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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuermodul für eine Klimatisierung einer Batterie, welche insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug.
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Die Batterie und insbesondere die Lithium-Ionen-Batterie eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs muss aufgrund von Lebensdauer-, Kapazitäts- und Leistungsgründen in einem definierten Temperaturfenster betrieben werden. Des Weiteren muss die Wärme, die beim Laden und Entladen in der Batterie entsteht, zuverlässig abgeführt werden.
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Bisher wird diese Funktion durch separate Pumpen und Ventile sowie dazugehörige Sensorik geleistet. Insbesondere wird hierbei Temperaturmesssensorik eingesetzt, um die Temperierung der Batterie zu steuern oder zu regeln.
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Bislang erfolgt eine Temperierung einer Batterie in der Regel durch ein so genanntes Temperaturmanagement. Ein solches Temperaturmanagement wird meist durch einzelne Pumpen, Ventile und Sensoren ausgeführt. Diese Komponenten sind in der gewünschten Weise an die Batterie anzuschließen beziehungsweise anzuklemmen.
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In der
DE 10 2015 119 098 A1 wird eine Regelanordnung für eine mechanisch regelbare Kühlmittelpumpe einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Die Regelanordnung verfügt über einen verstellbaren Regelschieber, über den ein Durchströmungsquerschnitt eines Ringspalts zwischen einem Austritt eines Kühlmittelpumpenlaufrads und einem umgebenden Förderkanal regelbar ist, eine Regelpumpe, über die ein hydraulischer Druck in einem Strömungskanal erzeugbar ist, einen ersten Druckraum des Regelschiebers, der an einer ersten axialen Seite des Regelschiebers ausgebildet ist, und ein Elektromagnetventil mit zwei Ventilsitzen und drei Strömungsanschlüssen sowie ein Schließglied, das mit einem Anker des Elektromagnetventils verbunden und axial bewegbar ist. Der erste Strömungsanschluss ist fluidisch mit einem Auslass der Regelpumpe verbunden und der zweite Strömungsanschluss mit einem ersten Druckraum des Regelschiebers. Zur möglichst raschen Regelung ist der dritte Strömungsanschluss fluidisch mit einem Einlass der Kühlmittelpumpe verbunden, wobei der erste Ventilsitz zwischen dem ersten Strömungsanschluss und dem zweiten Strömungsanschluss ausgebildet ist und der zweite Ventilsitz zwischen dem zweiten Strömungsanschluss und dem dritten Strömungsanschluss.
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Des Weiteren wird in der der Druckschrift
DE 10 2014 225 212 A1 ein Temperiersystem für Batterien beschrieben. Das Temperiersystem für eine Batterie, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie, weist zumindest ein Fluidsystem mit zumindest einem Fluidkanal und zumindest ein Regelelement zur Durchflussregelung, das in dem Fluidsystems angeordnet ist, auf. Das Regelelement kann zumindest in Abhängigkeit von einer Batterietemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur zumindest in eine Offenstellung und zumindest in eine Schließstellung gebracht werden, wodurch das Fluidsystem geöffnet oder geschlossen werden kann.
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Weiterhin offenbart die Druckschrift
DE 10 2014 113 753 A1 ein Systems und Verfahren zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer Heiz-/Kühlvorrichtung eines Fahrzeugs. Insbesondere wird ein Thermo-Steuerungssystem zur prädiktiven Steuerung und/oder Regelung einer Heiz-/Kühlvorrichtung zum Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraums vorgestellt.
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Zudem sind so genannte Thermomanagementmodule beziehungsweise Drehschiebersysteme bekannt, welche im Hauptkühlkreis ein Ventilsystem über eine starre Welle antreiben. Ein derartiges Thermomanagementmodul ist in http://m.schaeffler.de/content.mobile.products/de/products/au tomotive/engine/tmm/tmm_info.html beschrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Thermomanagement einer Batterie mit einfachen Mitteln realisieren zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Steuermodul nach Anspruch 1 gelöst. Ebenso kann eine Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuermodul realisiert werden.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Steuermodul für eine Klimatisierung einer Batterie bereitgestellt. Ein solches Steuermodul dient dazu, Kühlmittel und insbesondere einen Kühlmittelkreislauf zu steuern beziehungsweise zu regeln. Das Kühlmittel dient zur Kühlung beziehungsweise Heizung der Batterie. Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine Traktionsbatterie, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.
