromquelle 2, der Menge an Abwärme der Elektronik-Komponenten 3, der Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 und/oder der Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf 4 die zweite Wärmetauschereinrichtung 11 (a) von den Kühlmittelkreisläufen 4, 6 getrennt wird, (b) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 4 zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle 2 verbunden wird oder (c) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten 3 verbunden wird.
  • Bei den Ventilmitteln 8, 8' kann es sich beispielsweise um schaltbare 3/2-Wegeventile handeln, und bei den Leitungsmitteln 9, 9', 10 um Rohre aus einem geeigneten Material. Insoweit sind keine besonderen Beschränkungen gegeben und es können alle geeigneten Ventilmittel und Leitungsmittel verwendet werden.
  • Die Kältemaschinenvorrichtung 5 ist in bevorzugter Weise eine, die wenigsten einen Verdichter 13, ein Expansionsventil 15, einen Kältemittel-Verdampfer 16 und einen Wärmetauscher 17 aufweist. Es sind auch Kältemaschinenvorrichtungen 5 bekannt, die neben einem Wärmetauscher 17 einen weiteren Wärmetauscher 14 aufweisen.
  • Der Wärmetauscher 17 der Kältemaschinenvorrichtung 5 kann mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 verbunden sein, so dass das Kältemittel der Kältemaschinenvorrichtung 5 durch das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 gekühlt werden kann. Weiter kann die Kältemaschinenvorrichtung 5 eine Steuereinrichtung 24 zum Steuern des Verdichters 13 und des Expansionsventils 15 umfassen.
  • Die Traktions-Stromquelle 2, bei der es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Hochvolt-Batterie handeln kann, weist in vorteilhafter Weise Temperatursensoren 22, 22' auf, mit der die Eintritts- und Austrittstemperatur des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs 4 erfasst werden können. Weiter kann für die Traktions-Stromquelle 2 ein Traktions-Stromquellen-Management-System 23 vorhanden sein, im Falle einer Hochvolt-Batterie als Traktions-Stromquelle 2 beispielsweise ein Batterie-Management-System 23.
  • Die Elektronik-Komponenten 3 können beispielsweise einen DC/DC-Wandler 19 und einen Wechselrichter 20 umfassen. Mittels des DC/DC-Wandlers 19 kann etwa eine Spannung einer Hochvolt-Batterie oder einer Brennstoffzelle in eine Bordspannung von beispielsweise 12 V oder 24 V gewandelt werden. Und mittels eines Wechselrichters 20 kann der Gleichstrom einer Hochvolt-Batterie oder einer Brennstoffzelle in einen Wechselstrom gerichtet werden, wie er beispielsweise für Elektromotoren des Fahrzeugs benötigt wird.
  • Weitere Einrichtungen, die die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aufweisen kann, sind beispielsweise Kühlmittelpumpen 21, 21' zum Pumpen des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 4 und im zweiten Kühlmittelkreislauf 6, sowie ein Temperaturfühler 22'' zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 6.
  • Bei der ersten Wärmetauschereinrichtung 7 und der zweiten Wärmetauschereinrichtung 11 kann es sich in vorteilhafter Weise jeweils um eine Kühlmittel-Luft-Wärmetauschereinrichtung (Wasser-Luft-Wärmetauscher) handeln, die wahlweise jeweils eine Einrichtung zur Zuführung von Luft 18 aufweisen können. Eine solche Einrichtung zur Zuführung von Luft 18 ist in den Figuren nur bezüglich der zweiten Wärmetauschereinrichtung 11 dargestellt, eine solche Einrichtung zur Zuführung von Luft 18 kann selbstverständlich auch bei der der ersten Wärmetauschereinrichtung 7 vorgesehen sein. Bei der Einrichtung zur Zuführung von Luft 18 kann es sich beispielsweise um einen herkömmlichen, elektrisch angetriebenen Lüfter, wie einen Ventilator oder ein Gebläse handeln.
  • Bei der ersten Wärmetauschereinrichtung 7 kann es sich beispielsweise um einen sog. Motorturmkühler handeln, dem Luft mittels einer Einrichtung zur Zuführung von Luft zugeführt wird, die auch für die Zuführung von Luft für den Motorkühler verantwortlich ist. Bei der zweiten Wärmetauschereinrichtung 11 kann es beispielsweise um einen sog. Aufdachkühler handeln. Die Wärmetauschereinrichtung 11 wird aufgrund ihrer Verwendungsweise innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nachfolgend auch als „Pendelkühler” bezeichnet.
