DE102021200143A1 - Cooling system for an electrochemical energy store of an electrically operable vehicle, method for cooling an energy store and electrically operable vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (100) zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers (201) in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug (200), umfassend:einen Kühlkreislauf (101) mit einem Kühlfluid und einer Wärmetauschereinheit (103) zum Aufnehmen einer Wärmemenge von einem zu kühlenden elektrochemischen Energiespeicher (201) des Fahrzeugs (200);einen Kältekreislauf (105) mit einem Kältefluid, einer Kondensationseinheit (107) zum Kondensieren des Kältefluids von einer gasförmigen Phase (Ph1) in eine flüssige Phase (Ph3) unter Abgabe einer Wärmemenge an eine Umgebung des Kältekreislaufs (103) und einer Verdampfungseinheit (109) zum Verdampfen des Kältefluids von der flüssigen Phase (Ph1) in die gasförmige Phase (Ph3) unter Aufnahme einer Wärmemenge von einem Innenraum des Fahrzeugs (205);eine weitere Wärmetauschereinheit (110) zur thermischen Kopplung zwischen dem Kühlkreislauf (101) und dem Kältekreislauf (105); undeine Kühleinheit (111), die eingerichtet ist, einen Kondensationsdruck und eine Kondensationstemperatur des Kältefluids innerhalb der Kondensationseinheit (107) herabzusetzen.Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug (200) mit einem Kühlsystem (100) und ein Verfahren (300) zum Kühlen mit einem Kühlsystem (100).The invention relates to a cooling system (100) for cooling an electrochemical energy store (201) in a vehicle (200) that can be operated at least partially electrically, comprising: a cooling circuit (101) with a cooling fluid and a heat exchanger unit (103) for absorbing a quantity of heat from a cooling electrochemical energy store (201) of the vehicle (200);a refrigeration circuit (105) with a refrigeration fluid, a condensation unit (107) for condensing the refrigeration fluid from a gaseous phase (Ph1) into a liquid phase (Ph3) while releasing a quantity of heat to a Surroundings of the refrigeration circuit (103) and an evaporation unit (109) for evaporating the refrigerant fluid from the liquid phase (Ph1) into the gaseous phase (Ph3) while absorbing a quantity of heat from an interior of the vehicle (205); a further heat exchanger unit (110) for thermal coupling between the cooling circuit (101) and the refrigeration circuit (105); anda cooling unit (111) which is set up to reduce a condensation pressure and a condensation temperature of the refrigerant fluid within the condensation unit (107).The invention also relates to a vehicle (200) with a cooling system (100) and a method (300) for cooling with a Cooling System (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen elektrochemischen Energiespeicher eines wenigstens teilweise betreibbaren Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem solchen Kühlsystem. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Kühlen elektrochemischen Energiespeicher mit einem solchen Kühlsystem.The invention relates to a cooling system for an electrochemical energy store of an at least partially operable vehicle. The invention also relates to an electrically operated vehicle with such a cooling system. The invention also relates to a method for cooling an electrochemical energy store with such a cooling system.

Stand der TechnikState of the art

Im Allgemeinen sind Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Hybridfahrzeuge mit einem sogenannten Range Extender bekannt. Derartige Fahrzeuge verfügen zunehmend über die Möglichkeit zum Schnellladen eines elektrochemischen Energiespeichers, wobei sich das Fahrzeug beim Schnellladen im Stillstand befindet.In general, electric vehicles, hybrid vehicles and hybrid vehicles with a so-called range extender are known. Such vehicles increasingly have the option of rapid charging an electrochemical energy store, the vehicle being stationary during rapid charging.

Aus der vergleichsweise schnellen Übertragung hoher elektrischer Leistung resultieren aufgrund von Ladungsverlusten relativ hohe Abwärmeleistungen, wobei sich die Temperatur in dem Energiespeicher erhöht. Um das Risiko von Schädigungen des Energiespeichers sowie eine temperaturbedingte Alterung desselben zumindest zu verringern, wird der Energiespeicher temperiert, insbesondere gekühlt. Die relativ hohe Abwärmeleistung wird in einen Temperierkreislauf des Energiespeichers überführt und mittels einer Temperiervorrichtung an die Umgebung des Fahrzeuges abgegeben. Zum Abführen der Abwärmeleistung wird beispielsweise eine Lüftervorrichtung der Temperiervorrichtung aktiviert. Aus der Druckschrift DE 10 2015 013 296 A1 ist weiter eine Ladevorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeuges bekannt und umfasst eineDue to charge losses, the comparatively rapid transmission of high electrical power results in relatively high waste heat outputs, with the temperature in the energy storage device increasing. In order to at least reduce the risk of damage to the energy store and temperature-related aging thereof, the energy store is temperature-controlled, in particular cooled. The relatively high waste heat output is transferred to a temperature control circuit of the energy store and released to the surroundings of the vehicle by means of a temperature control device. For example, a fan device of the temperature control device is activated to dissipate the waste heat output. From the pamphlet DE 10 2015 013 296 A1 is also a charging device for an electrical energy storage device of a vehicle and includes a

