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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriekühlersystems und ein Batteriekühlersystem.
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Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen oder bei Hybridfahrzeugen entwickeln die Batteriemodule im Betrieb Wärme, die oft über einen Kühlkreislauf abgeführt wird. Hier bietet es sich an, einen Teilkreislauf einer bereits im Fahrzeug vorgesehenen Fahrzeugklimaanlage zur Kühlung der Batteriemodule zu verwenden.
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Da meist mehrere Batteriezellen zu getrennten Batteriemodulen zusammengefasst sind, die thermisch voneinander entkoppelt sind, sodass kein Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Batteriemodulen erfolgt, wird oft der Batteriekühlkreislauf in mehrere Kühlzweige aufgeteilt, die jeweils einem oder mehreren der Batteriemodule zugeordnet sind. Die Kühlzweige sollen dabei parallel vom Kältemittel durchströmt werden.
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Es ist bekannt, dem Batteriekühlkreislauf eine eigene Expansionsvorrichtung zuzuordnen, die zwischen einem Ausgang des Gaskühlers und einem Eingang in einen Verzweiger, der das Kältemittel auf die einzelnen Kühlzweige aufteilt, vorgesehen ist. Als Expansionsvorrichtung wird dabei ein bekanntes thermostatisches Expansionsventil (TXV) genutzt, das den Kältemitteldurchfluss gemäß den Gegebenheiten im Batteriekühlkreislauf steuert, oder es wird bei einem mit R744 betriebenen Kältemittelkreislauf eine Festdrossel verwendet. Der Druckabfall im thermostatischen Expansionsventil liegt dabei bei etwa 60 bis 95 % der Gesamtdruckdifferenz, während der Druckabfall im Verzweiger lediglich 3 bis 10 % beträgt. Dies ist darin begründet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckzweig und dem Niederdruckzweig der Fahrzeug-Klimaanalage bei hohen Umgebungstemperaturen deutlich größer ist als bei niedrigen Temperaturen. Das thermostatische Expansionsventil bzw. die Festdrossel muss jedoch auch bei der minimalen Betriebstemperatur und somit einer minimalen Druckdifferenz den Verdampfer mit einer genügenden Menge an Kältemittel, also einem ausreichenden Kältemittelfluss versorgen, und dies ist nur möglich, wenn der Druckabfall im Verzweiger gering ist. Daher sind bekannte Verzweiger für einen geringen Druckabfall ausgelegt.
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Um eine möglichst hohe Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen zu gewährleisten, darf nur eine sehr geringe Temperaturdifferenz von nicht mehr als 5 K zwischen den einzelnen Batteriezellen herrschen. Der geringe Druckabfall über den Verzweiger erschwert jedoch eine homogene Verteilung des Kältemittels, das vor dem Verzweiger bei höheren Temperaturen stets in einer flüssig-gasförmigen Mischung vorliegt, auf die verschiedenen Kühlzweige.
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Aufgrund des Phasengemisches im Verzweiger ist es auch notwendig, die bekannten Verzweiger in exakter vertikaler Ausrichtung zu verbauen, um auch bei einem geringen Durchfluss eine möglichst homogene Verteilung des Zweiphasengemischs auf die verschiedenen Auslassleitungen zu erreichen.
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Bei der Kühlung von Batteriemodulen kommt hinzu, dass eine Kühlung auch bei tiefen Umgebungstemperaturen von z.B. bis zu –10 °C oder weniger funktionieren muss, im Gegensatz zu einer Fahrgastraumkühlung, die bei diesen Temperaturen normalerweise abgeschaltet ist.
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Bei derartig tiefen Temperaturen liegt jedoch der Anteil an flüssigem Kältemittel vor dem Verzweiger bei im Wesentlichen 100 %, worauf die bekannten Verzweiger nicht ausgelegt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine homogene Kühlleistung in einem Batteriekühlerkreislauf über den gesamten Bereich der Umgebungstemperaturen sommers wie winters sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betrieb eines Batteriekühlersystems gelöst, wobei das Batteriekühlersystem einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Druckminderer und einem Batteriekühlerkreislauf, der wenigstens einen Kühlzweig aufweist, hat. Der Druckminderer weist ein mit einer Steuerung verbundenes Abschaltventil und zumindest eine Drosselstufe mit einer Drosselstelle mit einem fest vorgegebenen Strömungsquerschnitt auf. Der Druckabfall über den Druckminderer ist für eine minimale Betriebstemperatur ausgelegt, und das Abschaltventil wird in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gepulst betrieben.