  • Das Kühlmittel für den ersten Kühlmittelkreislauf 4 und den zweiten Kühlmittelkreislauf 6 ist nicht besonders beschränkt und es kann jedes geeignete Kühlmittel verwendet werden. Ein übliches Kühlmittel ist beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Ethylenglykol. Auch das Kältemittel der Kältemaschinenvorrichtung 5 ist nicht besonders beschränkt und es kann jedes geeignete Kältemittel verwendet werden. Als Beispiele für geeignete Kältemittel seien Kohlenstoffdioxid, halogenierte und nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe erwähnt.
  • In 1 sind sämtliche Kühlmittelwege dargestellt, die innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 innerhalb des ersten Kühlmittelkreislaufs 4, des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6, der Leitungsmittel 9, 9' und 10 denkbar sind. Bei dem Betrieb der Vorrichtung 1 werden die in 1 dargestellten Kühlmittelwege jedoch nicht in der in 1 dargestellten Weise vollständig verwendet, sondern es werden – wie in den 2 bis 5 dargestellt ist – mittels der Ventilmittel 8, 8' und der Leitungsmittel 9, 9' und 10 das Kühlmittel je nach gegebener Situation unterschiedlich geleitet. Soweit in den 2 bis 5 ein oder mehrere der Leitungsmittel 9, 9' und 10 sowie Teile der Leitungsmittel der Kühlmittelkreisläufe 4, 6 nicht dargestellt sind, bedeutet dies nicht, dass die entsprechenden Leitungsmittel nicht vorhanden wären, sondern dass bei dem jeweiligen Betriebsmodus der Vorrichtung kein Kühlmittel durch die entsprechenden Leitungsmittel strömt.
  • 2 zeigt einen Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie er in vorteilhafter Weise bei einer Umgebungslufttemperatur von bis zu etwa 10°C angewandt werden kann. Hierbei sind mittels der Ventilmittel 8, 8' der erste Kühlmittelkreislauf 4 und der zweite Kühlmittelkreislauf 6 fluidisch miteinander verbunden, so dass insoweit nur noch ein einziger Kühlmittelkreislauf existiert. Dies hat zur Folge, dass der Pendelkühler 11 von den Kühlmittelkreisläufen 4, 6 getrennt und somit inaktiv ist.
  • Die Kühlung der Traktions-Stromquelle 2 und der Elektronik-Komponenten 3 erfolgt somit durch das in dem einzigen Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel. Bezüglich der Temperatur des Kühlmittels zur Kühlung der Traktions-Stromquelle ist zu beachten, dass diese bei einer Lithium-Ionen-Batterie in vorteilhafter Weise nicht höher sein sollte als etwa 35°C, bevorzugt 20°C bis 25°C.
  • Aufgrund der niedrigen Umgebungslufttemperatur kann die von der Traktions-Stromquelle 2 und den Elektronik-Komponenten 3 an das Kühlmittel abgegebene Abwärme in ausreichender Weise allein durch die erste Wärmetauschereinrichtung 7 abgeführt werden, so dass auch die Kältemaschinenvorrichtung 5 ausgeschaltet bleiben kann.
  • 3 zeigt einen Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie er in vorteilhafter Weise bei einer Umgebungslufttemperatur von größer etwa 10°C bis kleiner oder gleich etwa 20°C, oder bei einer Umgebungslufttemperatur von bis zu etwa 10°C und einer (im Vergleich zum Betriebsmodus gemäß 2) erhöhten Wärmeabgabe durch die Elektronik-Komponenten 3 verwendet wird.
  • Bei diesen Bedingungen würde bei einem Betriebsmodus, wie er in 2 dargestellt ist, die Gefahr bestehen, das das zum Kühlen der Traktions-Stromquelle 2 zugeführte Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die höher ist als die wünschenswerte Temperatur von nicht mehr als etwa 20°C.
  • Daher werden bei den genannten Betriebsbedingungen die Ventilmittel 8, 8' derart geschaltet, dass der erste Kühlmittelkreislauf 4 und der zweite Kühlmittelkreislauf voneinander getrennt werden. Die Kühlung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 4 und damit auch die Kühlung der Traktions-Stromquelle 2 erfolgt mittels des in den ersten Kühlmittelkreislauf 4 eingebundenen Pendelkühlers 11 und die Kühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf 6 und damit auch der Elektronik-Komponenten 3 erfolgt mittels der ersten Wärmetauschereinrichtung 7. Hierbei kann die Kältemaschinenvorrichtung 5 ausgeschaltet bleiben.
