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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Thermomanagementsystem. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung einen Antriebsstrang umfassend ein Thermomanagementsystem, ein Fahrzeug umfassend einen Antriebsstrang, und ein Verfahren zum Heizen einer Batterie eines Fahrzeugs.
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HINTERGRUND
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Eine große Mehrheit von Fahrzeugen auf den Straßen nutzen heutzutage einen Verbrennungsmotor, Internal Combustion (IC)-Motor, zum Antrieb. IC-Motoren nutzen fossile Brennstoffe wie zum Beispiel Benzin oder Diesel. Fossile Brennstoffe werden seit langem als Energieträger verwendet, da sie eine hohe Energiedichte aufweisen, die einen Betrieb über große Entfernungen ermöglicht. Allerdings entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe Treibhausgase (THG), allen voran Kohlendioxid (CO2). Ein Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre ist mit einer Erhöhung der mittleren Temperatur der Erde verbunden, was lokale und globale Veränderungen des Klimas auslöst, die wiederum die Wahrscheinlichkeit von extremen Wetterereignissen erhöhen. Darüber hinaus entstehen beim Antrieb von Fahrzeugen durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen auch andere schädliche Gase wie Stickoxide, NOx, und unverbrannte Kohle in Form von Feinstaub, PM, unterschiedlicher Größe. Diese Gase und Feinstaub sind sowohl für Menschen als auch für Tiere sehr schädlich. Daher besteht heute ein großer Bedarf, die Verbrennung fossiler Brennstoffe weltweit zu reduzieren.
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Elektrofahrzeuge bieten eine vielversprechende Alternative zu verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen. Bei Elektrofahrzeugen treibt ein Elektromotor das Fahrzeug an. Die Energie, die der Motor für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt, kann aus fossilfreien Quellen wie z. B. Wasser, Kernkraft, Wind oder Sonne gewonnen werden, wodurch die Klimabelastung sowie die Freisetzung schädlicher Gase erheblich reduziert wird.
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Die Energie kann in Batterien, z. B. Lithium-Ionen (Li-Ion) Batterien, oder in Wasserstoff für den Einsatz von Brennstoffzellen im Fahrzeug gespeichert werden. Die Reichweite des Fahrzeugs ist proportional zur Menge der gespeicherten Energie an Bord des Fahrzeugs und ist entscheidend für eine großflächige Einführung von Fahrzeugen ohne fossile Brennstoffe.
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Wenn die Energie für den Antrieb des Elektrofahrzeugs in Batterien gespeichert wird, ist die Temperatur der Batteriezelle entscheidend für die Lebensdauer und Leistung der Batteriezelle. Li-Ionen-Batterien beispielsweise sollten idealerweise bei etwa 20-40 Grad Celsius gehalten werden. Daher wird ein Thermomanagementsystem eingesetzt, um die Batterie je nach Bedarf zu heizen und zu kühlen. Das Wärmemanagementsystem kann einen Kühlmittelkreislauf für die Zirkulation eines Kühlmittels umfassen. Das Kühlmittel kann je nach Bedarf zum Heizen oder Kühlen der Batterien verwendet werden und kann wiederum z. B. durch eine elektrische Heizung erwärmt oder z. B. durch einen Wärmetauscher gekühlt werden. Das Thermomanagementsystem benötigt zum Betrieb Energie und beeinflusst somit den Energiebedarf des Fahrzeugs sowie die Reichweite des Fahrzeugs. Darüber hinaus kann das thermische System beim Starten des Fahrzeugs aus einem ausgeschalteten Zustand einige Zeit benötigen, um eine optimale Betriebstemperatur der Batterie zu erreichen, wodurch das Fahrzeug unter Umständen über einen längeren Zeitraum unter suboptimalen Bedingungen betrieben wird, was den Energieaufwand erhöht und die Lebensdauer der Batterie verkürzt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einige der obengenannten Probleme und Nachteile zu überwinden, oder zumindest zu lindern.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, wird die Aufgabe durch ein Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug gelöst, wobei das Thermomanagementsystem dazu eingerichtet ist, thermische Lasten der in dem Fahrzeug angeordneten Batterie zu managen. Das Thermomanagementsystem umfasst einen Heizer, der dazu eingerichtet ist, die Batterie zu heizen, einen Wärmetauscher und einen Batteriekühlmittelkreislauf, der in thermischer Kommunikation mit der Batterie, dem Wärmetauscher und dem Heizer angeordnet ist. Der Batteriekühlmittelkreislauf umfasst ferner eine Bypass-Leitung, die dazu eingerichtet ist, es Kühlmittel zu ermöglichen, das in dem Batteriekühlmittelkreislauf fließt, den Wärmetauscher zu umgehen. Ferner umfasst das thermische System eine Steueranordnung, die dazu eingerichtet ist, dann, wenn die Batterie ein Heizen benötigt und eine Temperatur der Luft der Umgebung des Wärmetauschers, TLuft, einen ersten Schwellenwert, TSchwell, überschreitet:
- - Ermöglichen eines Flusses durch den Wärmetauscher für zumindest einen Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf, und
- - Reduzieren des Einsatzes des Heizers.
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Das Thermomanagementsystem wird hierin als Thermomanagementsystem, thermisches System oder System abwechselnd bezeichnet. Der Batteriekühlmittelkreislauf kann einen Wärmetauscher umfassen, der in thermischer Kommunikation mit der Batterie ist.
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Da das Thermomanagementsystem eine Bypass-Leitung umfasst, die dazu eingerichtet ist, dass sie es dem im Kühlmittelkreislauf der Batterie fließenden Kühlmittel ermöglicht, den Wärmetauscher zu umgehen, kann das thermische System die Wärmemenge, die von der Luft in der Nähe des Wärmetauschers auf das im Kühlmittelkreislauf der Batterie fließende Kühlmittel übertragen wird, auf effiziente Weise einstellen. Da das thermische System darüber hinaus eine Steueranordnung umfasst, die dazu eingerichtet ist, dass sie den Einsatz des Heizers reduziert und gleichzeitig zulässt, dass zumindest ein Teil des Kühlmittels im Batteriekühlmittelkreislauf durch den Wärmetauscher fließt, wenn die Batterie beheizt werden muss und die Temperatur der Luft in der Nähe des Wärmetauschers einen ersten Schwellenwert überschreitet, kann die Wärme aus der Luft in der Nähe des Wärmetauschers genutzt werden, um das im Batteriekühlmittelkreislauf fließende Kühlmittel zu erwärmen, während gleichzeitig der Energiebedarf des Systems durch Verringerung der Leistung des Heizers reduziert wird. Dadurch wird die Energiemenge, die zum Aufheizen der Batterie auf eine optimale Betriebstemperatur benötigt wird, reduziert.
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Mit der Reduzierung des Verbrauchs des Heizers ist hier gemeint, Maßnahmen auszuführen, die die Aktivität und damit die Leistungsaufnahme des Heizers auf die eine oder andere Weise reduzieren. So kann der Verbrauch im Vergleich zu einem Verbrauch des Heizers reduziert werden, der zum Aufheizen der Batterien erforderlich wäre, wenn keine andere Beheizung des Kühlmittels vorhanden wäre. Der Verbrauch des Heizers kann also auf verschiedene Weise reduziert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Leistung des Heizers zu verringern. Die Heizung kann z. B. mit 50 % - 70 % der maximal möglichen Leistung des Heizers oder einem beliebigen anderen Prozentsatz der maximalen Leistung betrieben werden. Eine andere Alternative besteht darin, die Einschaltdauer der Heizung zu verringern. Die Heizung kann also mit 100 % Leistung betrieben werden, aber für eine kürzere Zeit, als es nötig wäre, wenn keine Wärme aus der Luft in der Nähe des Wärmetauschers gewonnen werden könnte. Das Heizgerät könnte z. B. für 70 % der Zeit bei 100 % Leistung eingeschaltet sein, als wenn die gesamte Wärme vom Heizgerät abgegeben werden soll.