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Bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise unter winterlichen Wetterverhältnissen, liegt der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs deutlich niedriger als bei hohen Umgebungstemperaturen, beispielsweise an einem heißen Sommertag. Erfindungsgemäß ist der Druckminderer so ausgelegt, dass der Batteriekühlkreislauf bei niedrigen Umgebungstemperaturen optimal betrieben wird. Höhere Umgebungstemperaturen würden bei diesem Betriebsmodus zu einem zu hohen Kältemittelfluss durch den Druckminderer führen, sodass das Kältemittel im Batteriekühler nicht mehr komplett verdampft werden könnte und diesen größtenteils in noch flüssigem Zustand wieder verlassen würde, wodurch die Kühlfunktion negativ beeinträchtigt werden könnte.
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Um dies zu vermeiden, wird bei höheren Umgebungstemperaturen das Abschaltventil gepulst zeitweise in seinen geschlossenen Zustand geschaltet und eine Durchströmung des Batteriekühlerkreislaufs, insbesondere eines Batterieverdampfers, unterbunden.
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Durch einen pulsweitenmodulierten Betrieb des Abschaltventils kann so mit einfachen Mitteln über den gesamten Temperaturbereich, bei dem das Fahrzeug bzw. das Batteriesystem betrieben werden soll, eine optimale Zuführung von flüssigem Kältemittel erreicht werden, die einerseits eine ausreichend homogene Beaufschlagung z.B. der inneren Verdampferfläche des Batterieverdampfers mit flüssigem Kältemittel sicherstellt und andererseits eine Überdosierung von flüssigem Kältemittel vermeidet. Da der Strömungsquerschnitt der Drosselstelle für tiefe Betriebstemperaturen ausgelegt ist, steht auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen stets ein genügend hoher Kältemittelstrom durch den Druckminderer zum Erzielen einer ausreichenden Kühlleistung für die Batteriemodule bereit und die Batteriezellen sämtlicher Batteriemodule können sehr homogen auf derselben Betriebstemperatur gehalten werden. Durch den Pulsbetrieb wird verhindert, dass zu viel flüssiges Kältemittel in den oder die Kühlzweige gelangt, das nicht vollständig verdampft und somit die Kühlleistung verringert.
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Die minimale Betriebstemperatur entspricht beispielsweise einer Umgebungstemperatur von etwa –10–0 °C. Bei der minimalen Betriebstemperatur kann das Abschaltventil durchgehend geöffnet betrieben werden, um den maximalen Kältemitteldurchfluss zu erzielen.
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Die Geometrie des Kühlzweigs, der als Verdampfer im Bereich eines Batteriemoduls dient, kann als standardmäßige U-Form ausgelegt werden, anstelle einer ansonsten verwendeten, hochpreisigen Mäanderform.
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Bei höheren Umgebungstemperaturen, beispielsweise von etwa 30–40 °C, wird hingegen das Abschaltventil vorzugsweise so betrieben, dass es etwa 40–90 % der Zeit geschlossen ist. Vergleiche der Betriebsparameter des Batteriekühlersystems und des Kältemittelkreislaufs bei niedrigen Betriebstemperaturen von etwa –10 °C und hohen Betriebstemperaturen von etwa +40 °C zeigen, dass die Kühlleistung bei tiefen Umgebungstemperaturen um etwa 40 % reduziert ist. Durch die Schließzeiten des Abschaltventils wird die höhere Leistung bei hohen Umgebungstemperaturen kompensiert.
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Vorzugsweise wird das Abschaltventil so betrieben, dass das Abschaltventil etwa 10 bis 60 Sekunden, insbesondere etwa 25 bis 40 Sekunden am Stück geöffnet oder geschlossen ist, um ein zu häufiges Schalten des Ventils zu vermeiden. Es hat sich herausgestellt, dass aufgrund der hohen thermisch aktiven Masse der Batteriemodule auch bei derartig langen Schaltzeiten eine gleichmäßige und ausreichende Kühlleistung erreicht wird.
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Die Drosselstelle kann so ausgelegt sein und das Abschaltventil so betrieben werden, dass stromabwärts der Drosselstufe das Kältemittel im Wesentlichen im flüssigen Zustand vorliegt. Bei hohen Umgebungstemperaturen ist es auch möglich, dass das Kältemittel stromabwärts der Drosselstufe vollständig im überkritischen Zustand vorliegt. In beiden Fällen hat das Kältemittel vorzugsweise nur eine einzige Phase, sodass eine Aufteilung auf verschiedene Kühlzweige auf einfache Weise möglich ist.
