DE102021100715A1 - Temperierungssystem zur Temperierung eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Temperierungssystem zur Temperierung eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Es wird ein Temperierungssystem für ein Kraftfahrzeug beschrieben, wobei das Temperierungssystem ausgebildet ist, eine zu temperierende Einheit, insbesondere einen elektrischen Energiespeicher, anhand eines Temperierungsfluids zu temperieren. Das Temperierungssystem umfasst eine Fluidleitung, die ausgebildet ist, Temperierungsfluid zu der zu temperierenden Einheit hin oder von der zu temperierenden Einheit weg zu führen. Des Weiteren umfasst die Temperierungseinheit zumindest einen Körper, der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung oder Kontraktion des Körpers infolge einer Temperaturerhöhung oder infolge einer Temperaturreduzierung einen Querschnitt der Fluidleitung in reversibler Weise zu verändern, um den Volumenstrom eines Fluids durch die Fluidleitung zu verändern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Temperierungssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs.
  • Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug weist einen elektrischen Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs auf. Der Energiespeicher umfasst typischerweise eine Vielzahl von Speicherzellen, die sich während des Betriebs erwärmen können. Die Erwärmung der Speicherzellen kann durch die elektrische Belastung der Speicherzellen selbst und/oder durch eine erhöhte Umgebungstemperatur des Energiespeichers bewirkt werden. Das Fahrzeug weist typischerweise ein Kühl- und/oder Heizsystem auf, das ausgebildet ist, die Speicherzellen des Energiespeichers zu kühlen bzw. zu erwärmen, um eine Beeinträchtigung der Speicherzellen aufgrund einer zu hohen Temperatur bzw. aufgrund einer zu niedrigen Temperatur zu vermeiden.
  • Das Kühl- und/oder Heizsystem (allgemein das Temperierungssystem) des Energiespeichers kann eine Fehlfunktion aufweisen, die dazu führt, dass durch das Temperierungssystem ein zu hoher Wärme- bzw. Kälteeintrag bewirkt wird. Die Fehlfunktion kann z.B. durch eine nicht-ausreichende Kühlung bzw. eine zu starke Kühlung des Temperierungsfluids des Temperierungssystems und/oder durch einen außerordentlichen Wärmeeintrag von einem Heizelement des Temperierungssystems oder von einer anderen an das Temperierungssystem angeschlossenen Komponente des Fahrzeugs bewirkt werden. Eine Fehlfunktion des Temperierungssystems kann zu einer zu starken Erwärmung bzw. zu einer zu starken Abkühlung und ggf. zu einer Beeinträchtigung des Energiespeichers führen. Insbesondere kann es bei einer zu starken Erwärmung zu einem thermischen Event oder zu einer thermischen Propagation innerhalb des elektrischen Energiespeichers kommen.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Auswirkungen einer Fehlfunktion eines Kühlsystems, allgemein eines Temperierungssystems, eines Kraftfahrzeugs in effizienter und zuverlässiger Weise zu begrenzen.
  • Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Temperierungssystem beschrieben, insbesondere ein Temperierungssystem für ein Kraftfahrzeug. Das Temperierungssystem kann ausgebildet sein, eine zu temperierende Einheit, insbesondere einen elektrischen Energiespeicher, des Kraftfahrzeugs anhand eines Temperierungsfluids zu temperieren, insbesondere zu erwärmen und/oder abzukühlen.
  • Das Temperierungssystem umfasst eine Fluidleitung, die ausgebildet ist, Temperierungsfluid zu der zu temperierenden Einheit hin oder (ggf.) von der zu temperierenden Einheit weg zu führen. Die Fluidleitung kann eine flexible und/oder eine elastische Außenwand aufweisen. Die Fluidleitung kann z.B. ein (Gummi-) Schlauch sein. Die Fluidleitung kann ausgebildet sein, ein (flüssiges oder gasförmiges) Fluid zu führen.
  • Des Weiteren kann das Temperierungssystem einen Wärmetauscher umfassen, der ausgebildet ist, das Temperierungsfluid (vor Erreichen der zu temperierenden Einheit) zu temperieren, insbesondere zu erwärmen oder abzukühlen.
  • Das Temperierungssystem umfasst zumindest einen Körper, der ausgebildet ist, durch eine (ggf. reversible) Ausdehnung des Körpers infolge einer Temperaturerhöhung den Querschnitt der Fluidleitung (ggf. in reversibler Weise) zu verändern (insbesondere zu reduzieren), um den Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren). Der Querschnitt der Fluidleitung kann dabei insbesondere durch Einwirken des sich ausdehnenden Körpers auf die Außenwand der Fluidleitung (ggf. in reversibler Weise) verändert (insbesondere reduziert) werden. Eine irreversible Ausdehnung des Körpers kann z.B. als Schutz vor einer zu starken Erhöhung der Temperatur einer zu kühlenden oder einer zu heizenden Einheit (und einem damit verbundenen thermischen Event) verwendet werden. Eine zu starke Erhöhung der Temperatur kann z.B. auftreten, wenn eine Heizung zur Erwärmung einer zu heizenden Einheit nicht rechtzeitig deaktiviert wird. Eine reversible Ausdehnung des Körpers kann zur Begrenzung bzw. zur Einstellung der Temperatur der zu kühlenden Einheit auf einen bestimmten Betriebs-Temperaturbereich verwendet werden.