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Das Steuermodul besitzt ein Kühlmittelsteuerventil, einen Kühlmitteltemperatursensor und eine Kühlmittelpumpe. Durch das Kühlmittelsteuerventil wird ein Kühlmittelstrom in seiner Richtung und/oder Geschwindigkeit gesteuert. Der Kühlmitteltemperatursensor erlaubt die Messung der Temperatur des Kühlmittels. Die Kühlmittelpumpe treibt den Kühlmittelstrom in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal an.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kühlmittelsteuerventil, der Kühlmitteltemperatursensor und die Kühlmittelpumpe als selbständige Baugruppe bzw. als selbständiges Bauteil, gegebenenfalls einstückig, zu dem Steuermodul zusammengebaut sind. Es ergibt sich dadurch ein kompaktes Modul, welches körperlich eine Einheit bildet und als Einheit mit anderen Einrichtungen, zum Beispiel Batterie, zusammengebaut werden kann. Das Steuermodul stellt eine in sich funktionsfähige Einheit dar, wobei das Kühlmittelsteuerventil, der Kühlmitteltemperatursensor und die Kühlmittelpumpe wirktechnisch, insbesondere auch fluidisch, fest miteinander verbunden sind. Es ist also nicht notwendig, diese drei Komponenten noch miteinander beispielsweise mittels Schläuchen und dergleichen zu verbinden. Vielmehr stellt das Steuermodul ein in sich kompaktes und voll funktionsfähiges Mehrfunktionsbauteil dar. Entsprechend kann also ein kompaktes Steuermodul zum Thermomanagement insbesondere einer Traktionsbatterie bereitgestellt werden.
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Entsprechend einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kühlmittelsteuerventil einen ersten Kühlmitteleingang zum Anschluss an einen ersten Kühlmittelkreislauf, einen zweiten Kühlmitteleingang zum Anschluss an einen zweiten Kühlmittelkreislauf und einen Kühlmittelausgang aufweist, und der Kühlmittelausgang des Kühlmittelsteuerventils mit der Kühlmittelpumpe unmittelbar über einen Kühlmittelpfad verbunden ist. Das Steuermodul besitzt also mindestens zwei Eingänge, in die Kühlmittel einströmen kann und mindestens einen Kühlmittelausgang, aus dem das Kühlmittel von dem Steuermodul herausströmen kann. Selbstverständlich kann die Strömungsrichtung auch umgekehrt werden, sodass der vorhin genannte Kühlmittelausgang einen Kühlmitteleingang und die vorhin genannten Kühlmitteleingänge jeweils Kühlmittelausgänge bilden. Generell gilt auch im Folgenden, dass die Strömungsrichtung in jedem Kühlmittelpfad beziehungsweise Kühlmittelkreislauf nach Belieben umgekehrt werden kann.
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In einer anderen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Steuermodul eine einzige gemeinsame elektrische Schnittstelle für Versorgung und/oder Kommunikation aufweist. Das Steuermodul besitzt also beispielsweise eine Steckerbuchse mit einem oder mehreren Kontakten, um die Versorgung und/oder die Kommunikation des Steuermoduls zu gewährleisten. Gegebenenfalls besitzt die elektrische Schnittstelle eine oder mehrere Kontakte, um das Kühlmittelsteuerventil, den Kühlmitteltemperatursensor und/oder die Kühlmittelpumpe mit Energie von außen zu versorgen. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass Steuer- beziehungsweise Datensignale mit dem Steuermodul ausgetauscht werden sollen. Dazu kann die elektrische Schnittstelle entsprechende Datenkontakte beziehungsweise Steuerkontakte aufweisen.