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Dementsprechend wird ein Thermomanagementsystem bereitgestellt, das zumindest einige der oben genannten Probleme und Nachteile überwindet oder zumindest abmildert. Infolgedessen wird die oben genannte Aufgabe gelöst.
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Die Batterie kann eine Traktionsbatterie sein, die dazu vorgesehen ist, das Fahrzeug anzutreiben. Das Thermomanagementsystem kann Steuermittel umfassen, die die Steueranordnung reguliert oder steuert, um es zu ermöglichen, dass zumindest ein Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf durch den Wärmetauscher fließt. Der verbleibende Teil des Kühlmittels kann dann durch die Bypass-Leitung fließen. Das Steuermittel kann auch dazu vorgesehen sein, den Fluss von Kühlmittel durch die Bypass-Leitung zu steuern. Das Steuermittel kann zum Beispiel ein oder mehrere Ventile, ein oder mehrere Pumpen oder andere Steuermittel umfassen, die geeignet sind zum Steuern eines Kühlmittelflusses. Das Steuermittel kann zum Beispiel an der Kreuzung zwischen der Bypass-Leitung des Wärmetauschers und der Leitung des Wärmetauschers angeordnet sein. Das Steuermittel kann zum Beispiel für eine stufenlose Einstellbarkeit eingerichtet sein, sodass die Menge an Kühlmittel, die zu dem Wärmetauscher fließt, in einer stufenlosen Weise angepasst werden kann. Nachdem das thermische System Steuermittel umfasst, die dazu eingerichtet sind, den Fluss eines Kühlmittels durch eine Bypass-Leitung zu steuern, kann der Fluss eines Kühlmittels durch die Bypass-Leitung und daher auch durch den Wärmetauscher kontinuierlich gesteuert werden.
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Optional ist die Steueranordnung dazu eingerichtet, den Einsatz des Heizers zu reduzieren, sodass die resultierende Reduktion der Wärmemenge, die von dem Heizer zu dem Kühlmittel übertragen wird, gleich ist zu der Wärmemenge, die von der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers zu dem Kühlmittel des Wärmetauschers übertragen wird. Dabei wird die Wärmemenge, die zu dem Kühlmittel übertragen wird, gleich bleiben, nachdem die übertragene Wärmemenge, die durch Reduzieren des Energieverbrauchs des Heizers verloren geht, kompensiert wird durch die übertragene Wärmemenge, die dadurch gewonnen wird, dass Kühlmittel durch den Wärmetauscher fließt. Somit kann sichergestellt werden, dass die Temperatur des Kühlmittels gleich bleibt, selbst wenn die Leistung des Heizers reduziert wird. Auf diese Weise können die Batterien in einer robusten und verlässlichen Weise bei reduziertem Energieaufwand geheizt werden. Mit der vom Heizer auf das Kühlmittel übertragenen Wärmemenge, die gleich der von der Luft in der Nähe des Wärmetauschers auf das Kühlmittel im Wärmetauscher übertragenen Wärmemenge ist, ist hier gemeint, dass die vom Heizer auf das Kühlmittel übertragene Wärmemenge im Wesentlichen gleich der von der Luft in der Nähe des Wärmetauschers auf das Kühlmittel im Wärmetauscher übertragenen Wärmemenge ist, d. h. vorbehaltlich einer Genauigkeit, die so genau ist wie die Methode, die zur Messung oder Berechnung der Wärmeübertragung verwendet wird. Die Bestimmung der übertragenen Wärmemenge im Wärmetauscher sowie vom Heizer kann auf verschiedene, in der Technik bekannte Arten erfolgen. So kann z. B. die Temperatur des Kühlmittels vor und nach den Bauteilen gemessen und aus diesen Messungen die Wärmeübertragung abgeleitet werden. Die Temperatur der Luft vor und nach dem Wärmetauscher kann verglichen werden. Die Leistung des Heizers kann verwendet werden. Dies ist der Fachwelt gut bekannt und wird daher hier nicht weiter diskutiert.
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Optional ist die Steueranordnung ferner dazu eingerichtet, dann, wenn die Batterie ein Heizen erfordert und die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers den ersten Schwellenwert überschreitet:
- - kontinuierliches Steuern der Menge des Kühlmittels, dem es ermöglicht wird, durch den Wärmetauscher zu fließen, basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers.
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Mit dem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers ist hier das Potenzial des Wärmetauschers zum Heizen des Kühlmittelflusses innerhalb diesem gemeint. Das Heizpotenzial ist abhängig von einer Vielzahl von verschiedenen Parametern. Einige von diesen sind jedoch konstant, wie zum Beispiel die Konfiguration des Wärmetauschers selbst bezüglich Material, Wärmetauschergeometrie, den Eigenschaften wie zum Beispiel der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmittels, die nahezu konstant über zumindest einen Bereich von Druck und Temperatur ist. Andere Parameter sind variabel und tragen zu einem variierenden Heizpotenzial des Wärmetauschers bei. Einer oder mehrere von diesen variierenden Parametern können daher entweder direkt oder indirekt gemessen oder detektiert werden, um das aktuelle Heizpotenzial unter Kenntnis der konstanten Parameter zu bestimmen. Beispiele von Parametern, die detektiert werden können, sind zum Beispiel die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers, die Temperatur des Kühlmittels, das in den Wärmetauscher eintritt und/oder aus diesem Austritt, die Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels, das in den Radiator eintritt, und des Kühlmittels, das aus dem Radiator Austritt, die Differenz der Temperatur der Luft auf verschiedenen Seiten des Wärmetauschers usw. Basierend auf den konstanten und variierenden Parametern kann das Heizpotenzial bestimmt werden durch Berechnung, Nachschlagetabellen oder andere Mittel, die dem Fachmann bekannt sind.
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Da die Steueranordnung dazu eingerichtet ist, kontinuierlich die Menge an Kühlmittel zu steuern, der es ermöglicht wird, durch den Wärmetauscher zu fließen, basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers, kann die Menge an Kühlmittel, die durch den Wärmetauscher fließt, an das aktuelle Heizpotenzial des Wärmetauschers während des Betriebs angepasst werden. Dadurch ist gewährleistet, dass die größtmögliche Menge an Wärme zu jedem Zeitpunkt von dem Wärmetauscher zu dem Kühlmittel transferiert wird. Auf diese Weise kann das Heizen der Batterien mit einem weiter reduzierten Energieaufwand erreicht werden. Die Steueranordnung kann die Menge an Kühlmittel, der es ermöglicht wird, durch den Wärmetauscher zu fließen, Steuern durch Steuern der Steuermittel, beispielsweise mittels Senden elektronischer Signale zu den Steuermitteln.
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Optional umfasst das System eine Batteriekühlmittelkreislaufpumpe. Die Steueranordnung kann ferner dazu eingerichtet sein, dann, wenn die Batterie ein Heizen benötigt und die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers den ersten Schwellenwert überschreitet:
- - kontinuierliches Steuern der Batteriekühlmittelkreislaufpumpe basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers.
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Da das thermische System die Batteriekühlmittelkreislaufpumpe kontinuierlich basierend auf dem aktuellen Heizpotenzial des Radiators steuert, kann der Kühlmittelfluss durch den Wärmetauscher an das Heizpotenzial des Wärmetauschers angepasst werden. Dadurch kann der Kühlmittelfluss in dem Wärmetauscher angepasst werden an die Energiemenge, die von dem Wärmetauscher zu dem Kühlmittel transferierbar ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die größtmögliche Menge an Energie von dem Wärmetauscher zu dem Kühlmittel transferiert wird. Auf diese Weise kann das Heizen der Batterien erreicht werden mit einem weiter reduzierten Energieaufwand. Ferner, wenn ein Ventil zum Steuern des Kühlmittelflusses in den Wärmetauscher zum Absorbieren von Wärme in der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers verwendet wird und das Ventil vollständig geöffnet ist, sodass kein weiteres Kühlmittel dem Wärmetauscher mittels des Ventils bereitgestellt werden kann, dann kann die Pumpe dazu verwendet werden, den Kühlmittelfluss in den Wärmetauscher weiter zu erhöhen.