  • Es wird somit ein Temperierungssystem (allgemein eine Vorrichtung) beschrieben, das (bzw. die) einen Körper (z.B. einen Ring oder eine Manschette an der oder um die Außenwand der Fluidleitung) umfasst, der sich bei Erhöhung der Temperatur des Körpers ausdehnt und so den Querschnitt der Fluidleitung verändert (insbesondere reduziert). Die Volumenausdehnung und somit die Veränderung des Querschnitts der Fluidleitung kann dabei reversibel sein, so dass bei einer (der Temperaturerhöhung entsprechenden) Reduzierung der Temperatur des Körpers, der Ursprungszustand (insbesondere der Ursprungs-Querschnitt) der Fluidleitung wiederhergestellt wird. Durch die Verwendung eines Körpers, der sich bei einer Temperaturerhöhung signifikant ausdehnt und dabei den Querschnitt der Fluidleitung signifikant verändert, insbesondere reduziert, kann der Volumenstrom eines Fluids durch die Fluidleitung in effizienter und sicherer Weise temperaturabhängig angepasst und/oder eingestellt werden. Dies kann in dem Temperierungssystem dazu verwendet werden, den Volumenstrom des Temperierungsfluids (in automatischer Weise) temperaturabhängig anzupassen. So kann eine Überhitzung bzw. eine Unterkühlung der zu temperierenden Einheit, insbesondere des elektrischen Energiespeichers, in effizienter und zuverlässiger Weise vermieden werden (auch bei Vorliegen einer Fehlfunktion des Temperierungssystems).
  • Der Körper kann ausgebildet sein, eine (ggf. reversible) Ausdehnung des Körpers bei einer Temperaturerhöhung ausgehend von einer Grenz-Temperatur zu bewirken. Die Grenz-Temperatur kann z.B. eine Temperatur sein, ab der der Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung aufgrund einer Temperaturerhöhung signifikant verändert, insbesondere reduziert, werden soll. Die Grenz-Temperatur kann z.B. zwischen 20°C und 80°C bzw. 120°C liegen.
  • Der Körper kann ein Material umfassen, das bei der Grenz-Temperatur einen Längen- oder Volumenausdehnungskoeffizienten von 50 * 10-6/K oder mehr aufweist. Bevorzugt weist das Material einen Längen- oder Volumenausdehnungskoeffizienten von 50 * 10-5 /K oder mehr oder von 50 * 10-4/K oder mehr auf (z.B. bei Verwendung eines gasförmigen Materials). Beispielhafte Materialien für den Körper sind feste Kunststoffe, wie z.B. Gummi, Polyethylen, Polypropylen, etc., und/oder Gase, wie z.B. Wasserdampf, Kohlendioxid, etc.
  • Beispielsweise kann der Körper eine elastische Hülle aufweisen, die ein (ggf. gasförmiges) Material umschließt, das ausgebildet ist, bei einer Temperaturerhöhung ausgehend von der Grenz-Temperatur eine signifikante Ausdehnung des Körpers, insbesondere der elastischen Hülle des Körpers, zu bewirken.
  • Es kann somit ein Körper mit einem Material verwendet werden, das einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich (um die Grenz-Temperatur) eine signifikante Änderung des Volumenstroms eines Fluids durch die Fluidleitung zu bewirken.
  • Der Körper kann ausgebildet sein, eine reversible Ausdehnung des Körpers bei Temperaturerhöhungen innerhalb eines bestimmten Ziel-Temperaturbereichs zu bewirken (wobei der Ziel-Temperaturbereich z.B. die o.g. Grenz-Temperatur umfasst). Der Körper kann ein Material umfassen, das innerhalb des Ziel-Temperaturbereichs einen Phasenübergang aufweist (z.B. von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand oder bei Abkühlung von einem flüssigen in einen festen Zustand, wie etwa bei Wasser). Der Körper kann eine elastische Hülle aufweisen, die ein Material umschließt, das ausgebildet ist, bei einer Temperaturerhöhung innerhalb des Ziel-Temperaturbereichs eine signifikante Ausdehnung des Körpers zu bewirken. Dies kann insbesondere dadurch bewirkt werden, dass das Material bei der Temperaturerhöhung innerhalb des Ziel-Temperaturbereichs einen Phasenübergang (von flüssig nach gasförmig) vollzieht. So kann in besonders zuverlässiger Weise eine signifikante Änderung des Volumenstroms bei einer Temperaturerhöhung bewirkt werden.