  • 4 zeigt eine Abwandlung des in 3 dargestellten Betriebsmodus. Bei einer Umgebungslufttemperatur von etwa 20°C oder etwas darüber kann es vorkommen, dass für die Kühlung des Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 4 und damit auch der Traktions-Stromquelle 2 die Kühlleistung des Pendelkühlers 11 nicht ausreichend ist oder dass mittels des Pendelkühlers 11 die Temperatur des Kühlmittels sogar in unerwünschter Weise erhöht wird. In einem solchen Fall kann wahlweise mittels der Ventilmittel 8 der Weg des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreislaufs 4 an dem Pendelkühler 11 vorbeigeleitet werden (kein Kühlmittel strömt durch die Leitungsmittel 9 und 10) und die Kältemaschinenvorrichtung 5 eingeschaltet werden. In diesem Fall wird die Traktions-Stromquelle 2 und das zu ihrer Kühlung verwendete Kühlmittel durch die Kältemaschinenvorrichtung 5 gekühlt. Die Elektronik-Komponenten 3 sowie der Wärmetauscher 17 der Kältemaschinenvorrichtung 5 werden durch das Kühlmittel gekühlt, das durch den zweiten Kühlmittelkreislauf strömt und von der ersten Wärmetauschereinrichtung 7 gekühlt wird.
  • Sinkt die Umgebungslufttemperatur etwas, kann in einen Betriebsmodus umgeschaltet werden, wie er ebenfalls in 4 dargestellt ist, d. h. mit Einbindung des Pendelkühlers 11 über die Leitungsmittel 9 und 10 in den ersten Kühlmittelkreislauf 4, Ausschalten der Kältemaschinenvorrichtung 5 und Kühlen der Traktions-Stromquelle 2 und des in dem ersten Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierenden Kühlmittels mittels des Pendelkühlers 11. Dieser Betriebsmodus entspricht dem in 3 dargestellten.
  • Auch wenn in 4 ein gleichzeitiges Strömen von Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkreislauf 4 und die Leitungsmittel 9 und 10 dargestellt ist, so ist aus der obigen Darlegung ohne Weiteres erkennbar, dass das Strömen von Kühlmittel bei den Betriebsmodi gemäß 4 mittels der Ventilmittel 8 entweder durch den ersten Kühlmittelkreislauf (unter Umgehung der Leitungsmittel 9 und 10) erfolgt (kleiner linker Kreislauf; bei höheren Umgebungslufttemperaturen) oder durch den um die Leitungsmittel 9 und 10 erweiterten ersten Kühlmittelkreislauf (größerer Kreislauf, bei niedrigeren Umgebungslufttemperaturen, entsprechend dem in 3 dargestellten Betriebsmodus) derart, dass durch das mittlere Leitungsmittel, das von den Ventilmitteln 8 abzweigt, kein Kühlmittel strömt
  • 5 zeigt eine weiteren möglichen Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Bei einem maximalen Wärmeeintrag der Elektronik-Komponenten und einer Umgebungslufttemperatur im Bereich von etwa 20 bis 25°C oder bei einer höheren Umgebungslufttemperatur beispielsweise im Bereich von 40°C wird der Pendelkühler 11 mittels der Ventilmittel 8' und der Leitungsmittel 9', 10 in den zweiten Kühlmittelkreislauf 6 eingebunden und unterstützt die erste Wärmetauschereinrichtung 7 bei der Kühlung des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 und der darin eingebundenen Elektronik-Komponenten 3 und des Wärmetauschers 17 der Kältemaschinenvorrichtung 5. Das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 4 und damit auch die Traktions-Stromquelle 2 wird bei diesem Betriebsmodus mittels der Kältemaschinenvorrichtung 5 gekühlt. Das Kältemittel der Kältemaschinenvorrichtung wird mittels des in den zweiten Kühlmittelkreislauf 6 eingebundenen, zweiten Wärmetauschers 17 beispielsweise von etwa 100°C auf etwa 50°C abgekühlt. Dass das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf 6 bei diesen Bedingungen lediglich auf eine Temperatur von zwischen etwa 45°C und 55°C gekühlt werden kann, ist insoweit unschädlich, als dieser Temperaturbereich für die Kühlung der Elektronik-Komponenten noch völlig ausreichend ist.