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Optional umfasst das System einen Ventilator, der dazu eingerichtet ist, einen Luftfluss über den Wärmetauscher zu erzeugen. Die Steueranordnung kann dann ferner dazu eingerichtet sein, dann, wenn die Batterie ein Heizen benötigt und die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers den ersten Schwellenwert überschreitet:
- - kontinuierliches Steuern der Drehzahl des Ventilators basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers.
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Da das thermische System die Drehzahl des Ventilators basierend auf dem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers steuert, kann die Menge an Luft, die über den Wärmetauscher strömt, an das Heizpotenzial angepasst werden. Beispielsweise kann die Drehzahl des Ventilators vergrößert werden, wenn die Luft in der Umgebung des Wärmetauschers eine hohe Temperatur aufweist, da mehr Wärme auf das in dem Wärmetauscher fließende Kühlmittel übertragen werden kann. Der erhöhte Energieaufwand des Ventilators kann dann kompensiert werden, oder sogar mehr als das, durch die erhöhte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel und den reduzierten Energieaufwand des Heizers. Daher kann auf diese Weise das Heizen der Batterien auf eine effiziente Weise bei einem reduziert Energieaufwand erreicht werden.
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Das optionale Steuern, wie es oben erläutert ist, kann einzeln oder simultan erfolgen, beispielsweise kann die Steueranordnung nur die Steuermittel, die Pumpe oder den Ventilator steuern oder irgendeine Kombination von diesen kann simultan gesteuert werden. Ferner können die aktuellen Betriebsparameter der Pumpe, des Ventilators und der Steuermittel auch zum Steuern genutzt werden. Beispielsweise kann das Anpassen des Kühlmittelflusses basierend auf der Drehzahl des Ventilators zusätzlich zu den anderen oben genannten Parametern erfolgen, usw. Das letztgenannte Steuern kann effizienter sein, also beispielsweise eine größere Energieaufwandabnahme ermöglichen, jedoch ein komplexeres Steuerschema benötigen.
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Optional ist der erste Schwellenwert dazu eingerichtet ist, während dem Betrieb des thermischen Systems kontinuierlich zu variieren. So kann der Schwellenwert, an dem die Leistung des Heizers reduziert wird und an dem es zumindest einem Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislaufpumpe ermöglicht wird, durch den Wärmetauscher zu fließen, kontinuierlich während des Betriebs angepasst werden. Dies ermöglicht eine anpassbar Steuerstrategie, bei der die in der Luft verfügbare Wärme nur genutzt wird, wenn es sinnvoll ist. Beispielsweise kann es zu bestimmten Zeitpunkten wichtiger sein, die Batterien schnell aufzuheizen als Energie zu sparen. Der erste Schwellenwert kann dann höher gesetzt werden, um es Luft in der Umgebung des Wärmetauschers zu ermöglichen, das Kühlmittel zu heizen, wenn sie heiß genug ist, um einen spürbaren Unterschied auszumachen. Ferner kann das gegenteilige der Fall sein, nämlich dass die Reduktion des Energieaufwands wichtiger ist als das schnelle aufheizen der Batterien. Ein niedriger Schwellenwert kann dann gesetzt werden, um einen langsamen Anstieg der Batterietemperatur bei geringem Energieaufwand zu ermöglichen. Auf diese Weise kann somit ein Thermomanagementsystem bereitgestellt werden, das kontinuierlich anpassbar an sich ändernde Konditionen ist, welches die Brauchbarkeit und Robustheit des Systems erhöht.
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Optional ist der Wärmetauscher als erster Wärmetauscher in dem Batteriekühlmittelkreislauf stromabwärts der Batterie angeordnet, oder als erster Wärmetauscher in dem Batteriekühlmittelkreislauf stromabwärts eines Wärmetauschers in thermischer Kommunikation mit der Batterie. Dadurch ist der Wärmetauscher der erste Wärmetauscher, der Wärme mit dem Kühlmittel austauscht, nachdem das Kühlmittel thermisch mit der Batterie interagiert hat. Somit beeinflussen keine anderen Wärmetauscher die Temperatur des Kühlmittels vor dem Wärmetauscher. Nachdem die Wärmeübertragung von Wärmetauschern beträchtlich variieren kann abhängig von aktuellen Bedingungen, erhöht dies die Verlässlichkeit des Systems. Das Steuern des Systems wird auch vereinfacht. Ein Kühlmittelausgang, der von der Batterie wegführt, oder der von einem Wärmetauscher in thermischer Kommunikation mit der Batterie wegführt, kann beispielsweise direkt mit einem Eingang des Wärmetauschers verbunden sein, beispielsweise ohne irgendwelche zusätzlichen zwischen diesen angeordnete Komponenten. Als eine Alternative können Komponenten wie Pumpen, Sensoren usw. zwischen der Batterie und dem Wärmetauscher angeordnet sein.
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Mit „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ wird hier die vorgesehene Flussrichtung des Kühlmittels in dem Kreislauf während dem Betrieb des Systems gemeint.
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Optional ist der Heizer zwischen einer Ausgangsleitung des Wärmetauschers und einer Eingangsleitung der Batterie in dem Batteriekühlmittelkreislauf angeordnet. Somit wird Kühlmittel, das in dem Kühlmittelkreislauf fließt, zuerst durch den Wärmetauscher fließen und Wärme von der Luft aufnehmen, woraufhin das Kühlmittel an dem Heizer vorbei und weiter zu den Batterien fließt. Auf diese Weise wird das Kühlmittel, das in den Wärmetauscher eintritt, so kühl wie möglich sein, was die Effizienz der Energieübertragung in dem Wärmetauscher erhöht. Der Heizer kann danach verwendet werden, um die finale Temperatur des Kühlmittels zu erhöhen, bevor das Kühlmittel in das Batteriepack zum Heizen der Batterien gespeist wird. Auf diese Weise kann daher ein Thermomanagementsystem erreicht werden, welches eine hohe thermische Effizienz aufweist.
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Optional ist der Heizer in der Bypass-Leitung angeordnet. Durch Anordnen des Heizers in der Bypass-Leitung wird das durch den Heizer fließende Kühlmittel eine niedrige Temperatur aufweisen, was die Effizienz des Heizers erhöht.
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Optional ist der Wärmetauscher dazu eingerichtet, nur die Batterie zu kühlen und/oder zu heizen. Durch die Ausgestaltung, nur die Batterie zu kühlen und/oder zu heizen, muss der Wärmetauscher keine anderen Systeme kühlen und/oder heizen, die ein Heizen oder Kühlen innerhalb des Fahrzeugs benötigen. Der Wärmetauscher kann dann anhand nur der Batterieanforderungen dimensioniert sein und muss nicht überdimensioniert sein für Einsatzfälle, in denen eine Vielzahl an Systemen ein Heizen oder Kühlen benötigt. Der Wärmetauscher kann dann kleiner ausgestaltet sein und kann einfach innerhalb des Fahrzeugs untergebracht werden. Die Kosten der Produktion werden auch verringert sein, da weniger Material benötigt wird. Auf diese Weise werden daher weniger Raum und Produktionskosten für das thermische System benötigt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Fahrzeug-Antriebsstrang umfassend eine Batterie, die dazu eingerichtet ist, elektrische Energie für einen elektrischen Motor des Fahrzeugs bereitzustellen, welches den Antriebsstrang umfasst, wobei der Antriebsstrang ein Thermomanagementsystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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Da der Antriebsstrang ein Thermomanagementsystem nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst, wird ein Antriebsstrang bereitgestellt, der ein thermisches System aufweist, welches die Energiemenge auf eine effiziente Weise anpassen kann, die von der Luft auf das in dem Batteriekühlmittelkreislauf fließende Kühlmittel übertragen werden kann. Darüber hinaus, da das Thermomanagementsystem eine Steueranordnung umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Leistung des Heizers zu reduzieren, während es gleichzeitig zumindest einem Teil des im Batteriekühlmittelkreislaufs fließenden Kühlmittels ermöglicht, durch den Wärmetauscher zu fließen, wenn die Batterie ein Heizen benötigt und die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers einen ersten Schwellenwert überschreitet, kann Wärme von der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers genutzt werden, um das in dem Kühlmittelkreislauf fließende Kühlmittel zu heizen, während gleichzeitig die Energiebedürfnisse des Systems durch Reduzieren der Leistung des Heizers reduziert werden. Dadurch kann die benötigte Energiemenge zum Heizen der Batterie auf eine optimale Betriebstemperatur reduziert werden.