  • Der Körper kann ausgebildet sein, die elastische Außenwand der Fluidleitung durch eine reversible Ausdehnung des Körpers derart zu verformen, dass der Querschnitt der Fluidleitung verändert, insbesondere reduziert, wird. Insbesondere kann der Körper einen Ring umfassen, der um die Außenwand der Fluidleitung angeordnet ist, um bei einer Ausdehnung des Rings den Querschnitt der Fluidleitung zu verändern. Der Ring kann eine dem Profil der Fluidleitung entsprechende Form aufweisen (z.B. rund, oval oder rechteckig), insbesondere derart, dass die Innenseite des Rings die Außenwand der Fluidleitung umlaufend um die Längsachse der Fluidleitung ununterbrochen bzw. vollständig berührt. Der Ring kann somit als eine Art Dichtungsring um die Außenwand der Fluidleitung angeordnet sein. So kann eine Änderung des Volumenstroms durch die Fluidleitung in besonders effizienter und zuverlässiger Weise bewirkt werden.
  • Der Ring kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass der Ring bei einer Ausdehnung des Rings einschnürend auf die Außenwand der Fluidleitung einwirkt, und dabei den Querschnitt der Fluidleitung reduziert. Das Temperierungssystem (allgemein die Vorrichtung) kann ferner eine um den Ring verlaufende, steife und/oder nicht-dehnbare und/oder feste, Ummantelung aufweisen. Die Ummantelung kann ausgebildet sein, den um die Fluidleitung umlaufenden Ring abgesehen von der der Außenwand der Fluidleitung zugewandten Seite vollständig zu umschließen.
  • Durch die Bereitstellung einer festen Ummantelung um den ausdehnungsfähigen Körper kann in besonders zuverlässiger und effizienter Weise eine Änderung, insbesondere eine Reduzierung, des Volumenstroms durch die Fluidleitung bewirkt werden. Die Ummantelung kann dabei ausgebildet sein, die Ausdehnung des Rings zu der Außenwand der Fluidleitung hin zu konzentrieren. Alternativ oder ergänzend kann die Ummantelung ausgebildet sein, eine Ausdehnung des Rings von der Außenwand der Fluidleitung weg und/oder eine Ausdehnung des Rings parallel zu der Außenwand der Fluidleitung zu blockieren. Alternativ oder ergänzend kann die Ummantelung ausgebildet sein, eine Ausdehnung des Rings auf eine Ausdehnung zu der Außenwand der Fluidleitung hin zu beschränken.
  • Allgemein kann das Temperierungssystem (bzw. die Vorrichtung) zumindest einen Körper umfassen, der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung oder durch eine Kontraktion des Körpers infolge einer Temperaturerhöhung oder infolge einer Temperaturreduzierung den Querschnitt der Fluidleitung zu verändern, um den Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung zu verändern. Die oben dargelegten Ausführungen zu dem ausdehnungsfähigen Körper gelten in entsprechender Weise für einen ausdehnungs- und/oder kontraktionsfähigen Körper.
  • Das Temperierungssystem (bzw. die Vorrichtung) kann somit umfassen,
    • • zumindest einen Körper, der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung des Körpers infolge einer Temperaturerhöhung den Querschnitt der Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen), um den Volumenstrom eines Fluids durch die Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen); und/oder
    • • zumindest einen Körper, der ausgebildet ist, durch eine Kontraktion des Körpers infolge einer Temperaturerhöhung den Querschnitt der Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen), um den Volumenstrom eines Fluids durch die Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen); und/oder
    • • zumindest einen Körper, der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung des Körpers infolge einer Temperaturreduzierung den Querschnitt der Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen), um den Volumenstrom eines Fluids durch die Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen); und/oder
    • • zumindest einen Körper, der ausgebildet ist, durch eine Kontraktion des Körpers infolge einer Temperaturreduzierung den Querschnitt der Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen), um den Volumenstrom eines Fluids durch die Fluidleitung zu verändern (insbesondere zu reduzieren oder zu erhöhen).
  • Insbesondere kann das Temperierungssystem bzw. die Vorrichtung (wie bereits weiter oben dargelegt) zumindest einen Körper umfassen, der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung, insbesondere durch eine reversible Ausdehnung, des Körpers infolge einer Temperaturerhöhung den Querschnitt der Fluidleitung, insbesondere in reversibler Weise, zu reduzieren, um den Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung zu reduzieren. So kann in zuverlässiger Weise eine Begrenzung des Volumenstroms des Fluids bei einer zu hohen Temperatur des Fluids bewirkt werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann das Temperierungssystem bzw. die Vorrichtung zumindest einen Körper umfassen, der ausgebildet ist, durch eine Kontraktion, insbesondere durch eine reversible Kontraktion, des Körpers infolge einer Temperaturreduzierung den Querschnitt der Fluidleitung, insbesondere in reversibler Weise, zu reduzieren, um den Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung zu reduzieren. So kann in zuverlässiger Weise eine Begrenzung des Volumenstroms des Fluids bei einer zu niedrigen Temperatur des Fluids bewirkt werden.