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Darüber hinaus kann der Kühlmitteltemperatursensor in ein Gehäuse des Kühlmittelsteuerventils oder der Kühlmittelpumpe integriert sein. Es ist in diesem Fall für den Kühlmitteltemperatursensor kein eigenes Gehäuse vorgesehen. Oder zumindest ist das Gehäuse des Kühlmitteltemperatursensors einteilig mit dem Gehäuse des Kühlmittelsteuerventils oder der Kühlmittelpumpe gebildet. Vorzugsweise besitzen alle drei Komponenten des Steuermoduls ein gemeinsames, einteiliges Gehäuse.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Steuermoduls ist ein Heizelement in oder an dem Kühlmittelsteuerventil oder der Kühlmittelpumpe angebracht. Das Heizelement befindet sich dabei in beziehungsweise an dem Kühlmittelpfad des Kühlmittelsteuerventils oder der Kühlmittelpumpe, um entsprechend Wärmeenergie an das Kühlmittel in dem Kühlmittelpfad abgeben zu können. Durch das Heizelement erhält das Steuermodul die zusätzliche Funktion, die Batterie auch heizen zu können. Speziell kann so ein in die Batterie fließender Kühlmittelstrom in gewünschter Weise erwärmt werden. Bei dem Heizelement kann es sich um ein PTC-Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten handeln.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Steuermodul eine Steuerungseinrichtung aufweisen, mit dem das Steuermodul autonom steuerbar oder regelbar ist. Diese Steuerungseinrichtung steuert das Kühlmittelsteuerventil und/oder die Kühlmittelpumpe gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem Signal des Kühlmitteltemperatursensors. Damit genügt es, wenn beispielsweise das Steuermodul von außen mit einfachen Steuersignalen wie „ein“ oder „aus“ angesteuert wird. Die weitere, komplexere Steuerung übernimmt dann das Steuermodul mittels der Steuerungseinrichtung selbst. Gegebenenfalls kann mit der Steuerungseinrichtung auch eine Regelung realisiert werden, wenn beispielsweise das Steuermodul das oben genannte Heizelement aufweist.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung bildet in einem ersten Schaltzustand des Kühlmittelsteuerventils nur der erste Kühlmitteleingang einen Eingang für Kühlmittel zu dem Steuermodul und in einem zweiten Schaltzustand nur der zweite Kühlmitteleingang den Eingang für Kühlmittel zu dem Steuermodul. Das Kühlmittelsteuerventil ist also in der Lage, den Eingang von einem ersten Kühlmitteleingang zu einem zweiten Kühlmitteleingang und umgekehrt umzuschalten. In dem ersten Schaltzustand ist dann nur der erste Kühlmitteleingang mit dem Kühlmittelausgang strömungstechnisch verbunden und in dem zweiten Schaltzustand nur der zweite Kühlmitteleingang mit dem Kühlmittelausgang. Alternativ kann das Kühlmittelsteuerventil auch als Mischventil ausgebildet sein.
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Des Weiteren ist eine Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug mit dem oben genannten Steuermodul vorgesehen. Die Kühlanordnung weist eine Batterie auf, die eingangsseitig an einen Kühlmittelausgang der Kühlmittelpumpe angeschlossen ist. Dies bedeutet, dass der Kühlmitteleingang der Batterie direkt mit dem Kühlmittelausgang der Kühlmittelpumpe verbunden ist. Darüber hinaus verfügt die Kühlanordnung über einen ersten Kühlmittelkreislauf, von dem ein Teil von einem ersten Kühlmittelausgang der Batterie durch einen Wärmetauscher zu dem ersten Kühlmitteleingang des Kühlmittelsteuerventils verläuft. Dieser erste Kühlmittelkreislauf kann ein separat für die Kühlung der Batterie vorgesehener Kühlkreislauf sein. In diesem ersten Kühlmittelkreislauf ist ein Wärmetauscher integriert, der die von der Batterie aufgenommene Wärme abgeben kann. Insbesondere besitzt die Kühlanordnung einen von dem ersten getrennten zweiten Kühlmittelkreislauf, in den der Wärmetauscher ebenfalls integriert ist. Somit kann Wärme von dem ersten Kühlmittelkreislauf über den Wärmetauscher in den zweiten Kühlmittelkreislauf gelangen. Dieser zweite Kühlmittelkreislauf kann beispielsweise ein Kühlmittelkreislauf zum Kühlen eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs sein.
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Des Weiteren besitzt die Kühlanordnung einen dritten Kühlmittelkreislauf, von dem ein Teil von einem zweiten Kühlmittelausgang der Batterie zu dem zweiten Kühlmitteleingang des Kühlmittelsteuerventils verläuft, um die Batterie zu temperieren. Gegebenenfalls ist in den dritten Kühlmittelkreislauf ein Batteriekühler eingebaut, um die Batterie zu kühlen. Unter Umständen kann der dritte Kühlmittelkreislauf aber auch dazu verwendet werden, um die Batterie zu erwärmen beziehungsweise zu heizen. In einfacher Weise gelingt es durch das Steuermodul, die drei Kühlmittelkreisläufe miteinander zu kombinieren, um eine sinnvolle Kühlung der Batterie zu erreichen.