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Entsprechend wird ein Antriebsstrang bereitgestellt, der zumindest einige der oben genannten Probleme und Nachteile überwindet oder zumindest lindert.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug gelöst, das einen Antriebsstrang gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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Da das Fahrzeug einen Antriebsstrang gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst, wird ein Fahrzeug mit einem thermischen System bereitgestellt, das die Wärmemenge auf eine effiziente Weise anpassen kann, welche von der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers zu dem in dem Batteriekühlmittelkreislauf fließenden Kühlmittel übertragen wird. Ferner, da das thermische System eine Steueranordnung umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Leistung des Heizers zu reduzieren, während es gleichzeitig zumindest einem Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf ermöglicht wird, durch den Wärmetauscher zu fließen, wenn ein Heizen benötigt und die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers einen ersten Schwellenwert überschreitet, kann Wärme von der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers genutzt werden, um in dem Batteriekühlmittelkreislauf fließendes Kühlmittel zu heizen, wobei gleichzeitig die Energieanforderungen des Systems reduziert werden durch Reduzieren der Leistung des Heizers. Die Menge an Energie, die benötigt wird, um die Batterie auf eine optimale Betriebstemperatur aufzuheizen, wird dadurch reduziert.
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Somit wird ein Fahrzeug bereitgestellt, welches zumindest einige der oben genannten Probleme und Nachteile überwindet oder zumindest lindert. Im Ergebnis wird die oben genannte Aufgabe gelöst.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Heizen einer Batterie in einem Fahrzeug, wobei das Fahrzeug die Batterie und ein Thermomanagementsystem umfasst. Das Thermomanagementsystem umfasst:
- - einen Heizer, der dazu eingerichtet ist, die Batterie zu heizen,
- - einen Wärmetauscher,
- - einen Batteriekühlmittelkreislauf, der in thermischer Kommunikation mit der Batterie, dem Wärmetauscher und dem Heizer angeordnet ist, wobei der Batteriekühlmittelkreislauf eine Bypass-Leitung umfasst, die dazu eingerichtet ist, es Kühlmittel zu ermöglichen, das in dem Batteriekühlmittelkreislauf fließt, den Wärmetauscher zu umgehen,
wobei das Verfahren umfasst, dann, wenn die Batterie ein Heizen benötigt und eine Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers, TLuft, einen ersten Schwellenwert, TSchwell, überschreitet: - - Ermöglichen eines Flusses durch den Wärmetauscher für zumindest einen Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf, und
- - Reduzieren des Einsatzes des Heizers.
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Da das Verfahren die Schritte des Ermöglichens eines Flusses durch den Wärmetauscher für zumindest einen Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf, und des Reduzierens des Einsatzes des Heizers umfasst, wird ein Verfahren bereitgestellt, in dem Wärme von der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers genutzt werden kann, um das in dem Batteriekühlmittelkreislauf fließende Kühlmittel aufzuheizen, während gleichzeitig die Energieanforderungen des Systems durch Reduzieren der Leistung des Heizers reduziert werden. Dadurch kann die Energiemenge, die zum Heizen der Batterie auf eine optimale Betriebstemperatur benötigt wird, reduziert werden.
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Somit kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das zumindest einige der oben genannten Probleme und Nachteile überwindet oder zumindest lindert. Im Ergebnis wird die oben genannte Aufgabe gelöst.
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Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, welches Anweisungen umfasst, welche, wenn das Programm durch einen Computer ausgeführt wird, den Computer dazu veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Im Ergebnis werden die gleichen Vorteile erreicht, wie sie oben in Verbindung mit dem Verfahren beschrieben sind.
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Somit wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das zumindest einige der oben genannten Probleme und Nachteile überwindet oder zumindest lindert. Im Ergebnis wird die oben genannte Aufgabe gelöst.
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Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein computerlesbares Medium gelöst, welches Anweisungen umfasst, welche, wenn das Programm durch einen Computer ausgeführt wird, den Computer dazu veranlassen, die Schritte des Verfahrens gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Im Ergebnis werden die gleichen Vorteile erreicht, wie sie oben in Verbindung mit dem Verfahren beschrieben sind.
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Somit wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, das zumindest einige der oben genannten Probleme und Nachteile überwindet oder zumindest lindert. Im Ergebnis wird die oben genannte Aufgabe gelöst.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden erkennbar, wenn die angehängten Ansprüche und die folgende detaillierte Beschreibung studiert werden.
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Figurenliste
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Verschiedene Aspekte der Erfindung, einschließlich ihre besonderen Merkmale und Vorteile, werden leicht aus den Ausführungsbeispielen verstanden, die in der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
- 1 schematisch ein Thermomanagementsystem darstellt, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 2 ein Fahrzeug gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt,
- 3 ein Verfahren zum Heizen einer Batterie eines Fahrzeugs darstellt, und
- 4 ein computerlesbares Medium darstellt, gemäß einigen Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchgängig auf gleiche Elemente. Bekannte Funktionen oder Konstruktionen werden aus Gründen der Kürze und/oder Übersichtlichkeit nicht unbedingt im Detail beschrieben.
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1 stellt schematisch ein Thermomanagementsystem 1 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Thermomanagementsystem ist dazu eingerichtet, thermische Lasten einer Batterie 3 zu managen, wie hier noch genauer beschrieben werden wird. Die Batterie 3 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie zu speichern, die von einem Elektromotor 24 zum Antrieb eines Fahrzeugs 20 benötigt wird, siehe 3. Die Batterie 3 kann daher eine Traktionsbatterie 3 sein. Die in der Batterie 3 gespeicherte Energie ist daher hauptsächlich dazu bestimmt, zum Antrieb des Elektromotors 24 verwendet zu werden, d. h. das Fahrzeug 20 anzutreiben. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Energie der Batterie auch zum Betreiben von elektrischen Hilfssystemen und -geräten innerhalb des Fahrzeugs 20 verwendet werden kann, wie z. B. der Klimaanlage (AC), verschiedener Sensoren, Pumpen, Heizern usw. Die Batterie 3 kann z. B. aus Li-Ionen-Batterien bestehen, aber auch andere Batterietypen, die für den Betrieb eines Elektromotors geeignet sind, werden in Betracht gezogen, wie z. B. Blei-Säure, NiCd, Li-Ion-Polymer usw. Die Batterie 3 kann ein Batteriepack sein. Das Batteriepack kann eine Vielzahl von Batteriemodulen umfassen. Jedes Batteriemodul kann wiederum eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen und/oder die Batteriemodule können elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sein, um eine gewünschte elektrische Spannung im Batteriepack zu erreichen. Die Anzahl der in einem Fahrzeug zusammengebauten Batteriepacks kann derart gewählt werden, dass die elektrische Speicherkapazität der Batterien geeignet ist, ein Fahrzeug 20, wie z. B. einen Bus oder einen Lkw, über lange Strecken anzutreiben. Das hier beschriebene Thermomanagementsystem 1 kann einen oder mehrere Batteriepacks kühlen und/oder heizen.