  • Die ein oder mehreren ausdehnungs- und/oder kontraktionsfähigen Körper können dazu verwendet werden, den Volumenstrom des Fluids durch eine Fluidleitung zu begrenzen, wenn die Temperatur des Fluids einen bestimmten Betriebs-Temperaturbereich verlässt, wobei der Betriebs-Temperaturbereich durch eine untere Betriebstemperatur und durch eine obere Betriebstemperatur begrenzt sein kann. Das Temperierungssystem bzw. die Vorrichtung kann insbesondere mehrere unterschiedliche ausdehnungs- und/oder kontraktionsfähigen Körper umfassen, um den Volumenstrom bei unterschiedlichen Temperaturen zu begrenzen
  • Insbesondere kann das Temperierungssystem bzw. die Vorrichtung einen ersten Körper umfassen, der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung des ersten Körpers infolge einer Temperaturerhöhung über die obere Betriebstemperatur, den Querschnitt der Fluidleitung zu reduzieren, um den Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung zu reduzieren. Des Weiteren kann das Temperierungssystem bzw. die Vorrichtung einen zweiten Körper umfassen, der ausgebildet ist, durch eine Kontraktion (oder ggf. durch eine Ausdehnung) des zweiten Körpers infolge einer Temperaturreduzierung unter die untere Betriebstemperatur, den Querschnitt der Fluidleitung zu reduzieren, um den Volumenstrom des Fluids durch die Fluidleitung zu reduzieren.
  • Durch die Verwendung von mehreren unterschiedlichen ausdehnungs- und/oder kontraktionsfähigen Körpern kann somit der Volumenstrom des Fluids in zuverlässiger und präziser Weise reduziert werden, sobald die Temperatur des Fluids einen bestimmten Betriebs-Temperaturbereich verlässt. Dies kann innerhalb des Temperierungssystems dazu verwendet werden, bei Bedarf den Volumenstrom des Temperierungsfluids zu reduzieren, um eine zuverlässige und sichere Temperierung einer zu temperierenden Einheit zu bewirken. Dadurch kann insbesondere bewirkt werden, dass die Temperatur der zu temperierenden Einheit innerhalb eines bestimmte Temperaturbereichs verbleibt.
  • Es wird somit ein Temperierungssystem (insbesondere ein Kühl- und/oder Heizsystem) beschrieben, das ausgebildet ist, eine zu temperierende Einheit (z.B. einen elektrischen, etwa einen elektrochemischen, Energiespeicher) anhand eines Temperierungsfluids (z.B. anhand einer Temperierungsflüssigkeit) zu temperieren (insbesondere zu kühlen oder zu erwärmen).
  • Das Temperierungssystem umfasst eine Fluidleitung, die ausgebildet ist, Temperierungsfluid zu der zu temperierenden Einheit hin zu führen (z.B. um die zu temperierende Einheit zu kühlen oder zu erwärmen).
  • Des Weiteren umfasst das Temperierungssystem eine in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur temperaturabhängigen Anpassung des Volumenstroms durch die Fluidleitung (die zumindest einen ausdehnungsfähigen Körper umfasst). Die Vorrichtung, insbesondere der zumindest eine ausdehnungsfähige Körper der Vorrichtung, kann dabei insbesondere ausgebildet sein, bei einer Temperaturerhöhung ab einer Grenz-Temperatur (z.B. ab einer oberen Betriebstemperatur) und/oder bei einer Temperaturreduzierung unter eine Grenz-Temperatur (z.B. unter eine untere Betriebstemperatur) den Volumenstrom durch die Fluidleitung zu reduzieren. Die Grenz-Temperatur kann eine Temperatur sein, ab der das Temperierungsfluid nicht mehr zu einer Kühlung, sondern zu einer Erwärmung der zu temperierenden (insbesondere der zu kühlenden) Einheit führen würde. Alternativ kann die Grenz-Temperatur eine Temperatur sein, ab der das Temperierungsfluid nicht mehr zu einer Erwärmung, sondern zu einer Kühlung der zu temperierenden (insbesondere der zu erwärmenden) Einheit führen würde.
  • Das Temperierungssystem kann somit einen effizienten und zuverlässigen Schutz vor einer Fehlfunktion des Temperierungssystems aufweisen. So können in effizienter und zuverlässiger Weise Sicherheitsanforderung (z.B. ASIL Anforderungen und/oder eine bestimmte Anforderung der Eigensicherheit) an das Temperierungssystem erfüllt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Temperierungssystem umfasst. Das Fahrzeug kann einen elektrischen Energiespeicher umfassen, und das Temperierungssystem kann ausgebildet sein, den elektrischen Energiespeicher als zu temperierende Einheit zu temperieren.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1a ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Kühlsystem;
    • 1b ein beispielhaftes Kühlsystem für einen elektrischen Energiespeicher;
    • 2a und 2b unterschiedliche Ansichten eines Durchflussbegrenzers;
    • 3 einen beispielhaften Durchflussbegrenzer mit einem die Ausdehnung des Durchflussbegrenzers begrenzenden Element; und
    • 4a bis 4c zeigen unterschiedliche Zustände einer Vorrichtung zur Begrenzung des Durchflusses einer Fluidleitung mit mehreren ausdehnbaren Körpern.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Begrenzung von Auswirkungen einer Fehlfunktion eines Temperierungssystems auf eine zu temperierende Einheit. In diesem Zusammenhang zeigt 1a ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 100 mit einem elektrischen Antriebsmotor 102 und einem elektrischen Energiespeicher 101 zur Speicherung von elektrischer Energie zum Betrieb des Antriebsmotors 102. Der Energiespeicher 101 kann eine Vielzahl von (elektrochemischen) Speicherzellen zur Speicherung von elektrischer Energie aufweisen.