Steckverbindung zur Kopplung des Energiespeichers mit einer Ladeeinheit zur Zuführung elektrischer Energie in den Energiespeicher.Plug connection for coupling the energy store to a charging unit for supplying electrical energy to the energy store.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kühlsystem eines elektrochemischen Energiespeichers in einem elektrisch betreibbaren Fahrzeug bereitzustellen. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug mit einem verbesserten Kühlsystem bereitzustellen. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers mit einem verbesserten Kühlsystem bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an improved cooling system for an electrochemical energy store in an electrically operable vehicle. It is a further object of the present invention to provide a vehicle with an improved cooling system. It is also an object of the invention to provide a method for cooling an electrochemical energy store with an improved cooling system.

Diese Aufgaben werden durch das Kühlsystem, das Fahrzeug und das Verfahren der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.These objects are solved by the cooling system, the vehicle and the method of the independent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the subordinate claims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Kühlsystem zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug, umfassend:

  • einen Kühlkreislauf mit einem Kühlfluid und einer Wärmetauschereinheit zum Aufnehmen einer Wärmemenge von einem zu kühlenden elektrochemischen Energiespeicher des Fahrzeugs;
  • einen Kältekreislauf mit einem Kältefluid, einer Kondensationseinheit zum Kondensieren des Kältefluids von einer gasförmigen Phase in eine flüssige Phase unter Abgabe einer Wärmemenge an eine Umgebung des Kältekreislaufs und einer Verdampfungseinheit zum Verdampfen des Kältefluids von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase unter Aufnahme einer Wärmemenge von einem Innenraum des Fahrzeugs;
  • eine weitere Wärmetauschereinheit zur thermischen Kopplung zwischen dem Kühlkreislauf und dem Kältekreislauf; und
  • eine Kühleinheit, die eingerichtet ist, einen Kondensationsdruck und eine Kondensationstemperatur des Kältefluids innerhalb der Kondensationseinheit herabzusetzen.
According to one aspect of the invention, a cooling system for cooling an electrochemical energy store in an at least partially electrically operated vehicle, comprising:
  • a cooling circuit with a cooling fluid and a heat exchanger unit for absorbing a quantity of heat from an electrochemical energy store of the vehicle to be cooled;
  • a refrigeration circuit with a refrigeration fluid, a condensation unit for condensing the refrigeration fluid from a gaseous phase into a liquid phase while releasing an amount of heat to an environment of the refrigeration circuit and an evaporation unit for evaporating the refrigeration fluid from the liquid phase into the gaseous phase while absorbing an amount of heat from one interior of the vehicle;
  • another heat exchanger unit for thermal coupling between the cooling circuit and the refrigeration circuit; and
  • a cooling unit configured to reduce a condensation pressure and a condensation temperature of the refrigerant fluid within the condensation unit.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Kühlsystem zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug bereitgestellt werden kann. Durch die Kühleinheit kann der Kondensationsdruck und die Kondensationstemperatur des Kältefluids innerhalb der Kondensationseinheit während des Kondensierens des Kältefluids herabgesetzt werden. Hierdurch weist das kondensierte Kältefluid eine geringere Temperatur auf. Hierüber kann die Kälteleistung des Kältekreislaufs, der insbesondere die Klimaanlage des Fahrzeugs bilden kann, verbessert werden. Darüber hinaus kann die Kühlleistung des über die weitere Wärmetauschereinheit thermisch mit dem Kältekreislauf gekoppelten Kühlkreislauf zum Kühlen des elektrochemischen Energiespeichers ebenfalls erhöht werden. Darüber kann eine verbesserte Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers bereitgestellt werden. Durch das Herabsetzen der Kondensationstemperatur bzw. des Kondensationsdrucks in der Kondensationseinheit des Kältekreislaufs kann darüber hinaus eine Energieeffizienz des Kältekreislaufs verbessert werden.As a result, the technical advantage can be achieved that an improved cooling system for cooling an electrochemical energy store in a vehicle that can be operated at least partially electrically can be provided. The condensation pressure and the condensation temperature of the refrigeration fluid within the condensation unit can be reduced by the cooling unit during the condensation of the refrigeration fluid. As a result, the condensed cold fluid has a lower temperature. In this way, the refrigeration capacity of the refrigeration circuit, which in particular can form the air conditioning system of the vehicle, can be improved. In addition, the cooling capacity of the cooling circuit, which is thermally coupled to the cooling circuit via the additional heat exchanger unit, can also be increased for cooling the electrochemical energy store. In addition, improved cooling of the electrochemical energy store can be provided. In addition, energy efficiency of the refrigeration circuit can be improved by reducing the condensation temperature or the condensation pressure in the condensation unit of the refrigeration circuit.