  • Nach dem Stand der Technik wird für die Auslegung eines Kühlkreislaufs für Elektronik-Komponenten immer die maximale Abwärme (Spitzleitung des/der Verbraucher(s) bei max. Umgebungstemperatur) betrachtet. Eine solche Situation kommt in der Realität jedoch selten vor. Eine Batteriekühlung wird oft nur mittels einer Kältemaschine realisiert, oder in einem Kreislauf in Kombination mit der Kühlung anderer Elektronik-Komponenten (zusätzliche Wärmequellen). Wenn ein eigener Wasserkühler zur Batteriekühlung existiert, wird dieser bisher nicht oder nicht in der erfindungsgemäßen Weise für die Kühlung anderer Komponenten verwendet. Diese Nachteile des Stands der Technik werden durch die vorliegende Erfindung überwunden.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann aufgrund einer intelligenten Verschaltung ein optimaler Einsatz der verbauten Kühlkomponenten eines mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeugs innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs von etwa –30°C bis etwa +40°C erreicht werden. Insbesondere wird in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur eine bedarfsgerechte Nutzung des Pendelkühlers 11 erreicht.
  • Durch die Erfindung braucht der Kühlkreislauf 6 für die Elektronik-Komponenten 3 nur für die durchschnittliche Abwärme des Verbrauchers ausgelegt werden.
  • Durch einen „Pendelkühler” 11 kann der Kühlkreislauf 6 und damit die Elektronik-Komponenten 3 (z. B. DC/DC-Wandler, Gleichrichter, Wechselrichter) bei einer hohen Außentemperatur durch den „Pendelkühler” gekühlt werden, wobei die Traktions-Stromquelle 2 (bei der es sich um eine Hochvolt-Batterie handeln kann) in diesem Fall durch die Kältemaschine 5 gekühlt wird. Damit muss die Kühleinrichtung 7 für die Elektronik-Komponenten 3 nicht mehr auf maximale Außentemperatur ausgelegt werden.
  • Im Fall einer moderaten Außentemperatur kann die Batterie 2 sehr häufig ohne Einsatz der Kältemaschine 5 über den Pendelkühler 11 gekühlt werden, da keine zusätzliche Wärmequelle im Batteriekühlkreislauf vorhanden ist. Das spart zusätzliche elektrische Leistung, erhöht dadurch die Reichweite im elektrischen Betrieb des Fahrzeugs und spart somit Kraftstoff und reduziert den CO2-Ausstoß bei diesen häufig auftretenden Außentemperaturen.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann somit ein Downsizing der Kühlung von Elektronik-Komponenten, eine Gewichts- und Kostenreduzierung, eine Effizienzsteigerung des Hybrid-Kühlsystems und eine CO2-Einsparung erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren
    2
    Traktions-Stromquelle
    3
    Elektronik-Komponenten
    4
    erster Kühlmittelkreislauf
    5
    Kältemaschinenvorrichtung
    6
    zweiter Kühlmittelkreislauf
    7
    erste Wärmetauschereinrichtung
    8
    Ventilmittel
    8'
    Ventilmittel
    9
    Leitungsmittel
    9'
    Leitungsmittel
    10
    Leitungsmittel
    11
    zweite Wärmetauschereinrichtung
    12
    Steuereinrichtung
    13
    Verdichter
    14
    weiterer Wärmetauscher der Kältemaschinenvorrichtung
    15
    Expansionsventil
    16
    Kältemittel-Verdampfer
    17
    Wärmetauscher der Kältemaschinenvorrichtung
    18
    Einrichtung zur Zuführung von Luft
    19
    DC/DC-Wandler
    20
    Wechselrichter
    21
    Kühlmittelpumpe
    21'
    Kühlmittelpumpe
    22
    Temperatursensor
    22'
    Temperatursensor
    22''
    Temperatursensor
    23
    Traktions-Stromquellen-Management-System
    24
    Steuereinrichtung für Verdichter 13 und Expansionsventil 15
  • 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
    • DE 102007004979 A1 [0008, 0009]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Kühlen bzw. Temperieren (1) einer Traktions-Stromquelle (2) und von Elektronik-Komponenten (3) in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug, mit – einem ersten Kühlmittelkreislauf (4) zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle (2), wobei das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs (4) mittels einer Kältemaschinenvorrichtung (5) kühl- bzw. temperierbar ist, – einem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten (3), wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6) mittels einer ersten Wärmetauschereinrichtung (7) kühl- bzw. temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter Ventilmittel (8, 8') im ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf (4, 6), mit den Ventilmitteln (8, 8') in Verbindung stehende Leitungsmittel (9, 9', 10), eine mit den Leitungsmitteln verbundene zweite Wärmetauschereinrichtung (11) und eine Steuereinrichtung (12) aufweist, mittels derer wenigstens die Ventilmittel (8, 8') gesteuert werden können, derart dass in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, der Menge an Abwärme der Traktions-Stromquelle (2), der Menge an Abwärme der Elektronik-Komponenten (3), der Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) und/oder der Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf (4) die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) (a) von den Kühlmittelkreisläufen (4, 6) getrennt wird, (b) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf (4) zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle (2) verbunden wird oder (c) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten (3) verbunden wird.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschinenvorrichtung (5) wenigstens einen Verdichter (13), ein Expansionsventil (15), einen Kältemittel-Verdampfer (16) und einen Wärmetauscher (17) aufweist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (17) der Kältemaschinenvorrichtung (5) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) verbunden ist.
  4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmetauschereinrichtung (7) und/oder die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) eine Kühlmittel-Luft-Wärmetauschereinrichtung aufweist, die wahlweise jeweils eine Einrichtung zur Zuführung von Luft (18) aufweisen kann/können.
  5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Kühlmittelkreislauf (4) und der zweite Kühlmittelkreislauf (6) mittels der Ventilmittel (8, 8') und der Leitungsmittel (9, 9') zu einem einzigen Kühlmittelkreislauf zusammenschaltbar sind.
  6. Mittels elektrischem Strom antreibbares Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
  7. Fahrzeug gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es als Traktions-Stromquelle (2) wenigstens eine Hochvolt-Batterie oder eine Brennstoffzelleneinrichtung aufweist.
  8. Fahrzeug gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es als Elektronik-Komponenten (3) einen DC/DC-Wandler, einen Gleichrichter und/oder einen Wechselrichter aufweist.
  9. Verfahren zum Kühlen bzw. Temperieren (1) einer Traktions-Stromquelle (2) und von Elektronik-Komponenten (3) in einem mittels elektrischem Strom antreibbaren Fahrzeug unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (12) die Vorrichtung (1) derart gesteuert wird, dass in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, der Menge an Abwärme der Traktions-Stromquelle (2), der Menge an Abwärme der Elektronik-Komponenten (3), der Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) und/oder der Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf (4) die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) (a) von den Kühlmittelkreisläufen (4, 6) getrennt wird, (b) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf (4) zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle (2) verbunden wird oder (c) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten (3) verbunden wird.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass (a) bei einer Umgebungslufttemperatur bis kleiner und gleich etwa 10°C die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) von den Kühlmittelkreisläufen (4, 6) getrennt und die Kältemaschinenvorrichtung (5) ausgeschaltet werden und der erste Kühlmittelkreislauf (4) und der zweite Kühlmittelkreislauf (6) fluidisch miteinander verbunden werden, (b) bei einer Umgebungslufttemperatur von größer etwa 10°C bis kleiner oder gleich etwa 20°C die Kältemaschinenvorrichtung (5) ausgeschaltet und die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) mit dem ersten Kühlmittelkreislauf (4) zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle (2) verbunden werden; (c) bei einer Umgebungslufttemperatur ab etwa 20°C und bis etwa 40°C in Abhängigkeit von der abgegebenen Wärmeleistung der elektrischen Komponenten entweder die Kältemaschinenvorrichtung (5) zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle (2) eingeschaltet und die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) von den Kühlmittelkreisläufen (4, 6) getrennt werden; oder die Kältemaschinenvorrichtung (5) zum Kühlen bzw. Temperieren der Traktions-Stromquelle (2) eingeschaltet und die zweite Wärmetauschereinrichtung (11) mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6) zum Kühlen bzw. Temperieren der Elektronik-Komponenten (3) und des Kältemittels der Kältemaschinenvorrichtung (5) verbunden werden.
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