  • Während des Betriebs des Energiespeichers 101 können sich die Speicherzellen erwärmen. Zur Abführung der thermischen Energie kann das Fahrzeug 100 ein Temperierungssystem 110 (insbesondere ein Kühlsystem) mit einem Temperierungsfluid aufweisen, das ausgebildet ist, thermische Energie von den einzelnen Speicherzellen aufzunehmen und aus dem Energiespeicher 101 zu führen. Alternativ oder ergänzend kann es vorteilhaft und/oder erforderlich sein, den elektrischen Energiespeicher 101 für den Betrieb aufzuheizen (z.B. im Winter), um eine ausreichend hohe Entladeleistung und/oder Ladeleistung bereitzustellen. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Temperatur des Energiespeichers 101 während des Betriebs anhand des Temperierungssystems 110 innerhalb eines bestimmten Betriebs-Temperaturbereichs zu halten (z.B. zwischen 15°C und 40°C).
  • 1b zeigt ein beispielhaftes Temperierungssystem 110 mit einer Temperierungsfläche 111, an der (zur Kühlung) thermische Energie von dem Energiespeicher 101 (allgemein von der zu temperierenden Einheit) auf das Temperierungsfluid 113 oder an der (zur Erwärmung) thermische Energie von dem Temperierungsfluid 113 auf den Energiespeicher 101 übertragen wird. Das Temperierungsfluid 113 wird über ein oder mehrere Leitungen 112 zu der Temperierungsfläche 111 hin und/oder von der Temperierungsfläche 111 weg transportiert. Der Fluss des Temperierungsfluids 113 innerhalb der ein oder mehreren Leitungen 112 kann durch eine Pumpe 114 bewirkt werden. Das Temperierungsfluid 113 kann über eine Leitung 112 von der Temperierungsfläche 111 zu einem Wärmetauscher 115 geführt werden. In dem Wärmetauscher 115 kann dem Temperierungsfluid 113 thermische Energie entzogen oder zugeführt werden, so dass das abgekühlte oder erwärmte Temperierungsfluid 113 erneut zur Temperierung des Energiespeicher 101 genutzt werden kann.
  • Aufgrund einer Fehlfunktion des Temperierungssystems 110 kann es vorkommen, dass dem Temperierungsfluid 113 (z.B. in dem Wärmetauscher 115) keine oder nicht ausreichend thermische Energie entzogen wird oder dass dem Temperierungsfluid 113 thermische Energie zugeführt wird, obwohl eine Kühlung des Energiespeichers 101 erfolgen soll. Dies kann dazu führen, dass der Energiespeicher 101 nicht mehr von dem Temperierungsfluid 113 gekühlt, sondern ggf. von dem Temperierungsfluid 113 erwärmt wird. In entsprechender Weise kann es vorkommen, dass dem Temperierungsfluid 113 (z.B. in dem Wärmetauscher 115) nicht ausreichend thermische Energie zugeführt wird oder thermische Energie entzogen wird, obwohl eine Aufheizung des Energiespeichers 101 erfolgen soll. Dies kann dazu führen, dass der Energiespeicher 101 nicht auf die gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt wird, sondern ggf. weiter abgekühlt wird.
  • Das Temperierungssystem 110 kann eingerichtet sein, den Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 durch die ein oder mehreren Leitungen 112 zu dem Energiespeicher 101 hin zu begrenzen, insbesondere zu reduzieren, wenn ein Anstieg der Temperatur des Temperierungsfluids 113 (oder alternativ ein Absinken der Temperatur des Temperierungsfluids 113) erkannt wird. Der Anstieg bzw. der Abfall der Temperatur des Temperierungsfluids 113 kann z.B. auf Basis der Sensordaten eines Temperatursensors (nicht dargestellt) erkannt werden. Die Reduzierung des Volumenstroms des Temperierungsfluids 113 kann dann in Abhängigkeit von den Sensordaten durch die Pumpe 114 bewirkt werden. Die Bereitstellung eines Temperatursensors und einer von den Sensordaten abhängigen Steuerung bzw. Regelung der Pumpe 114 ist typischerweise mit einem relativ hohen Aufwand verbunden, insbesondere wenn bestimmte Sicherheitsanforderung (etwa ein bestimmter ASIL-Level, Automotive Safety Integrity Level und/oder Eigensicherheit) zu erfüllen sind.
  • In den 2a und 2b ist ein Durchflussbegrenzer 200 (d.h. eine Vorrichtung 200 zur Begrenzung des Durchflusses) dargestellt, mit dem in effizienter und sicherer Weise der Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 durch eine (flexible und/oder elastische) Leitung 112, insbesondere durch einen Schlauch, temperaturabhängig verändert werden kann. Der Durchflussbegrenzer 200 umfasst einen Ring 201, der um die elastische Leitung 112 angeordnet ist, und der ausgebildet ist, sich bei Erhöhung der Temperatur auszudehnen und dabei auf die elastische Leitung 112 einzuwirken, so dass der Querschnitt der Leitung 112 bei Erhöhung der Temperatur reduziert wird. Bei Reduzierung der Temperatur zieht sich der Ring 201 ggf. wieder zusammen, so dass sich der Querschnitt der Leitung 112 wieder (auf den Ursprungszustand) erhöht.