Ein wenigstens teilweise elektrisch betreibbares Fahrzeug ist im Sinne der Anmeldung ein Elektrofahrzeug, beispielsweise ein Elektroauto oder ein batteriebetriebenes Motorrad. Alternativ ist ein wenigstens teilweise elektrisch betreibbares Fahrzeug ein Hybridfahrzeug.A vehicle that can be operated at least partially electrically is an electric vehicle, for example an electric car or a battery-powered motorcycle, within the meaning of the application. alternative is an at least partially electrically operable vehicle is a hybrid vehicle.

Ein elektrochemischer Energiespeicher ist im Sinne der Anmeldung eine Batterie bzw. ein Akkumulator und kann eine einzelne Batterie bzw. einen einzelnen Akkumulator oder einen Batterieblock bzw. Akkumulatorblock umfassen.For the purposes of the application, an electrochemical energy store is a battery or an accumulator and can comprise an individual battery or an individual accumulator or a battery block or accumulator block.

Nach einer Ausführungsform ist das Kühlsystem zwischen einem ersten Kühlmodus und einem zweiten Kühlmodus verschaltbar, wobei im ersten Kühlmodus das Kühlsystem mit einem ersten Kondensationsdruck und einer ersten Kondensationstemperatur betreibbar ist, und wobei im zweiten Kühlmodus die Kühleinheit aktiviert ist und das Kühlsystem mit einem herabgesetzten zweiten Kondensationsdruck und einer herabgesetzten zweiten Kondensationstemperatur betreibbar ist.According to one embodiment, the cooling system can be switched between a first cooling mode and a second cooling mode, with the cooling system being operable with a first condensation pressure and a first condensation temperature in the first cooling mode, and with the cooling unit being activated in the second cooling mode and the cooling system with a reduced second condensation pressure and a reduced second condensation temperature.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die Kühlleistung des Kühlsystems durch Verschalten zwischen den beiden Kühlmodi variiert werden kann. Somit kann eine Kühlleistung des Kühlsystems erhöht werden, wenn dies beispielsweise aufgrund einer höheren Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers benötigt wird. Bei einer niedrigeren Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und dabei bei einer geringeren benötigten Kühlleistung kann die Kühlleistung des Kühlsystems hingegen verringert werden. Die Kühlleistung des Kühlsystems kann somit individuell an die Kühlanforderungen angepasst werden. Die Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers ist somit optimal regelbar. Darüber hinaus kann die Energieeffizienz des Kühlsystems erhöht werden, indem lediglich bei Bedarf eine erhöhte Kühlleistung bereitgestellt wird.As a result, the technical advantage can be achieved that the cooling capacity of the cooling system can be varied by switching between the two cooling modes. A cooling capacity of the cooling system can thus be increased if this is required, for example, due to a higher temperature of the electrochemical energy store. On the other hand, the cooling capacity of the cooling system can be reduced if the temperature of the electrochemical energy store is lower and if the required cooling capacity is less. The cooling capacity of the cooling system can thus be individually adapted to the cooling requirements. The cooling of the electrochemical energy store can thus be optimally controlled. In addition, the energy efficiency of the cooling system can be increased by only providing increased cooling capacity when required.