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Der Strömungsdurchmesser der Drosselstelle ist für eine Optimierung für winterliche Verhältnisse bei tiefen Umgebungstemperaturen beispielsweise auf eine Druckdifferenz von 10 bar (1 MPa) und eine Enthalpiedifferenz in den Kühlzweigen von 240 kJoule/kg ausgelegt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Batteriekühlersystem gelöst, mit dem insbesondere ein oben beschriebenes Verfahren durchgeführt werden kann, wobei das Batteriekühlersystem einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Druckminderer und einem Batteriekühlkreislauf aufweist, der wenigstens einen Kühlzweig hat. Der Druckminderer weist ein mit einer Steuerung verbundenes Abschaltventil und zumindest eine Drosselstufe mit einer Drosselstelle mit einem fest vorgegebenen Strömungsquerschnitt auf, die für eine minimale Betriebstemperatur ausgelegt ist. Die Steuerung und das Abschaltventil sind für einen pulsweitenmodulierten Betrieb ausgelegt. Ein derartiges Batteriekühlsystem liefert wie oben beschrieben eine optimale Kühlleistung über den gesamten Bereich von Umgebungstemperaturen, von winterlichen Bedingungen bis hin zu hohen Umgebungstemperaturen im Sommer, von etwa –10 bis +40 °C.
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Das Absperrventil ist vorzugsweise durch einen Elektromagneten geschaltet, der von der Steuerung kontrolliert und angesteuert wird.
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Der Druckminderer hat vorzugsweise einen Verzweiger zur Aufteilung des Kühlmittelstroms auf wenigstens zwei Kühlzweige, sodass mehrere Batteriemodule, die räumlich und thermisch voneinander getrennt angeordnet sind, gleichzeitig mit denselben Bedingungen gleichmäßig gekühlt werden können.
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Die Drosselstelle ist vorzugsweise in das Abschaltventil integriert, um die Anzahl separater Bauteile zu verringern.
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Anstatt im Abschaltventil könnte die Drosselstelle auch im Verzweiger angeordnet sein, beispielsweise im Bereich eines Einlasses oder einer Hauptleitung des Verzweigers vor dem Verzweigungspunkt auf die einzelnen Kühlzweige.
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Im Druckminderer ist bevorzugt eine zweite Drosselstufe vorgesehen, die insbesondere im Verzweiger, beispielsweise nach einem Verzweigungspunkt in den Auslassleitungen, die zu den beiden Kühlzweigen führen, angeordnet sein kann.
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Es ist auch möglich, die Drosselstufe direkt vor dem Verzweigungspunkt anzuordnen. Auch dann ist eine homogene Verteilung auf die einzelnen Kühlzweige gegeben, selbst wenn nach der Drosselstelle das Kältemittel ein Gas-Flüssigkeitsgemisch aufweist, da die Gasphase und die flüssige Phase aufgrund der kurzen Wegstrecke noch so gut durchmischt sind, dass eine homogene Verteilung vor allem der Flüssigkeitsanteile des Kältemittels auf die einzelnen Kühlzweige erfolgt.
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Die Vermischung von Gasphase und flüssiger Phase lässt sich durch einen Filter direkt stromabwärts der Drosselstelle unterstützen.
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Jeder der Drosselstellen kann beispielsweise durch eine kalibrierte Bohrung im Körper des Abschaltventils realisiert sein, aber auch durch ein vorgefertigtes Rohr mit kalibriertem Innendurchmesser, das in den Strömungsweg des Kältemittels im Abschaltventil eingesetzt ist.
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Im Kältemittelkreislauf ist bevorzugt ein Verdampfer einer Fahrzeugklimaanlage vorgesehen, dem ein Abschaltventil vorgeschaltet ist, welches über einen Bypass mit einem Sicherheitsventil überbrückt ist. Das Sicherheitsventil sorgt dafür, dass bei einem Überdruck im Hochdruckzweig des Kältemittelkreises (etwa 12 bis 15 MPa) ein Druckausgleich zur Niederdruckseite stattfinden kann. In diesem Fall ist im Batteriekühlkreislauf kein eigenes Sicherheitsventil vonnöten, sodass das Absperrventil vereinfacht werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugklimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Batteriekühlersystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische Schnittansicht eines Verzweigers eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in einer ersten Ausführungsform;
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3 eine schematische Schnittansicht eines Verzweigers eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine schematische Schnittansicht eines Druckminderers eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in einer dritten Ausführungsform;
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5 einen schematische Darstellung eines Schaltzyklus eines Abschaltventil eines erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems;
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6 eine diagrammatische Darstellung der maximalen Druckdifferenz am Druckminderer des erfindungsgemäßen Batteriekühlersystems in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur;
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7 eine diagrammatische Darstellung der Enthalpiedifferenz für die Verdampfung von R744 abhängig von der Umgebungstemperatur; und
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8 ein Mollierdiagramm des Kältemittels R744 mit dem Arbeitsbereich des Batteriekühlersystems bei niedrigen und bei hohen Umgebungstemperaturen.