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Das Thermomanagementsystem 1 umfasst einen Heizer 5, der dazu eingerichtet ist, die Batterie 3 zu heizen. Der Heizer 5 kann beispielsweise ein elektrischer Heizer sein. Der Heizer 5 kann elektrische Energie zum Heizen der Batterie 3 nutzen, die in der Batterie 3 gespeichert ist. Der Heizer 5 kann stromaufwärts oder stromabwärts der Batterie 3 angeordnet sein.
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Das Thermomanagementsystem 1 umfasst ferner einen Wärmetauscher 7, der zum Heizen oder Kühlen der Batterie 3 verwendet werden kann, wie hier genauer beschrieben werden wird. Der Wärmetauscher 7 kann mit einer Vielzahl von Leitungen für ein Kühlmittel, das darin fließt, ausgebildet sein, beispielsweise innerhalb der Vielzahl von Leitungen. Luft kann an der Außenseite des Wärmetauschers 7 strömen, um das in dem Wärmetauscher fließende Kühlmittel zu kühlen oder zu heizen. Ein Ventilator 9 kann in direkter Nähe des Wärmetauschers angeordnet sein. Der Ventilator kann dazu eingerichtet sein, einen Luftstrom über den Wärmetauscher 7 zu erzeugen, d. h. der Ventilator 9 kann die Luft über den Radiator 7 blasen oder saugen und dadurch den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel innerhalb des Wärmetauschers 7 und der Luft außerhalb des Wärmetauschers 7 anpassen. Der Radiator 7 kann ferner mit Finnen ausgebildet sein und andere geometrische Konfigurationen aufweisen, die den Wärmeaustausch erhöhen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Der Wärmetauscher 7 kann dazu eingerichtet sein, nur die Batterie 3 zu kühlen und/oder zu heizen, d. h. der Wärmetauscher 7 kann ein Wärmetauscher sein, der zum Managen der Wärmelasten der Batterie 3 bestimmt ist. Der Wärmetauscher 7 kann dann spezifisch für die Batterie 3 dimensioniert sein, was Platz und Material sparen kann.
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Das Thermomanagementsystem 1 umfasst ferner einen Batteriekühlmittelkreislauf 11. Der Batteriekühlmittelkreislauf 11 ist dazu vorgesehen, ein Kühlmittel zum Übertragen von Wärme zwischen den verschiedenen Komponenten des Thermomanagementsystems zu fördern. Der Batteriekühlmittelkreislauf 11 ist in thermischer Kommunikation mit der Batterie 3 angeordnet. Die Batterie 3 kann beispielsweise innerhalb eines Gehäuses (nicht dargestellt) angeordnet sein, das Kühlmittelkanäle umfasst, die dazu eingerichtet sind, ein Kühlmittel zum Kühlen der Batterie 3 in dem Gehäuse zu fördern. Alternativ kann der Batteriekühlmittelkreislauf 11 einen Batteriewärmetauscher (nicht dargestellt) umfassen, der in thermischer Kommunikation mit der Batterie 3 ist. Dadurch kühlt oder heizt das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 die Batterie 3 mittels des Batteriewärmetauschers. Alternativ und/oder zusätzlich können die Batterien 3 durch Umgebungsluft und/oder zusätzliche Kühlkreisläufe wie zum Beispiel einen AC-Kühlmittelkreislauf gekühlt werden. Andere aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen können auch vorgesehen sein. Das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 kann dabei die Batterie 3 abhängig von der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur der Batterie 3 kühlen oder heizen. Das Kühlmittel ist vorzugsweise ein flüssiges Kühlmittel. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser sein, jedoch können selbstverständlich auch andere Kühlmittel in Betracht gezogen werden.
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Der Batteriekühlmittelkreislauf 11 ist ferner in thermischer Kommunikation mit dem Wärmetauscher 7 angeordnet. Der Wärmetauscher 7 kann einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass umfassen, die mit den Leitungen innerhalb des Wärmetauschers 7 verbunden sind. Das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 kann daher durch den Kühlmitteleinlass 7 des Wärmetauschers 7 zu den Leitungen innerhalb des Wärmetauschers und hinaus durch den Kühlmittelauslass des Wärmetauschers 7 fließen. Das Kühlmittel kann dabei in dem Wärmetauscher 7 Wärme abgeben oder Wärme absorbieren in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur der Luft, die außen an den Leitungen des Wärmetauschers strömt.
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Der Batteriekreislauf 11 umfasst ferner eine Bypass-Leitung 13, die dazu eingerichtet ist, es zu ermöglichen, dass in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 fließendes Kühlmittel den Wärmetauscher 7 umgeht.
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Der Batteriekühlmittelkreislauf 11 ist ferner in thermischer Kommunikation mit dem Heizer 5 in einer üblichen Weise angeordnet, sodass der Heizer 5 das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 heizen kann. Der Heizer 5 kann in der Bypass-Leitung 13 angeordnet sein. Der Heizer 5 kann alternativ stromaufwärts oder stromabwärts des Wärmetauschers 7 angeordnet sein. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Heizer 5 zwischen einer Auslassleitung 25a des Wärmetauschers und einer Einlassleitung 25b der Batterie 3 angeordnet. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 7 als erster Wärmetauscher in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 stromabwärts der Batterie 3 angeordnet. Der Wärmetauscher 7 ist in 1 stromabwärts der Batterie 3, jedoch stromaufwärts des Heizers 5 in der beabsichtigten Kühlmittelflussrichtung aus Sicht der Batterie 3 angeordnet.
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Das Thermomanagementsystem 1 kann ferner einen Expansionstank 17 zum Kompensieren von Druckschwankungen in dem System 1 umfassen wie auch zum Ermöglichen eines Entlüftens des Systems 1 auf eine bekannte Weise. Ferner kann das Thermomanagementsystem 1 eine Kühlmittelkreislaufpumpe 19 umfassen, die dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 zu bewegen. Ein oder mehrere Steuermittel 21 können in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 angeordnet sein, um den Fluss des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 zu steuern, wie hier genauer beschrieben werden wird. Ferner können ein oder mehrere Sensoren 23 vorgesehen sein, um Parameter im Zusammenhang mit dem Betrieb des Thermomanagementsystem 1 zu überwachen.
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Das Thermomanagementsystem 1 umfasst ferner eine Steueranordnung 15, die dazu eingerichtet ist, den Kühlmittelfluss in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 zu steuern. Die Steueranordnung 15 ist auch dazu eingerichtet, den Heizer 5 zu steuern, wie hier noch genauer beschrieben werden wird.
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Das Thermomanagementsystem 1 kann - wie oben beschrieben - Steuermittel 21 umfassen, die dazu eingerichtet sind, den Kühlmittelfluss durch die Bypass-Leitung 13 zu steuern. Die Steuermittel 21 können wie in 1 dargestellt ein Zwei-Wege-Ventil 21 darstellen, das stromabwärts des Wärmetauschers 7 angeordnet ist. Alternativ kann das Zwei-Wege-Ventil 21 stromaufwärts des Wärmetauschers 7, an der Kreuzung mit der Bypass-Leitung 13, angeordnet sein, d. h. an der Position, die mit Bezugszeichen 21' in 1 gekennzeichnet ist. Als weitere Alternative kann ein Ventil 21 in der Bypass-Leitung 13 angeordnet sein, um den Kühlmittelfluss in der Bypass-Leitung 13 zu steuern, und ein Ventil kann nahe des Einlasses des Radiators 7 angeordnet sein. Andere Ausgestaltungen sind natürlich auch möglich. Das Steuermittel 21 kann stufenlos einstellbar sein, d.h. es kann die Kühlmittelmenge, die zum Wärmetauscher 7 fließen darf, stufenlos steuern. Die Steueranordnung 15 kann die Steuermittel 21 steuern.