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In einer Weiterbildung der Kühlanordnung mit dem Steuermodul kann vorgesehen sein, dass das Kühlmittelsteuerventil unterhalb einer vorgegebenen Temperatur in den zweiten Schaltzustand und oberhalb der vorgegebenen Temperatur in den ersten Schaltzustand schaltet. Dies bedeutet, dass das Kühlmittelsteuerventil beispielsweise nur den dritten Kühlmittelkreislauf durch die Batterie lenkt, aber nicht den ersten Kühlmittelkreislauf, wenn die Temperatur der Batterie noch verhältnismäßig gering ist. Übersteigt die Temperatur der Batterie jedoch den vorgegebenen Temperaturwert, so schaltet das Kühlmittelsteuerventil in den ersten Schaltzustand, in dem das Kühlmittel ausschließlich aus dem ersten Kühlmittelkreislauf durch die Batterie geschickt wird. In diesem ersten Schaltzustand wird die Batterie beispielsweise effektiver mittels des ersten Kühlmittelkreislaufs gekühlt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Kühlanordnung verläuft der erste Kühlkreislauf durch mindestens eine Antriebskomponente für das Kraftfahrzeug. Beispielsweise verläuft der erste Kühlkreislauf durch den Elektromotor und/oder die Elektronik (zum Beispiel Wandler oder Ladegerät) für den Elektromotor oder die Batterie. Mit anderen Worten, der erste Kühlmittelkreislauf wird durch mindestens eine Komponente des Antriebsstrangs geleitet. Auf diese Weise kann man sich einen separaten Kühlkreislauf für die Batterie einsparen.
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Die oben im Zusammenhang mit dem Steuermodul genannten Vorteile und Weiterbildungen können auch bei der Kühlanordnung eingesetzt werden. Dadurch ergeben sich auch hier die entsprechenden Vorteile.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Steuermoduls für die Klimatisierung einer Batterie; und
- 2 eine schematische Kühlanordnung mit mehreren Kühlmittelkreisläufen in die das erfindungsgemäße Steuermodul integriert ist.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt ein konkretes Beispiel eines Steuermoduls für eine Klimatisierung einer Batterie (nicht dargestellt). Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs und vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Das in 1 dargestellte Steuermodul 1 stellt eine selbständige Baugruppe dar und besitzt ein Kühlmittelsteuerventil 2, einen Kühlmitteltemperatursensor 3 und eine Kühlmittelpumpe 4. Diese drei Komponenten 2, 3 und 4 sind fest zu einer selbstständigen Einheit verbunden und bilden ein Modul, nämlich das Steuermodul. Das Steuermodul 1 besitzt für Kühlmittelströme einen ersten Kühlmitteleingang 5, einen zweiten Kühlmitteleingang 6 und einen Kühlmittelausgang 7. Damit werden Kühlmittelströme von den Kühlmitteleingängen 5 beziehungsweise 6 zu dem Kühlmittelausgang 7 impliziert. Wie oben bereits angedeutet wurde, können die Kühlmittelströme auch in ihrer Richtung umgekehrt sein. Dies bedeutet für den konkreten Fall von 1, dass die als Kühlmittelausgang bezeichnete Kühlmittelschnittstelle dann ein Kühlmitteleingang und die beiden als Kühlmitteleingänge 5 und 6 bezeichneten Kühlmittelschnittstellen dann Kühlmittelausgänge wären. Im Folgenden werden die Schnittstellen jedoch unabhängig von der Strömungsrichtung als Kühlmitteleingänge 5 und 6 beziehungsweise Kühlmittelausgang 7 bezeichnet.
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Die Kühlmittelpumpe 4 besitzt einen Kühlmitteleingang 8, der über das Kühlmittelsteuerventil 2 mit den Kühlmitteleingängen 5 und 6 strömungstechnisch bzw. fluidisch verbunden ist. Dabei kann entweder nur der Kühlmitteleingang 5 des Steuermoduls 1 mit dem Kühlmitteleingang 8 der Kühlmittelpumpe 4 oder nur der Kühlmitteleingang 6 des Steuermoduls 1 mit dem Kühlmitteleingang 8 der Kühlmittelpumpe 4 strömungstechnisch verbunden sein. Alternativ kann es sich bei dem Kühlmittelsteuerventil 2 auch um ein Mischventil handeln, sodass auch beide Kühlmitteleingänge 5 und 6 in Durchgangsverbindung mit dem Kühlmitteleingang 8 der Kühlmittelpumpe 4 stehen können. Der Kühlmitteltemperatursensor 3 kann am Kühlmitteleingang 8 oder am Kühlmittelausgang 7 des Steuermoduls 3 angeordnet sein. Er liefert entsprechende Temperatursignale bezüglich der Temperaturwerte des Kühlmittels am jeweiligen Ort.