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1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 einer nicht näher dargestellten Fahrzeug-Klimaanlage. Ein Kältemittel, hier R744, strömt durch mehrere Teilkühlkreisläufe. Es wird in einem Verdichter 12 verdichtet, bevor es in einem Gaskühler 14 abgekühlt wird, beispielsweise mittels Kühlung durch Umgebungsluft. Das gasförmige, unter hohem Druck stehende Kältemittel passiert anschließend einen inneren Wärmetauscher 16, in dem es einen Teil seiner Wärmeenergie an rückströmendes entspanntes Kältemittel abgibt.
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In einem ersten Teilkühlkreislauf 18 durchströmt das Kältemittel einen Verdampfer 20 der Fahrzeug-Klimaanlage, mit dem beispielsweise ein Fahrzeuginnenraum gekühlt wird.
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Stromaufwärts des Verdampfers 20 ist ein Abschaltventil 22 angeordnet, über das der Teilkühlkreislauf 18 abgesperrt werden kann, wenn eine Kühlung nicht benötigt wird. In diesem Beispiel enthält das Abschaltventil 22 eine Druckminderstufe in Form einer Öffnung mit verringertem Querschnitt, die als Drosselstelle wirkt und über die Druckminderung eine teilweise Entspannung des Kältemittels bewirkt.
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Die Druckminderung von der Hochdruck- zur Niederdruckseite erfolgt hier wie für R744-Kältemittelkreisläufe bekannt mit einer fest vorgegebenen Querschnittsverengung. Der Durchmesser dieser Drosselstelle wird u.a. in Abhängigkeit von der geforderten Leistung des Verdampfers gewählt.
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Das Abschaltventil 22 ist über eine Bypassleitung 24 mit einem Sicherheitsventil 26 überbrückt. Das Sicherheitsventil 26 ist so ausgelegt, das es einen Kältemittelstrom durch den Teilkühlkreislauf 18 ermöglicht, wenn am Sicherheitsventil 26 eine kritische Druckschwelle erreicht wird, die beispielsweise bei etwa 120–150 bar (12–15 MPa) liegen kann.
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Generell gilt, dass der Kältemittelkreislauf bei einer Verwendung von R744 als Kältemittel vor einem Überdruck geschützt werden muss. Dies wird hier durch das Sicherheitsventil 26 erreicht, das im Fall einer plötzlichen Druckerhöhung eine Strömungsverbindung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes öffnet. Diese Bypassfunktion hier steht in allen Betriebsbedingungen zur Verfügung. Ein derartiger Druckanstieg kann beispielsweise bei einer starken Fahrzeugbeschleunigung auftreten, bei der der Verdichterdurchsatz nicht schnell genug herunter geregelt werden kann, sodass eine große Gasmenge in den Gaskühler 14 geleitet wird.
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Das vom Verdampfer 20 zurückströmende Kältemittel passiert erneut den inneren Wärmetauscher 16 sowie einen Akkumulator 28, in dem etwaiges vorhandenes flüssiges Kältemittel abgeschieden wird, bevor das Kältemittel zum Verdichter 12 zurückströmt.
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Parallel zum ersten Teilkühlkreislauf 18 durchströmt das Kältemittel einen Batteriekühlerkreislauf 30, der Teil eines Batteriekühlersystems 32 ist. Der Batteriekühlerkreislauf kann eine Kühlleistung von etwa 0,5 bis 2 kW haben. Batteriezellen eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (nicht näher dargestellt) sind hier in mehreren Modulen angeordnet, die von zwei parallel geschalteten Kühlzweigen 34, 36 gekühlt werden. Der Batteriekühlerkreislauf 30 teilt sich also hier in zwei Kühlzweige 34, 36 auf, die nach Durchlaufen der Batteriemodule in eine gemeinsame Rückführ-Saugleitung 38 münden. Die Kühlzweige 34, 36 dienen als Verdampfer, in dem das in ihnen befindliche flüssige Kältemittel die Wärme der Batteriezellen aufnimmt und dadurch in den gasförmigen Zustand übergeht.