  • Das Temperierungssystem 110 kann somit an zumindest einer Leitung 112 einen Durchflussbegrenzer 200 aufweisen, der ausgebildet ist, automatisch durch eine temperaturabhängige Ausdehnung oder Kontraktion den Querschnitt der Leitung 112 bei Erhöhung der Temperatur zu reduzieren, so dass sich bei Erhöhung der Temperatur automatisch der Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 reduziert. Als Folge daraus werden automatisch die Auswirkungen der erhöhten Temperatur des Temperierungsfluids 113 auf den Energiespeicher 101 reduziert.
  • Der Durchflussbegrenzer 200 kann ferner derart ausgebildet sein, dass sich bei Reduzierung der Temperatur automatisch durch eine temperaturabhängige Kontraktion oder Ausdehnung der Querschnitt der Leitung 112 wieder normalisiert, so dass die Reduzierung des Volumenstroms des Temperierungsfluids 113 wieder aufgehoben wird, um (bei einer normal niedrigen Temperatur des Temperierungsfluids 113) eine zuverlässige Temperierung (insbesondere Kühlung) des Energiespeichers 101 zu ermöglichen.
  • In 2b wird anhand von Pfeilen 211 die Ausdehnung des Rings 201 bei einer Temperaturerhöhung dargestellt, wobei durch die Ausdehnung des Rings 201 der Querschnitt der Leitung 112 reduziert wird. Der Durchflussbegrenzer 200 kann, wie in 3 dargestellt, ein die Ausdehnung des Rings 201 begrenzendes Element 301 aufweisen, durch das eine Richtung für die Ausdehnung des Rings 201 vorgegeben wird. Das begrenzende Element 301 kann z.B. einen Rahmen (bzw. eine Ummantelung) um den Ring 201 umfassen, durch den der Ring 201 von außen umschlossen wird, so dass sich der Ring 201 nur in Richtung zu der Leitung 201 hin ausdehnen kann. So kann der durchflussbegrenzende Effekt des Durchflussbegrenzers 200 verstärkt werden.
  • Es kann somit ein Durchflussbegrenzer 200, z.B. mit einem ringförmigen Körper 201, um einen Schlauch 112 aufgebracht werden. Der Schlauch 112 kann, wie in diesem Dokument beispielhaft beschrieben, eine Komponente eines Kühl- und/oder Heizsystems 110 sein. Der Durchflussbegrenzer 200 weist bevorzugt einen relativ hohen Wärme-Ausdehnungskoeffizienten auf. Alternativ kann ein Durchflussbegrenzer 200 verwendet werden, der in einem bestimmten Temperaturbereich einen Phasenübergang (z.B. zwischen einer festen und einer flüssigen Phase oder zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase) aufweist, und dabei zu einer Ausdehnung des Durchflussbegrenzers 200 führt.
  • Der Durchflussbegrenzer 200 ist ausgebildet, ab einer bestimmten Grenz-Temperatur oder in einem bestimmten Ziel-Temperaturbereich aufgrund einer Ausdehnung des Durchflussbegrenzers 200 eine Kraft auf den Schlauch 112 (d.h. allgemein auf eine Fluidleitung) auszuüben, so dass sich der Querschnitt des Schlauchs 112 verkleinert. Als Folge daraus wird der Durchfluss durch den Schlauch 112 begrenzt, reduziert und/oder gestoppt.
  • Ein Durchflussbegrenzer 200 kann insbesondere um ein Verbindungsstück (insbesondere um einen Schlauchstutzen) am Eingang des Temperierungskreislaufs zu einem Energiespeicher 101 (insbesondere zu einem Hochvoltspeicher) aufgebracht werden. Der Durchflussbegrenzer 200 kann dabei einen Ring 201 umfassen, wobei der Ring 201 bevorzugt einen relativ hohen Wärme-Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Alternativ kann Material mit einem relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten in eine elastische, ringförmige Hülle eingebracht werden, um einen ausdehnungsfähigen Ring 201 bereitzustellen. Ggf. kann ein thermoaktives Material verwendet werden, das in einem bestimmten Temperaturbereich einen definierten Phasenübergang mit einer einhergehenden volumetrischen Ausdehnung aufweist.
  • Der Ring 201 kann, wie in 3 dargestellt, nach außen durch eine Ummantelung 301 gekapselt sein. Dies besitzt den Vorteil eines mechanischen und chemischen Schutzes, den Vorteil einer verbesserten Wärmeleitung und den Vorteil der Bereitstellung eines gerichteten Kraftvektors des sich ausdehnenden Rings 201 in Richtung zu der Leitung 112.