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Die Steueranordnung 15 kann ferner dazu eingerichtet sein, die Pumpe 19 und/oder den Ventilator 9 zu steuern. Ferner kann die Steueranordnung 15 Daten von dem einen oder den mehreren Sensoren 23 empfangen, die in dem System 1 angeordnet sind, und diese Daten zum Steuern der verschiedenen Komponenten des Systems 1 zu nutzen, wie noch genauer beschrieben werden wird. In 1 stellen gestrichelte Linien Steuer- und/oder Informationssignale dar, die von und/oder zu der Steueranordnung 15 gesendet werden.
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Die Zellentemperatur der Batterie 3 ist entscheidend für die Zellenlebensdauer und die Zellenleistung. Es ist daher von großer Wichtigkeit, die Temperatur der Batterie 3 zu managen. Die optimale Zellentemperatur variiert in Abhängigkeit von den elektrochemischen Eigenschaften der Batterie, d. h. dem Typ der Batterie, liegt jedoch normalerweise im Bereich von 20-40 Grad Celsius für Lithium-Ionen-Batterien.
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Wenn die Temperatur der Batterie höher ist als eine optimale Betriebstemperatur, benötigt die Batterie 3 eine Kühlung. Wenn die Temperatur der Luft, die über den Wärmetauscher 7 strömt, niedriger ist als die Temperatur der Batterie 3, dann kann der Wärmetauscher 7 genutzt werden, um in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 fließendes Kühlmittel zu kühlen. Dies ist der häufigste Fall, wenn das Fahrzeug 20 angetrieben wird, da die Luft außerhalb normalerweise eine niedrigere Temperatur aufweist als die optimale Temperatur der Batterie, insbesondere wenn komprimierte Luft genutzt wird, um das Kühlmittel in dem Wärmetauscher 7 zu kühlen. Wenn die Lufttemperatur zu heiß ist um die Batterien zu kühlen, kann ein Kühlsystem umfassend einen Kompressor, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Expansionsventil genutzt werden, um das Kühlmittel zu kühlen. Ein derartiges System, das nicht in 1 gezeigt ist, kann zusätzlich zu den in 1 vorgesehenen Komponenten vorgesehen sein. Derartige Systeme sind jedoch im Stand der Technik bekannt und werden in dieser Offenbarung nicht genauer beschrieben.
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Bei Winterklima besteht öfter das Bedürfnis, die Traktionsbatterien 3 zu heizen. Da diese Energie oft von der Batterie 3 erhalten wird, beeinflusst dieses Heizen die für den Fahrantrieb verfügbare Energie. Somit kann die elektrische Reichweite des Fahrzeugs 20 durch die Heizanforderungen der Batterie 3 signifikant reduziert werden. Wenn das Fahrzeug 20 geparkt ist, beispielsweise während der Nacht oder über das Wochenende, und sich in einem kalten Klima befindet, dann werden die Traktionsbatterien 3 auf niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Diese benötigen daher ein Heizen, um eine volle Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Wenn die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 7 höher ist als die Temperatur der Batterie 3, dann kann der Wärmetauscher 7 genutzt werden, um das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 zu heizen. Wenn das Fahrzeug 20 stillsteht, dann weist die Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 7 oftmals die gleiche Temperatur auf wie die Umgebungsluft. Da die thermische Masse der Batterie 3 groß ist, kann es eine beachtliche Zeit dauern, um die Batterie 3 auf eine optimale Betriebstemperatur zu heizen. In manchen meteorologischen Bedingungen kann die Temperatur der Umgebungsluft beachtlich schneller ansteigen als die der Traktionsbatterien 3, beispielsweise während Sonnenschein oder wenn eine Warmluftfront während der Morgenstunden bläst. Während einem Teil der Heizsequenz kann die Temperatur der Umgebungsluft und daher auch die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers daher beachtlich höher sein als die Temperatur der Batterie 3. Um Gebrauch von dieser Energie zu machen, ist die Steueranordnung 15 dazu eingerichtet, dann, wenn die Batterie 3 ein Heizen benötigt und eine Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 3, TLuft, einen ersten Schwellenwert, TSchwell, überschreitet:
- - Ermöglichen eines Flusses durch den Wärmetauscher 7 für zumindest einen Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf 7, und
- - Reduzieren des Einsatzes des Heizers 5.
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Wenn die Batterie 3 ein Heizen benötigt, dann kann die Wärme in der Luft somit genutzt werden, um das Kühlmittel in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 zu heizen, in dem ermöglicht wird, dass das Kühlmittel durch den Wärmetauscher fließt. Da das Kühlmittel die Wärme in dem Wärmetauscher 7 absorbiert, wird der Heizer 5 nicht zu sehr benötigt, um das Kühlmittel zu heizen, und der Einsatz des Heizers 5 kann reduziert werden, beispielsweise mittels Reduzieren der Leistung des Heizers 5 oder mittels Reduzieren des Zeitaufwands, bei dem der Heizer 5 aktiv ist. Bei manchen Gegebenheiten kann der Heizer 5 vollständig ausgeschaltet sein. Auf diese Weise können beträchtliche Energieeinsparungen realisiert werden. Es kann festgestellt werden, dass die Batterie 3 ein Heizen benötigt, wenn die Temperatur der Batterie 3 unterhalb einer optimalen Temperatur der Batterie 3 liegt, die vorab ermittelt wurde, beispielsweise mittels Tests der Batterie 3 oder durch Kennen der optimalen Temperatur für den Typ von Batterie 3, der in der spezifischen Anwendung genutzt wird.
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Der erste Schwellenwert TSchwell kann beispielsweise die aktuelle Temperatur der Batterie 3 sein und kann durch einen Temperatursensor 23 auf eine übliche Weise ermittelt werden. Der erste Schwellenwert TSchwell kann alternativ ein vorgegebener Wert sein, der oberhalb der aktuellen Temperatur der Batterie 3 liegt. Der erste Schwellenwert TSchwell kann als andere Alternative ein fester vorgegebener Wert sein, bei dem festgestellt wurde, dass er dann, wenn Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 7 den vorgegebenen Wert überschreitet, statistisch vorteilhaft ist, die Energie in der Luft zu nutzen, um die Batterie 3 zu heizen. Die Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 3 kann auf eine übliche Weise gemessen werden mittels eines Temperaturfühlers oder eines Sensors 23. Der erste Schwellenwert TSchwell kann ermittelt werden wird durch Messen der Temperatur des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 an mehreren Orten entlang des Batteriekühlmittelkreislaufs 11 und Nutzen der erhaltenen Daten, um den ersten Schwellenwert zu berechnen oder zu bestimmen. Der erste Schwellenwert TSchwell kann ermittelt werden basierend auf der Temperatur des Kühlmittels an einem Kühlmittelauslass der Batterie 3. Alternativ kann der erste Schwellenwert TSchwell ermittelt werden basierend auf der Temperatur des Kühlmittels an einem Kühlmitteleinlass des Wärmetauschers 7. Der erste Schwellenwert TSchwell kann dazu eingerichtet sein, während dem Betrieb des Thermomanagementsystems 1 kontinuierlich zu variieren. Der erste Schwellenwert TSchwell kann abhängig von einer Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel, das in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 zirkuliert, und der Temperatur der Luft der Umgebung des Wärmetauschers 7 variieren. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Schwellenwert TSchwell abhängig von der Heizanforderung der Batterie 3, einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 und/oder der Temperatur der Batterie 3 variieren.