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Stromabwärts des Ausgangs des Verdampfers 20 mündet der erste Teilkühlkreislauf 18 in die Rückführ-Saugleitung 38.
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Stromaufwärts der beiden Kühlzweige 34, 36 ist ein Druckminderer 40 angeordnet. In der hier dargestellten Variante weist der Druckminderer 40 ein Abschaltventil 42 auf, dass stromaufwärts eines Verzweigers 44 angeordnet ist.
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In einer möglichen Ausführungsform, die später beschrieben wird (siehe 4), sind das Abschaltventil 42 und der Verzweiger 44 in einem einzigen Bauteil kombiniert. Sie können aber auch als separate Bauteile ausgebildet sein. Es wäre auch möglich, auf das Abschaltventil 42 zu verzichten und die Druckminderung vollständig über den Verzweiger 44 durchzuführen.
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Das Abschaltventil 42 ist mit einer Steuerung 46 verbunden, die den Öffnungszustand des Abschaltventils 42 bestimmen kann. In diesem Beispiel kann das Abschaltventil 42 nur die beiden Steuerzustände „offen“ und „geschlossen“ einnehmen.
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Direkt stromabwärts des Abschaltventils 42 ist in diesem Beispiel ein Temperatursensor T1 angeordnet, der ebenfalls mit der Steuerung 46 verbunden ist. Unmittelbar an der Verbindungsstelle 48 der beiden Kühlzweige 34, 36 ist hier ein zweiter Temperatursensor T2 vorgesehen, der ebenfalls mit der Steuerung 46 verbunden ist.
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In den 2 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen des Verzweigers 44 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird für alle drei Ausführungsformen das Bezugszeichen 44 verwendet.
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Der in 2 dargestellte Verzweiger 44 weist einen Körper 50 auf, in dem ein Einlass 52 ausgespart ist, der in eine Hauptleitung 54 übergeht. Am Ende der Hauptleitung 54 befindet sich ein Verzweigungspunkt 56, ab dem sich die Hauptleitung 54 in zwei Auslassleitungen 58 aufteilt, die in diesen Beispielen jeweils gleich ausgebildet sind. Jede der Auslassleitungen 58 geht in einen Auslass 60 über, über den die jeweilige Auslassleitung 58 mit einem der beiden Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislauf 30 verbunden ist.
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In den Verzweiger 44 ist eine Drosselstufe integriert, die eine als Drosselstelle wirkende Verengung aufweist und somit eine Druckminderung stromabwärts der Drosselstelle bewirkt.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Drosselstufe durch jeweils eine kalibrierte Bohrung 62 mit fest vorgegebenem Durchmesser und Läge in jeder der Auslassleitungen 58 realisiert. In diesem Fall schließt die kalibrierte Bohrung 62 direkt an die Verzweigung. 56 an und liegt somit direkt stromabwärts der Hauptleitung 54.
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Anstelle einer Verzweigung in zwei Auslassleitungen 58 könnte auch eine Verzweigung in mehr als zwei Auslassleitungen 58 vorgesehen sein. Genauso wäre es möglich, mehrere Verteiler 44 in weiteren, zum Batteriekühlerkreislauf 30 parallel geschalteten Batteriekühlerkreisläufen vorzusehen (nicht gezeigt).
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In diesem Beispiel ist die Drosselstufe erst nach dem Verzweigungspunkt 56 vorgesehen. Das führt dazu, dass das Kältemittel, das in der Hauptleitung 54 vollständig oder im Wesentlichen vollständig eine einzige Phase aufweist (in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur überkritisch oder flüssig, wie nachfolgend noch beschrieben wird), gleichmäßig auf die beiden Auslassleitungen 58 aufgeteilt wird. Aufgrund des gleichförmigen Aggregatszustands ist auch eine von der vertikalen abweichende Einbaulage der Verzweigers 44 unproblematisch.
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Innerhalb des Einlasses 52 ist hier ein Filter 64 vorgesehen, der ein Verschmutzen des Verzweigers 44 verhindert.
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Der Einlass 52 ist in diesen Beispielen in einem Anschlussstutzen 66 ausgebildet, über den der Verzweiger 44 mit den Rohrleitungen des Batteriekühlerkreislauf 30 oder mit dem Abschaltventil 42 verbunden werden kann (siehe 4).