  • Wie weiter oben dargelegt, kann eine Fehlfunktion des Temperierungssystems 110 zu einer ungewünschten Erwärmung des Energiespeichers 101 (über die obere Betriebstemperatur des Betriebs-Temperaturbereichs hinaus) oder zu einer ungewünschten Kühlung des Energiespeicher 101 (unter die untere Betriebstemperatur des Betriebs-Temperaturbereichs) führen. Ein ausdehnungsfähiger Ring 201 kann dazu genutzt werden, den Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 zu reduzieren, wenn sich das Temperierungsfluid 113 zu sehr erwärmt. In entsprechender Weise kann ein ausdehnungsfähiger Ring 201 dazu verwendet werden, den Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 zu reduzieren, wenn sich das Temperierungsfluid 113 zu sehr abkühlt. Insbesondere kann zu diesem Zweck ein Ring 201 verwendet werden, der sich infolge einer Temperaturreduzierung ausdehnt oder alternativ zusammenzieht, und dabei den Querschnitt der Fluidleitung 112 reduziert, so dass der Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 infolge der Temperaturreduzierung reduziert wird.
  • In den 4a bis 4c sind unterschiedliche Zustände einer Vorrichtung 200 zur Anpassung des Volumenstroms durch eine Fluidleitung 112 dargestellt, die zwei unterschiedliche ausdehnungs- bzw. kontraktionsfähige Körper 201, 401 (insbesondere Ringe) aufweist, um den Volumenstrom bei einer Temperaturerhöhung und bei einer Temperaturreduzierung zu reduzieren bzw. zu begrenzen. Die Vorrichtung 200 kann in einem Temperierungssystem 110 verwendet werden, das dafür vorgesehen ist, die Temperatur einer zu temperierenden Einheit 101 innerhalb eines bestimmten Betriebs-Temperaturbereichs zu halten, das nach unten durch eine untere Betriebstemperatur und nach oben durch eine obere Betriebstemperatur begrenzt wird. 4a zeigt den Zustand der Vorrichtung 200 für den Fall, dass sich die Temperatur des Temperierungsfluids 113 innerhalb des Betriebs-Temperaturbereichs befindet.
  • Die Vorrichtung 200 weist einen ersten ausdehnungsfähigen Körper 201 auf, der ausgebildet ist, durch Ausdehnung des ersten Körpers 201 den Querschnitt der Fluidleitung 112 zu reduzieren, sobald die Temperatur des ersten Körpers 201 die obere Betriebstemperatur aufweist oder überschreitet. Dies ist beispielhaft in 4b dargestellt. Der erste Körper 201 kann somit ausgebildet sein, den Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 zu reduzieren, wenn das Temperierungsfluid 113 eine zu hohe Temperatur (insbesondere eine Temperatur oberhalb der oberen Betriebstemperatur) aufweist.
  • Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 200 einen zweiten Körper 401, der ausgebildet ist, durch Ausdehnung oder durch Kontraktion des zweiten Körpers 401 den Querschnitt der Fluidleitung 112 zu reduzieren, sobald die Temperatur des zweiten Körpers 401 die untere Betriebstemperatur aufweist oder unterschreitet. Dies ist beispielhaft in 4c dargestellt. Insbesondere zeigt 4c einen zweiten Körper 401, der ausgebildet ist, durch Kontraktion des zweiten Körpers 401 die Außenwand der Fluidleitung 112 zusammenzuschnüren und dabei den Querschnitt der Fluidleitung 112 zu reduzieren. Der zweite Körper 401 kann somit ausgebildet sein, den Volumenstrom des Temperierungsfluids 113 zu reduzieren, wenn das Temperierungsfluid 113 eine zu niedrige Temperatur (insbesondere eine Temperatur unterhalb der unteren Betriebstemperatur) aufweist.
  • Die Vorrichtung 200 kann somit durch die Verwendung von mehreren ausdehnungs- und/oder kontraktionsfähigen Körpern 201, 401 ausgebildet sein, den Volumenstrom des Fluids 113 innerhalb einer Fluidleitung 112 in mehreren Temperaturbereichen zu reduzieren. So kann ein besonders zuverlässiger Schutz eines Temperierungssystems 110 vor den Auswirkungen einer Fehlfunktion bereitgestellt werden.
  • Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann in besonders effizienter und sicherer Weise der Durchfluss durch eine flexible und/oder elastische Leitung 112 temperaturabhängig begrenzt werden, insbesondere bei Verwendung in einem Temperierungssystem 110.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims (10)

  1. Temperierungssystem (110) für ein Kraftfahrzeug (100), wobei das Temperierungssystem (110) ausgebildet ist, eine zu temperierende Einheit (101), insbesondere einen elektrischen Energiespeicher, des Kraftfahrzeugs (100) anhand eines Temperierungsfluids (113) zu temperieren; wobei das Temperierungssystem (110) umfasst, - eine Fluidleitung (112), die ausgebildet ist, Temperierungsfluid (113) zu der zu temperierenden Einheit (101) hin oder von der zu temperierenden Einheit (101) weg zu führen; und - zumindest einen Körper (201, 401), der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung oder durch eine Kontraktion des Körpers (201, 401) infolge einer Temperaturerhöhung oder infolge einer Temperaturreduzierung einen Querschnitt der Fluidleitung (112) zu verändern, um den Volumenstrom eines Fluids (113) durch die Fluidleitung (112) zu verändern.