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Die einzelnen Komponenten des Steuermoduls 1, nämlich das Kühlmittelsteuerventil 2, der Kühlmitteltemperatursensor 3 und die Kühlmittelpumpe 4 können zusammen in einem einteiligen Gehäuse untergebracht sein, wodurch sich ein unabhängiges Modul mit mehreren integrierten Funktionen ergibt. Alternativ kann jede der Komponenten 2, 3 oder 4 auch jeweils beziehungsweise gruppenweise ein einzelnes Gehäuse besitzen. In diesem Fall sind die Einzelgehäuse fest miteinander zu dem Steuermodul 1 verbunden.
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Das Kühlmittelsteuerventil 2 kann eine elektrische Ventilschnittstelle 9, der Kühlmitteltemperatursensor 3 eine elektrische Sensorschnittstelle 10 und die Kühlmittelpumpe 4 eine elektrische Pumpenschnittstelle 11 aufweisen. Über diese Schnittstellen 9, 10 und 11 lassen sich die einzelnen Komponenten steuern beziehungsweise versorgen. Über die elektrischen Schnittstellen können aber auch gegebenenfalls Daten beziehungsweise Messsignale ein- und ausgegeben werden. In einer Weiterbildung sind sämtliche Schnittstellen 9, 10 und 11 zu einer einzelnen gemeinsamen elektrischen Schnittstelle kombiniert.
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Bei der Kühlmittelpumpe 4 handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Wasserpumpe. Unabhängig davon kann der Kühlmitteltemperatursensor 3 als Niedertemperatursensor ausgebildet sein, der nur Temperaturen unter 150 Grad Celsius messen kann (im Gegensatz zu Hochtemperatursensoren für Abgase mit bis zu 1000 Grad Celsius). Wiederum unabhängig davon kann es sich bei dem Kühlmittelsteuerventil 2 um ein so genanntes CFCV (coolant flow control valve) handeln.
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Die Kombination des Kühlmittelsteuerventils 2, des Kühlmitteltemperatursensors 3 und der Kühlmittelpumpe 4 zu einem Steuermodul für eine Klimatisierung einer Batterie hat den Vorteil, dass die Verschlauchung zwischen Pumpe und Steuerventil entfallen kann. Zudem kann auch der Temperatursensor günstig in dem Steuermodul integriert sein.
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2 zeigt eine Kühlanordnung, in die ein Steuermodul 1 integriert ist. Das Steuermodul 1 enthält integriert das Kühlmittelsteuerventil 2, den Kühlmitteltemperatursensor 3 und die Kühlmittelpumpe 4. An dem Kühlmittelsteuerventil 2 befinden sich der erste Kühlmitteleingang 5 und der zweite Kühlmitteleingang 6. Stromab des Kühlmittelsteuerventils befindet sich der in das Steuermodul integrierte Kühlmitteltemperatursensor 3, weiter stromab die Kühlmittelpumpe 4 und weiter stromab am Ausgang des Steuermoduls 1 des Kühlmittelausgang 7.
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Der Kühlmittelausgang 7 des Steuermoduls 1 ist mit einem Kühlmitteleingang einer Batterie, insbesondere einer HV-Batterie (zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterie) 12 strömungstechnisch verbunden. Die Batterie 12 besitzt im vorliegenden Beispiel einen ersten Kühlmittelausgang 13 und einen zweiten Kühlmittelausgang 14. Beide Kühlmittelausgänge 13, 14 können sich an der Frontplatte der Batterie 12 befinden.
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In dem Beispiel von 2 ist der erste Kühlmittelausgang 13 der Batterie 12 über einen Wärmetauscher 15 mit dem ersten Kühlmitteleingang 5 des Kühlmittelsteuerventils 2 verbunden. Dadurch ergibt sich ein erster Kühlmittelkreislauf 16 der vorzugsweise in Strömungsrichtung wie folgt verläuft: erster Kühlmitteleingang 5 des Kühlmittelsteuerventils 2, Kühlmitteltemperatursensor 3, Kühlmittelpumpe 4, Kühlmittelausgang 7 des Steuermoduls 1, Batterie, erster Kühlmittelausgang 13 der Batterie und Wärmetauscher 15 zurück zum ersten Kühlmitteleingang 5.