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Die kalibrierte Bohrung 62 hat beispielsweise einen Durchmesser von 0,2–1,0 mm und einer Länge von 10–40 mm, wobei mit zunehmender Länge der Drosselstelle die Strömung stabiler wird und sich auch die Tendenz zum Aufbau von Schwingungen in der Strömung reduziert.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines Verzweigers 44, bei der die Drosselstufe im Bereich der Hauptleitung 54 vorgesehen ist. In diesem Fall erfolgt die Druckreduzierung bereits vor dem Verzweigungspunkt 56.
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Nach der Drosselstelle ist ein Filter 68 angeordnet, der das Kältemittel nach der Drosselstelle homogenisiert, indem die flüssigen und gasförmigen Anteile durchmischt werden, sodass eine homogene Verteilung auf die beiden Auslassleitungen 58 erfolgt.
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Im Beispiel der 3 ist die Drosselstelle durch ein separates, eingesetztes Rohr 70 mit einem kalibrierten Innendurchmesser gebildet. Innendurchmesser und Länge können wie bei der kalibrierten Bohrung 62 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels gewählt werden.
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Zur Befestigung des Rohrs 70 im Körper 50 des Verzweigers 44 ist eine Schraubmuffe 72 vorgesehen, die in den Anschlussstutzen 66 des Einlasses 52 eingeschraubt ist. Anstelle der Schraubmuffe 72 könnte auch eine Steckmuffe verwendet werden, die in den Anschlussstutzen 66 eingesteckt ist.
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Die Schraubmuffe 72 weist einen Endanschlag 74 auf, der für eine genaue Positionierung des Rohrs 70 in der Hauptleitung 54 sorgt.
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Einlassseitig ist das Rohr 70 von einem Filter 64 abgedeckt, der ein Verschmutzen des Verzweigers 44 verhindert.
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Der kalibrierte Innendurchmesser des eingesetzten Rohrs 70 lässt sich mit hoher Präzision als Bohrung herstellen.
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Anstelle des eingesetzten Rohrs 70 könnte in der Hauptleitung auch eine kalibrierte Bohrung im Körper 50 ausgebildet sein, wie es im Beispiel der 2 für die Auslassleitungen 58 beschrieben ist. Analog könnte auch in der in 2 dargestellten Ausführungsform anstelle der kalibrierten Bohrungen 62 in den Auslassleitungen 58 jeweils ein Rohr 70 mit kalibriertem Innendurchmesser eingesetzt sein.
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Außerdem ist es möglich, nicht nur eine Drosselstelle im Verzweiger 44 vorzusehen, sondern zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstellen, wobei die erste Drosselstelle in der Hauptleitung 54 angeordnet ist und die zweite Drosselstelle durch jeweils eine Verengung in jeder der Auslassleitungen 58 gebildet ist.
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4 zeigt einen Druckminderer 40, der zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstufen aufweisen.
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Der Druckminderer 40 ist hier aus einem Verzweiger 44 und einem Abschaltventil 42 zusammengesetzt, die über den Anschlussstutzen 66 des Verzweigers 44 miteinander verschraubt sind. Der Verzweiger 44 entspricht in diesem Beispiel dem in 2 dargestellten Verzweiger 44. Es könnte aber auch ein Verzweiger nach der in 3 dargestellten Ausführungsform oder ein anderer geeigneter Verzweiger 44 eingesetzt werden.
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Das Abschaltventil 42 wird in diesem Beispiel durch einen Elektromagneten 76 geschaltet, der mit der Steuerung 46 des Batteriekühlersystems 32 verbunden ist. Über den Elektromagnet 76 wird das Abschaltventil 42 zwischen seinen beiden Schaltzuständen „offen“ und „geschlossen“ umgeschaltet, wobei die Kältemittelströmung durch den Einlass 78 des Abschaltventils 42 entweder in vollem Umfang zugelassen oder aber komplett unterbunden wird.
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Direkt stromabwärts eines Ventilsitzes 80 des Abschaltventils 42 ist eine erste Drosselstufe realisiert, in diesem Fall durch eine kalibrierte Bohrung 82, die eine Verengung des Durchflussquerschnitts für das Kältemittel darstellt. Der Querschnitt der kalibrierten Bohrung 82 ist gegenüber dem Querschnitt des Einlasses 78 und auch gegenüber dem Querschnitt des anschließenden Einlasses 52 des Verzweigers 44 verringert. Auf diese Weise wird in der kalibrierten Bohrung 82 eine erste Entspannung des Kältemittels und eine erste Druckminderung bewirkt.