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Die Steueranordnung 15 kann dazu eingerichtet sein, den Einsatz des Heizers 5 derart zu reduzieren, dass die resultierende Reduktion der Wärmemenge, die von dem Heizer auf das Kühlmittel übertragen wird, im Wesentlichen gleich ist zu der Wärmemenge, die von der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 7 auf das Kühlmittel in dem Wärmetauscher 7 übertragen wird. Um die Wärmemenge zu bestimmen, die von der Luft auf das Kühlmittel in dem Wärmetauscher 7 übertragen wird, kann ein erster Temperatursensor stromaufwärts des Wärmetauschers in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 angeordnet sein, und ein zweiter Temperatursensor 23b kann stromabwärts des Wärmetauschers 7 in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 angeordnet sein. Durch Vergleichen der Temperatur des Kühlmittels, wie sie durch den ersten Sensor 23a und den zweiten Sensor 23b bestimmt wurden, kann die Energiemenge bestimmt werden, die auf das Kühlmittel in dem Wärmetauscher 7 übertragen wurde. Andere Vorgehensweisen zum Bestimmen der übertragenen Energiemenge sind auch möglich, beispielsweise durch Umsetzung ähnlicher Messungen der Temperatur der Luft vor und nach dem Passieren des Wärmetauschers 7.
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Die Steueranordnung 15 kann Signale von dem Sensor 23 empfangen, wobei diese Signale genutzt werden können, um ein aktuelles Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 zu bestimmen. Die Sensoren 23 können beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels vor und nach dem Wärmetauscher 7, die Temperatur der Luft vor dem Überströmen des Wärmetauschers 7 und nach dem Überströmen des Wärmetauschers 7, die Drehzahl des Ventilators 9, den Fluss des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf 11 usw. bestimmen. Sind manche oder all diese Eingaben gegeben, kann die Steueranordnung 15 das aktuelle Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 bestimmen. Es sei angemerkt, dass das bestimmte Heizpotenzial nicht exakt mit dem tatsächlichen Heizpotenzial übereinstimmen muss. Für die Zwecke der Steuerung kann jedoch ein bestimmter Fehler zugelassen werden.
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Die Steueranordnung 15 kann dazu eingerichtet sein, die Menge an Kühlmittel, der es ermöglicht wird, durch den Wärmetauscher 7 zu fließen, kontinuierlich zu steuern basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7. Die Steueranordnung 15 kann beispielsweise die Steuermittel 21 basierend auf dem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 kontinuierlich steuern.
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Die Steueranordnung 15 kann zusätzlich oder alternativ dazu eingerichtet sein, die Batteriekühlmittelkreislaufpumpe 19 basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 kontinuierlich zu steuern. Die Batteriekühlmittelkreislaufpumpe 19 kann stromaufwärts oder stromabwärts des Wärmetauschers 7 angeordnet sein.
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Die Steueranordnung 15 kann zusätzlich oder alternativ dazu eingerichtet sein, die Drehzahl des Ventilators 9 basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 kontinuierlich zu steuern.
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Die Steueranordnung 15 kann daher zumindest eines von der Pumpe 19, den Steuermitteln 21 und dem Ventilator basierend auf dem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 steuern. Die Steueranordnung 15 kann entsprechend einigen hier offenbarten Ausführungsformen die Pumpe 19, die Steuermittel 21 und den Ventilator 9 in Kombination basierend auf dem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 steuern. Da die Drehzahl des Ventilators 9 und der Fluss des Kühlmittels das Heizpotenzial beeinflussen, kann auch Information bezüglich dieser Parameter bei der Steuerung genutzt werden. Somit können auch Feedback-Informationen bezüglich dieser Parameter genutzt werden, um das Heizpotenzial des Wärmetauschers 7 zu bestimmen.
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2 stellt das Fahrzeug 20 entsprechend einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Fahrzeug 20 umfasst einen Antriebsstrang 22 umfassend eine Batterie 3 und ein Thermomanagementsystem 1 entsprechend einigen Ausführungsformen. Die Batterie 3 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie für den Elektromotor 24 bereitzustellen. Das Fahrzeug 20 kann auch einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) umfassen. Das Fahrzeug 20 kann daher ein vollelektrisches Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Der Motor 24 ist dazu eingerichtet, Antriebskraft für das Fahrzeug 20 über die Räder 26 des Fahrzeugs 20 bereitzustellen. Entsprechend den dargestellten Ausführungsformen ist das Fahrzeug 20 ein Lastkraftwagen. Entsprechend weiteren Ausführungsformen kann jedoch das Fahrzeug 20, auf das hier Bezug genommen wird, ein anderer Typ bemannten oder unbemannten Fahrzeugs für land- oder wasserbasierten Antrieb sein, wie z. B. ein Laster, ein Bus, ein Baufahrzeug, ein Traktor, ein Auto, ein Schiff, ein Boot oder ähnliches.
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3 stellt ein Verfahren 100 zum Heizen einer Batterie in einem Fahrzeug dar, wobei das Fahrzeug die Batterie und ein Thermomanagementsystem umfasst. Die Batterie und das Thermomanagementsystem können eine Batterie 3 und ein Thermomanagementsystem 1 entsprechend den Ausführungsformen sein, wie sie in 1 dargestellt sind. Das Fahrzeug kann vielmehr ein Fahrzeug 20 entsprechend den Ausführungsformen sein, wie sie in 2 dargestellt sind. Daher wird im Folgenden gleichzeitig Bezug genommen auf 1 - 3. Das Verfahren in 3 ist ein Verfahren zum Heizen einer Batterie 3 in einem Fahrzeug 20, wobei das Fahrzeug die Batterie 3 und das Thermomanagementsystem 1 umfasst, welches umfasst:
- - einen Heizer 5, der dazu eingerichtet ist, die Batterie 3 zu heizen,
- - einen Wärmetauscher 7,
- - einen Batteriekühlmittelkreislauf 11, der in thermischer Kommunikation mit der Batterie 3, dem Wärmetauscher 7 und dem Heizer 5 angeordnet ist, wobei der Batteriekühlmittelkreislauf 11 eine Bypass-Leitung 13 umfasst, die dazu eingerichtet ist, es in dem Kreislaufkühlmittel 11 fließendem Kühlmittel zu ermöglichen, den Wärmetauscher 7 zu umgehen,
wobei das Verfahren dann, wenn die Batterie 3 ein Heizen benötigt und eine Temperatur der Luft in der Umgebung des Wärmetauschers 7, TLuft, einen ersten Schwellenwert, TSchwell, überschreitet, umfasst:
- - Ermöglichen 110 eines Flusses durch den Wärmetauscher für zumindest einen Teil des Kühlmittels in dem Batteriekühlmittelkreislauf, und
- - Reduzieren 120 des Einsatzes des Heizers 5.
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Wie in 3 dargestellt, kann das Verfahren 100 den folgenden Schritt umfassen:
- - Kontinuierliches Steuern 130 der Menge an Kühlmittel, der es ermöglicht wird, durch den Radiator zu fließen, basierend auf einem aktuellen Heizpotential des Wärmetauschers.
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Entsprechend einigen Ausführungsformen umfasst das Thermomanagementsystem 1 eine Batteriekühlmittelkreislaufpumpe 19, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfassen kann:
- - kontinuierliches Steuern 140 der Batteriekühlmittelkreislaufpumpe 19 basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7.
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Entsprechend einigen Ausführungsformen umfasst das Thermomanagementsystem 1 einen Ventilator 9, der dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom über den Wärmetauscher 7 zu erzeugen, wobei das Verfahren 100 ferner den folgenden Schritt umfassen kann:
- - kontinuierliches Steuern 150 der Drehzahl des Ventilators basierend auf einem aktuellen Heizpotenzial des Wärmetauschers 7.
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Es wird deutlich, dass die verschiedenen für das Verfahren 100 beschriebenen Ausführungsformen alle mit der hier beschriebenen Steueranordnung 15 kombinierbar sind. Das heißt, die Steueranordnung 15 kann dazu eingerichtet sein, dass sie beliebige der Verfahrensschritte 110, 120, 130, 140 und 150 des Verfahrens 100 ausführt.