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Der Wärmetauscher 15 ist getrennt von dem ersten Kühlmittelkreislauf 16 an einen zweiten Kühlmittelkreislauf 17 angeschlossen, sodass keine direkte, aber eine indirekte Wärmeübertragung von dem ersten Kühlmittelkreislauf 16 auf den zweiten Kühlmittelkreislauf 17 ermöglicht wird. Bei dem Wärmetauscher 15 kann es sich um einen Plattenwärmetauscher handeln. Der Wärmetauscher 15 ist mit einem Kompressor 18 verbunden. Stromab von diesem befindet sich hier gegebenenfalls Sensorik 19 zur Steuerung beziehungsweise Regelung des zweiten Kühlmittelkreislaufs oder der gesamten Kühlanordnung. Wiederum stromab befindet sich im vorliegenden Beispiel ein Klimaanlagenkondensator 20, an den andererseits ein Expansionsventil 21 angeschlossen ist. Letzteres ist wiederum an den Wärmetauscher 15 angeschlossen. Parallel zu dem Wärmetauscher 15 in Serie mit dem Expansionsventil 21 kann sich ein Klimaanlagenverdampfer 22 in Serie mit einem Expansionsventil 23 befinden. Der Klimaanlagenverdampfer 22 und gegebenenfalls auch das Expansionsventil 23 können sich zur Kühlung eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs in dem Fahrgastraum 24 befinden. Damit ergibt sich der zweite Kühlmittelkreislauf 17 vorzugsweise in Strömungsrichtung wie folgt: Wärmetauscher 15, Kompressor 18, Sensorik 19, Klimaanlagenkondensator 20 und Expansionsventil 21 zurück zum Wärmetauscher 15. Ein Parallelzweig des zweiten Kühlmittelkreislaufs 17 verläuft vom Klimaanlagenkondensator 20 über das Expansionsventil 23 und den Klimaanlagenverdampfer 22 zum Kompressor 18. Der Klimaanlagenverdampfer 25 ist optional mit einem Lüfter 27 ausgestattet.
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Der zweite Kühlmittelausgang 14 der Batterie 12 ist über einen Batteriekühler 25 mit dem zweiten Kühlmitteleingang 6 des Steuermoduls 1 beziehungsweise des Kühlmittelsteuerventils 2 verbunden. Damit ergibt sich ein dritter Kühlmittelkreislauf 26, vorzugsweise in Strömungsrichtung wie folgt: zweiter Kühlmitteleingang 6 des Kühlmittelsteuerventils 2, Kühlmitteltemperatursensor 3, Kühlmittelpumpe 4, Kühlmittelausgang 7 des Steuermoduls 1, Batterie 12, Kühlmittelausgang 14 der Batterie, Batteriekühler 25 und zurück zum zweiten Kühlmitteleingang 6. Der Batteriekühler 25 ist optional mit einem Lüfter 27 ausgestattet.
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Während des Betriebs kann so das Steuermodul durch den ersten Kühlmitteleingang 5 mit kühlem Wasser über den Wärmetauscher 15 versorgt werden. Der zweite Kühlmitteleingang 6 des Kühlmittelsteuerventils 2 versorgt das Steuermodul 1 gegebenenfalls mit warmen Wasser. Das Kühlmittelsteuerventil 2 kann als Mischventil ausgeführt werden und ermöglicht somit eine optimale Temperierung der Batterie 12, da das Kühlwasser aus beiden Zugängen gemischt werden kann. Die Kühlmittelausgänge 13 und 14 der Batterie 12 dienen zum Anbinden an den Wärmetauscher 15 beziehungsweise an einen Radiator.