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Im Verzweiger 44 ist eine zweite Drosselstufe ausgebildet, in diesem Fall durch die durch die kalibrierten Bohrungen 62 in den Auslassleitungen 58 gebildeten Verengungen, die eine zweite Druckminderung und eine weitere Entspannung des Kältemittels bewirken.
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Anstelle der kalibrierten Bohrung 82 im Körper des Abschaltventils 42 könnte auch im Einlass 52 der Verzweigers 44 eine kalibrierte Bohrung oder ein Rohr 70 mit kalibriertem Innendurchmesser vorgesehen sein. So ließe sich der Aufbau des Abschaltventils 42 weiter vereinfachen.
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Aus den Auslassleitungen 58 strömt das Kältemittel in die beiden Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Batteriekühlersystem 32 so ausgelegt, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter „Winterbedingungen“, also bei Temperatur zwischen etwa –10 und 0 °C, über den Druckminderer eine Druckdifferenz von etwa 10 bar und eine Enthalpiedifferenz von etwa 240 kJ/kg erreicht wird. Die Druckdifferenz kann auch auf eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des gesamten Kältemittelkreislaufs 10 ausgelegt sein. Diese Parameter werden durch die spezifische Ausbildung der Drosselstufen des Druckminderers 40 erreicht.
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Wichtig ist, dass der durch die Querschnittsverringerungen in den Drosselstufen erreichte Kältemittelfluss groß genug ist, um eine ausreichende Kühlleistung für die Batteriemodule im Batteriekühlerkreislauf 30 auch bei den niedrigen Umgebungstemperaturen bereitzustellen. Unter diesen Umgebungsbedingungen wird die Phasengrenze zum überkritischen Zustand nur um etwa 1 bis 5 Kelvin überschritten (siehe auch 8).
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Bei den im Sommer herrschenden Umgebungstemperaturen, also Temperaturen bis ca. +40 °C, herrscht eine erheblich höhere Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 und auch des Batteriekühlerkreislaufs 30. Um zu verhindern, dass unter diesen Bedingungen eine zu große Menge an flüssigem Kältemittel den Verzweiger 44 passiert, welches nicht vollständig in den Kühlzweigen 34, 36 verdampft werden kann und so die Kühlleistung des Verdampfers 20 für die Klimatisierung des Fahrgastraums reduzieren würde, wird das Abschaltventil 42 gepulst betrieben.
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Dies ist schematisch in 5 dargestellt. Die durchgezogene Kurve verdeutlicht, dass bei hohen Umgebungstemperaturen das Abschaltventil 42 über die Steuerung 46 über eine Pulsweitenmodulation so betrieben wird, dass die Kühlleistung optimiert wird. Die Öffnungsdauer des Abschaltventils 42 wird von der Steuerung 46 aus den von den Temperatursensoren T1 und T2 gemeldeten Werten berechnet, also aus der Kältemitteltemperatur am Einlass 52 des Verzweigers 44 sowie der Kältemitteltemperatur nach Durchlaufen der Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30.
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Die Zeitdauer, die das Abschaltventil 42 zwischen zwei Öffnungszuständen geschlossen bleibt, kann 30 Sekunden oder mehr betragen, genauso wie die Zeitdauer, die das Abschaltventil 42 zwischen den geschlossenen Phasen geöffnet ist. Dies ist möglich, da der Batteriekühlerkreislauf 30 mit den Batteriemodulen eine höhere thermisch wirksame Masse aufweist als beispielsweise der Verdampfer 20 der Fahrzeug-Klimaanlage.
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Im Winter, also bei niedrigen Umgebungstemperaturen und einer kleinen Druckdifferenz, ist das Abschaltventil 42 hingegen durchgehend geöffnet (siehe gestrichelte Linie in 5).
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Die 6 und 7 zeigen die auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 sowie auf dessen Niederdruckseite in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur herrschenden Drücke. Der Druckverlauf der Hochdruckseite ist durch Rauten gekennzeichnet, während der Druckverlauf auf der Niederdruckseite durch Quadrate gekennzeichnet ist. Aus 6 ist abzulesen, dass bei Winterbedingungen zwischen –10 und 0 °C eine Druckdifferenz zwischen 7 bis 9 bar (0,7 bis 0,9 MPa) zu erwarten ist, während bei Sommerverhältnissen zwischen 25 und 40 °C Umgebungstemperatur erheblich höhere Druckunterschiede auftreten, etwa 35 bis 65 bar (3,5 bis 6,5 MPa), wobei auch 90 bar Druckdifferenz auftreten können.