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4 stellt ein computerlesbares Medium 200 dar, umfassend Anweisungen, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, das Verfahren 100 entsprechend einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
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Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst das computerlesbare Medium 200 ein Computerprogrammprodukt umfassend Anweisungen, welche, wenn das Programm durch einen Computer ausgeführt wird, den Computer dazu veranlassen, das Verfahren 100 entsprechend einigen Ausführungsformen auszuführen.
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Der Fachmann wird erkennen, dass das Verfahren 100 zum Heizen einer Batterie 3 eines Fahrzeugs 20 mittels programmierter Anweisungen implementiert werden kann. Diese programmierten Anweisungen werden typischerweise durch ein Computerprogramm gebildet, das, wenn es in der Steueranordnung 15 ausgeführt wird, dafür sorgt, dass die Steueranordnung 15 die gewünschte Steuerung, wie die hierin beschriebenen Verfahrensschritte 110 und 120, ausführt. Das Computerprogramm ist üblicherweise Teil eines Computerprogrammprodukts, das ein geeignetes digitales Speichermedium umfasst, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Die Steueranordnung 15 kann eine Recheneinheit umfassen, die in Form im Wesentlichen jedes geeigneten Prozessorschaltkreises oder Mikrocomputers vorliegen kann, beispielsweise ein Schaltkreis zur digitalen Signalverarbeitung, z. B. ein Schaltkreis zur digitalen Signalverarbeitung (Digital Signal Processor, DSP), eine Central Processing Unit (CPU), eine Verarbeitungseinheit, eine Verarbeitungsschaltung, ein Prozessor, ein Application Specific Integrated Circuit (ASIC), ein Mikroprozessor oder eine andere Verarbeitungslogik, die Befehle interpretieren und ausführen kann. Der hier verwendete Ausdruck „Recheneinheit“ kann einen Verarbeitungsschaltkreis darstellen, der eine Vielzahl von Verarbeitungsschaltkreisen umfasst, wie z. B. eine, einige oder alle der oben genannten.
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Die Steueranordnung 15 kann ferner eine Speichereinheit umfassen, wobei die Recheneinheit mit der Speichereinheit verbunden sein kann, die der Recheneinheit z. B. gespeicherten Programmcode und/oder gespeicherte Daten zur Verfügung stellen kann, die die Recheneinheit benötigt, um Berechnungen durchführen zu können. Die Recheneinheit kann auch dazu eingerichtet sein, Teil- oder Endergebnisse von Berechnungen in der Speichereinheit zu speichern. Die Speichereinheit kann eine physische Vorrichtung umfassen, die zum temporären oder permanenten Speichern von Daten oder Programmen, d. h. von Befehlsfolgen, verwendet wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Speichereinheit integrierte Schaltungen mit Transistoren auf Siliziumbasis umfassen. Die Speichereinheit kann z. B. eine Speicherkarte, einen Flash-Speicher, einen USB-Speicher, eine Festplatte oder eine andere ähnliche flüchtige oder nichtflüchtige Speichereinheit zum Speichern von Daten wie z. B. ROM (Read-Only Memory), PROM (Programmable Read-Only Memory), EPROM (Erasable PROM), EEPROM (Electrically Erasable PROM) usw. in verschiedenen Ausführungsformen umfassen.
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Die Steueranordnung 15 kann mit einer oder mehreren Komponenten der Batterie 3, des Elektromotors 24, des Thermomanagementsystems 1, der Sensoren 23 und/oder einer oder mehreren Komponenten des Fahrzeugs 20 zum Empfangen und/oder Senden von Eingabe- und Ausgabesignalen verbunden sein, um das Verfahren 100, wie es in 3 dargestellt ist, auszuführen. Diese Eingabe- und Ausgabesignale können eine Wellenform, Pulse oder andere Eigenschaften umfassen, die die das Eingangssignal empfangenden Vorrichtungen als Information empfangen können und die zu Signalen konvertiert werden können, die von der Steueranordnung 15 verarbeitbar sind. Diese Signale können dann der Recheneinheit bereitgestellt werden. Eine oder mehrere ein Ausgabesignal sendende Vorrichtungen können dazu eingerichtet sein, Rechenergebnisse von der Recheneinheit in Ausgabesignale umzuwandein, um diese zu anderen Teilen des Steuersystems des Fahrzeugs und/oder der Komponente oder Komponenten, für die die Signale bestimmt sind, zu übermitteln. Eine jede der Verbindungen zu den entsprechenden Komponenten zum Empfangen oder Senden von Eingabe- oder Ausgabesignalen kann in Form von zumindest einem von einem Kabel, einem Datenbus, z. B. ein CAN (Controller Area Network)-Bus, ein MOST (Media Orientated Systems Transport)-Bus oder einer anderen Buskonfiguration, oder einer drahtlosen Verbindung vorliegen.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen umfasst das Thermomanagementsystem 1 eine Steueranordnung 15, könnte jedoch alternativ auch vollständig oder teilweise in zwei oder mehr Steueranordnungen oder zwei oder mehr Steuereinheiten implementiert sein.
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Steuersysteme in modernen Fahrzeugen umfassen im Allgemeinen ein Kommunikationsbussystem, das aus einem oder mehreren Kommunikationsbussen besteht, um eine Reihe von elektronischen Steuergeräten (ECUs) oder Steuerungen mit verschiedenen Komponenten an Bord des Fahrzeugs zu verbinden. Ein solches Steuersystem kann eine große Anzahl von Steuergeräten umfassen, und die Übernahme einer bestimmten Funktion kann zwischen zwei oder mehreren von ihnen aufgeteilt sein. Fahrzeuge des hier betroffenen Typs sind daher oft mit deutlich mehr Steueranordnungen versehen als in 1 dargestellt, wie ein Fachmann sicherlich erkennen vermag.
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Das Computerprogrammprodukt kann z. B. in Form eines Datenträgers bereitgestellt werden, der Computerprogrammcode zum Ausführen von zumindest einigen der Verfahrensschritte 110 und 120 gemäß einigen Ausführungsformen trägt, wenn er in eine oder mehrere Recheneinheiten der Steueranordnung 15 geladen wird. Der Datenträger kann z. B. eine CD-ROM-Disk, ein ROM (Read-Only-Memory), ein PROM (programmierbarer Read-Only-Memory), ein EPROM (löschbarer PROM), ein Flash-Speicher, ein EEPROM (elektrisch löschbarer PROM), eine Festplatte, ein Speicher-Stick, ein optisches Speichermedium, ein magnetisches Speichermedium oder ein beliebiges anderes geeignetes Medium, wie z. B. eine Platte oder ein Band, sein, das maschinenlesbare Daten in einer nicht-transitorischen Weise umfassen kann. Das Computerprogrammprodukt kann ferner als Computerprogrammcode auf einem Server bereitgestellt werden und kann aus der Ferne, z. B. über eine Internet- oder Intranetverbindung, oder über andere drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationssysteme, auf die Steueranordnung 15 heruntergeladen werden.
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Es versteht sich, dass das Vorstehende verschiedene Ausführungsbeispiele veranschaulicht und dass die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beispielhaften Ausführungsformen modifiziert werden können, und dass verschiedene Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen kombiniert werden können, um andere als die hierin beschriebenen Ausführungsformen zu schaffen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
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Mit Begriffen wie „stromaufwärts“ oder „stromabwärts“ ist hier stromaufwärts bzw. stromabwärts in Strömungsrichtung des Kühlmittels im Batteriekühlmittelkreislauf 11 während des normalen Betriebs des Thermomanagementsystems 1 gemeint, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Wie hier verwendet, ist der Begriff „umfassend“ oder „umfasst“ offen und schließt ein oder mehrere angegebene Merkmale, Elemente, Schritte, Komponenten oder Funktionen ein, schließt aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Elemente, Schritte, Komponenten, Funktionen oder Gruppen davon nicht aus.