  2. Temperierungssystem (110) gemäß Anspruch 1, wobei der Körper (201, 401) einen Ring umfasst, der um eine Außenwand der Fluidleitung (112) angeordnet ist, so dass der Ring bei einer Ausdehnung oder bei einer Kontraktion des Rings infolge einer Temperaturerhöhung oder infolge einer Temperaturreduzierung einschnürend auf die Außenwand der Fluidleitung (112) einwirkt, und dabei den Querschnitt der Fluidleitung (112) reduziert.
  3. Temperierungssystem (110) gemäß Anspruch 2, wobei das Temperierungssystem (110) eine um den Ring verlaufende, steife, Ummantelung (301) aufweist, die ausgebildet ist, - eine Ausdehnung des Rings zu der Außenwand der Fluidleitung (112) hin zu konzentrieren; und/oder - eine Ausdehnung des Rings von der Außenwand der Fluidleitung (112) weg und/oder eine Ausdehnung des Rings parallel zu der Außenwand der Fluidleitung (112) zu blockieren.
  4. Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Körper (201, 401) ausgebildet ist, eine Ausdehnung oder eine Kontraktion des Körpers (201, 401) infolge einer Temperaturerhöhung oder infolge einer Temperaturreduzierung ausgehend von einer Grenz-Temperatur zu bewirken; und - der Körper (201, 401) ein Material umfasst, das bei der Grenz-Temperatur einen Längen- und/oder Volumenausdehnungskoeffizienten von 50 * 10-6/K oder mehr, insbesondere von 50 * 10-5/K oder mehr oder von 50 * 10-4/K oder mehr, aufweist.
  5. Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Körper (201, 401) ausgebildet ist, eine Ausdehnung oder eine Kontraktion des Körpers (201, 401) infolge einer Temperaturerhöhung oder infolge einer Temperaturreduzierung innerhalb eines Ziel-Temperaturbereichs zu bewirken; und - der Körper (201, 401) ein Material umfasst, das innerhalb des Ziel-Temperaturbereichs einen Phasenübergang aufweist.
  6. Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper eine elastische Hülle aufweist, die ein flüssiges und/oder gasförmiges Material umschließt, das ausgebildet ist, bei einer Temperaturerhöhung oder bei einer Temperaturreduzierung eine Ausdehnung oder eine Kontraktion des Körpers (201, 401) zu bewirken.
  7. Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Fluidleitung (112) eine elastische Außenwand aufweist; und - der Körper (201, 401) ausgebildet ist, die elastische Außenwand durch eine Ausdehnung oder durch eine Kontraktion des Körpers (201, 401) derart zu verformen, dass der Querschnitt der Fluidleitung (112) reduziert wird.
  8. Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Körper (201) ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung, insbesondere durch eine reversible Ausdehnung, des Körpers (201) infolge einer Temperaturerhöhung den Querschnitt der Fluidleitung (112), insbesondere in reversibler Weise, zu reduzieren, um den Volumenstrom eines Fluids (113) durch die Fluidleitung (112) zu reduzieren; und/oder - der Körper (401) ausgebildet ist, durch eine Kontraktion, insbesondere durch eine reversible Kontraktion, des Körpers (401) infolge einer Temperaturreduzierung den Querschnitt der Fluidleitung (112), insbesondere in reversibler Weise, zu reduzieren, um den Volumenstrom eines Fluids (113) durch die Fluidleitung (112) zu reduzieren.
  9. Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Temperierungssystem (110) umfasst, - einen ersten Körper (201), der ausgebildet ist, durch eine Ausdehnung des ersten Körpers (201) infolge einer Temperaturerhöhung über eine obere Betriebstemperatur, den Querschnitt der Fluidleitung (112) zu reduzieren, um den Volumenstrom des Fluids (113) durch die Fluidleitung (112) zu reduzieren; und - einen zweiten Körper (401), der ausgebildet ist, durch eine Kontraktion oder Ausdehnung des zweiten Körpers (401) infolge einer Temperaturreduzierung unter eine untere Betriebstemperatur, den Querschnitt der Fluidleitung (112) zu reduzieren, um den Volumenstrom des Fluids (113) durch die Fluidleitung (112) zu reduzieren.
  10. Kraftfahrzeug (100), das umfasst, - eine zu temperierende Einheit (101), insbesondere einen elektrischen Energiespeicher; und - ein Temperierungssystem (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ausgebildet ist, die zu temperierende Einheit (101) zu temperieren.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003071623A2 (en) 2002-02-19 2003-08-28 Mti Microfuel Cells, Inc. Methods and apparatuses for managing fluids in a fuel cell system
DE10236998A1 (de) 2002-08-13 2004-03-04 Daimlerchrysler Ag Elektrochemische Zelle
US9763364B1 (en) 2016-06-29 2017-09-12 Intel Corporation Heat transfer liquid flow method and apparatus

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