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Aus einer derartigen Messung lässt sich für ein bestehendes Batteriekühlersystem 32 in einem Kältemittelkreislauf 10 die optimale Ausbildung des Druckminderers 40 berechnen. Hierzu muss noch die Enthalpiedifferenz bei der Verdampfung des Kältemittels, hier R744, berücksichtigt werden, die in 7 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aufgetragen ist.
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Die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite nimmt mit steigender Umgebungstemperatur stark zu. Da sich der sich einstellende Massenstrom in etwa mit der Wurzel der Druckdifferenz ändert, ergibt sich beispielsweise, dass für eine Umgebungstemperatur von –10 °C die mögliche Kühlleistung des Batteriekühlerkreislaufs 30 um etwa 40 % gegenüber einer Umgebungstemperatur von +40 °C reduziert ist. Ist das Batteriekühlersystem 32 und insbesondere der Druckminderer 40 auf einen Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen optimiert, ergibt sich daraus, dass bei einem Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen das Abschaltventil 42 ungefähr 30–90 % der Zeit geschlossen sein sollte.
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Die Gestaltung des restlichen Kältemittelkreislaufs 10, insbesondere des Teilkühlkreislaufs 18, der den Fahrzeugklimaanlagenverdampfer 20 bedient, sind von diesen Überlegungen nicht betroffen, da allein der Druckminderer 40 im Batteriekühlerkreislauf 30 entsprechend ausgelegt werden muss.
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8 zeigt anhand eines Mollierdiagramms die durchlaufenen Zyklen für einen Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 unter Sommerbedingungen (hohe Umgebungstemperaturen) und Winterbedingungen (niedrige Umgebungstemperaturen).
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Der in der Grafik obere Zyklus mit den Punkten A bis G beschreibt den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.
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Die Hochdruckseite, die hier vorzugsweise zwischen 80 und 120 bar liegt, wird im überkritischen Bereich betrieben. Von Punkt A bis Punkt B erfolgt die Verdichtung des Kältemittels im Verdichter 12. Von Punkt B zu Punkt C wird das überkritische Kältemittel im Gaskühler 14 gekühlt. Von Punkt C bis Punkt D erfolgt eine weitere Kühlung auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 durch den inneren Wärmetauscher 16. Von Punkt D nach Punkt E erfolgt eine Druckminderung in der ersten Drosselstufe des Druckminderers 40, wobei die Druckminderung maximal bis zur Flüssigkeitsgrenze erfolgt, sodass das Kältemittel immer noch nur eine einzige Phase aufweist bzw. im überkritischen Zustand ist, wenn es in den Verzweiger 44 eintritt. Von Punkt E nach Punkt F erfolgt die weitere Druckminderung in der zweiten Drosselstufe des Druckminderers 40, hier in den Auslassleitungen 58 des Verzweigers 44. Von Punkt F nach Punkt G erfolgt die Kühlung der Batteriemodule in den Kühlzweigen 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30, wobei das Kältemittel verdampft und die Wärme aus den Batteriemodulen aufnimmt. Von Punkt G nach Punkt A schließlich strömt das Kältemittel über die Rückführ-Saugleitung 38 unter Passage des inneren Wärmetauschers 16 zurück zum Verdichter 12, wobei es Wärme aus dem Hochdruckzweig aufnimmt.
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Im Winterbetrieb (unterer Zyklus in 8 mit den Punkten a–f) erfolgt der gesamte Zyklus unterhalb des kritischen Punkts. Von Punkt a nach Punkt b wird das Kältemittel verdichtet und von Punkt b nach Punkt d gekühlt. Nach der Entspannung des Kältemittels in der ersten Drosselstufe des Druckminderers 40 (Punkt d nach Punkt e) ist das Kältemittel vollständig in der flüssigen Phase. Erst beim Durchlaufen der zweiten Drosselstufe (Punkt e nach Punkt f) kann das Kältemittel gasförmige Anteile aufweisen.
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In dem hier beschriebenen Beispiel befindet sich das Kältemittel jedoch immer noch in nur einer einzigen Phase, wenn es den Verzweiger 44 erreicht. Auf diese Weise ist eine homogene Verteilung auf die beiden Kühlzweige 34, 36 einfacher möglich als bei einem Phasengemisch.