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Der Betrieb der Kühlanordnung kann wie folgt erfolgen: zunächst ist die Batterie 12 kalt und sie wird über den zweiten Kühlmitteleingang 6 des Steuermoduls 1 gegebenenfalls mit warmen Wasser erwärmt, das die Batterie 12 am zweiten Kühlmittelausgang 14 wieder verlässt. Mit steigender Temperatur der Batterie 12 wird gegebenenfalls der Lüfter 27 mit entsprechender Drehzahl hinzugeschaltet. Vorzugsweise sollte die Batterie 12 beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 20 Grad Celsius und 40 Grad Celsius betrieben werden. Misst der Kühlmitteltemperatursensor 3 beispielsweise 35 Grad Celsius, so kann ein entsprechendes Messsignal dazu verwendet werden, das Kühlmittelsteuerventil 2 umzuschalten, damit die Batterie nun wirksamer über den ersten Kühlmittelkreislauf 16 gekühlt werden kann. Dazu öffnet das Kühlmittelsteuerventil 2 den ersten Kühlmitteleingang 5. In einem Mischventilbetrieb kann gleichzeitig der zweite Kühlmitteleingang 6 geöffnet sein, um die Kühlmittel aus beiden Kühlmittelkreisläufen 16 und 26 für eine optimale Temperierung der Batterie 12 zu mischen. In einem Extremfall, in dem auch der erste Kühlmittelkreislauf nicht mehr in der Lage ist, die Batterie 12 ausreichend zu kühlen, kann ein Messsignal des Kühlmitteltemperatursensors 3 dazu verwendet werden, die Batterie 12 sukzessive abzuschalten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine lokale Steuereinheit (smart control hub) in das Steuermodul integriert. Damit kann die Subfunktion „Temperierung der Batterie“ in einer serverbasierten Architektur beziehungsweise in Verbindung mit einer Steuer-ECU (electronic control unit) realisiert werden.
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In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Heizelement in das Steuermodul integriert. Es wird also beispielsweise ein PTC-Heizer (positiver Temperaturkoeffizient) in das Steuermodul integriert, um die Batterie zu heizen. Dieser Heizer könnte vor dem zweiten Kühlmitteleingang 6 eingefügt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Anbindung des ersten Kühlmittelausgangs 13 der Batterie 12 an einen Kühlmittelkreis des Antriebsstrangs, der zur Kühlung des Elektromotors und/oder der Elektronik (Gleichstromwandler oder Ladegerät) dient. Dies hätte den Vorteil, dass die Abwärme dieser Komponenten zum Heizen der Batterie genutzt werden kann. In diesem Fall wäre kein eigener Batteriekühler im System enthalten.
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Das oben dargestellte Steuermodul für einen Klimatisierung einer Batterie hat den Vorteil kleiner Abmessungen mit hoher Integrationsdichte. Speziell kann die Anzahl von Verbindungsschläuchen gegenüber konventioneller Bauweise reduziert werden. Durch den kompakten Aufbau kann eine lokale Steuereinheit die Funktionen der Batterietemperaturregelung ohne Anbindung zu einer zentralen Steuereinheit darstellen. Außerdem kann ein zusätzliches Bypass-Ventil für den Kühlkreis entfallen. Darüber hinaus kann in vorteilhafter Weise eine Montage des Steuermoduls direkt an die zu kühlende Batterie erfolgen. Gegebenenfalls ist auch eine einzige elektrische Schnittstelle zur einfacheren Handhabung vorgesehen. Besondere Vorteile einer autonomen Kühlung entstehen, wenn in das Steuermodul eine eigene Steuereinrichtung integriert ist, sodass eine autonome Diagnose erfolgen kann und eventuell nur einfache Steuersignale von außen zugeführt werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuermodul
- 2
- Kühlmittelsteuerventil
- 3
- Kühlmitteltemperatursensor
- 4
- Kühlmittelpumpe
- 5
- erster Kühlmitteleingang
- 6
- zweiter Kühlmitteleingang
- 7
- Kühlmittelausgang
- 8
- Kühlmitteleingang
- 9
- Ventilschnittstelle
- 10
- Sensorschnittstelle
- 11
- Pumpenschnittstelle
- 12
- Batterie
- 13
- erster Kühlmittelausgang
- 14
- zweiter Kühlmittelausgang
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- erster Kühlmittelkreislauf
- 17
- zweiter Kühlmittelkreislauf
- 18
- Kompressor
- 19
- Sensorik
- 20
- Klimaanlagenkondensator
- 21
- Expansionsventil
- 22
- Klimaanlagenverdampfer
- 23
- Expansionsventil
- 24
- Fahrgastraum
- 25
- Batteriekühler
- 26
- dritter Kühlmittelkreislauf
- 27
- Lüfter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015119098 A1 [0005]
- DE 102014225212 A1 [0006]
- DE 102014113753 A1 [0007]