Nach einer Ausführungsform umfasst die Kühleinheit eine Berieselungseinrichtung, die eingerichtet ist, die Kondensationseinheit mit einem Kühlmittel zu beriesein.According to one embodiment, the cooling unit comprises a sprinkling device which is set up to sprinkle a coolant on the condensation unit.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst einfache und effiziente Kühleinheit bereitgestellt werden kann, die eingerichtet ist, den Kondensationsdruck und die Kondensationstemperatur innerhalb der Kondensationseinheit herabzusetzen. Durch Berieseln der Kondensationseinheit mit einem Kühlmittel kann über eine Verdunstung des Kühlmittels an der Oberfläche der Kondensationseinheit eine Temperatur der Kondensationseinheit herabgesetzt werden, was zur Folge hat, dass eine Kondensationstemperatur und ein Kondensationsdruck innerhalb der Kondensationseinheit aufgrund der herabgesetzten Umgebungstemperatur ebenfalls herabgesetzt ist.As a result, the technical advantage can be achieved that a cooling unit which is as simple and efficient as possible can be provided, which is set up to reduce the condensation pressure and the condensation temperature within the condensation unit. By sprinkling the condensation unit with a coolant, a temperature of the condensation unit can be reduced via evaporation of the coolant on the surface of the condensation unit, with the result that a condensation temperature and a condensation pressure within the condensation unit is also reduced due to the reduced ambient temperature.

Nach einer Ausführungsform ist das Kühlmittel der Berieselungseinrichtung eine an der Verdampfungseinheit des Kältekreislaufs kondensierte Luftfeuchtigkeit eines Luftvolumens des Innenraums des Fahrzeugs.According to one specific embodiment, the coolant of the sprinkler device is air humidity of an air volume of the interior of the vehicle that has been condensed on the evaporation unit of the refrigeration cycle.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein zusätzlicher Kühlkreislauf zum Bereitstellen des Kühlmittels für die Berieselungsanlage vermieden werden kann. Darüber hinaus kann das an der Verdampfungseinheit kondensierte Kondensationswasser des Luftvolumens des Innenraums des Fahrzeugs, das für gewöhnlich im Fahrzeug ohne Verwendung bleibt, sinnvoll genutzt werden. Darüber hinaus kann das Kühlmittel für die Berieselungseinrichtung jederzeit durch Aktivieren der durch den Kühlkreislauf gebildeten Klimaanlage des Fahrzeugs aufgefüllt werden.As a result, the technical advantage can be achieved that an additional cooling circuit for providing the coolant for the sprinkler system can be avoided. In addition, the water of condensation of the air volume of the interior of the vehicle condensed on the evaporation unit, which usually remains unused in the vehicle, can be used sensibly. In addition, the coolant for the sprinkler device can be topped up at any time by activating the vehicle's air conditioning system formed by the cooling circuit.

Nach einer Ausführungsform umfasst die Berieselungseinrichtung eine Düseneinheit mit einer Mehrzahl von Berieselungsdüsen zum Berieseln der Kondensationseinheit mit dem Kühlmittel.According to one embodiment, the sprinkling device comprises a nozzle unit with a plurality of sprinkling nozzles for sprinkling the coolant on the condensation unit.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst präzise Berieselung der Kondensationseinheit mit dem Kühlmittel bereitgestellt werden kann, sodass eine möglichst umfassende Benetzung einer Oberfläche der Kondensationseinheit mit dem Kühlmittel erreicht werden. Durch die umfassende Benetzung der Kühleinheit mit dem Kühlmittel kann eine verbesserte Kühlwirkung und damit verbunden eine effizientere Herabsetzung des Kondensationsdrucks und der Kondensationstemperatur innerhalb der Kondensationseinheit und damit verbunden eine effiziente Verbesserung der Kälteleistung des Kältekreislaufs und damit verbunden der Kühlleistung des Kühlkreislaufs erreicht werden.In this way, the technical advantage can be achieved that the condensation unit can be sprinkled with the coolant as precisely as possible, so that the most comprehensive possible wetting of a surface of the condensation unit with the coolant can be achieved. Due to the extensive wetting of the cooling unit with the coolant, an improved cooling effect and, associated with this, a more efficient reduction in the condensation pressure and the condensation temperature within the condensation unit and, associated with this, an efficient improvement in the cooling capacity of the refrigeration cycle and thus the cooling capacity of the cooling cycle can be achieved.

Nach einer Ausführungsform umfasst das Kühlsystem ein erstes Aufnahmebehältnis, ein zweites Aufnahmebehältnis und ein Sammelbehältnis, wobei das erste Aufnahmebehältnis benachbart zur Kondensationseinheit angeordnet und eingerichtet ist, an der Kondensationseinheit abtropfendes Kühlmittel aufzufangen, wobei das zweite Aufnahmebehältnis an der zweiten Verdampfungseinheit angeordnet und eingerichtet ist, an der Kondensationseinheit abtropfendes Kühlmittel aufzufangen, und wobei das Sammelbehältnis eine fluidtechnische Verbindung zum ersten Aufnahmebehältnis und/oder zum zweiten Aufnahmebehältnis aufweist und eingerichtet ist, das Kühlmittel des ersten Aufnahmebehältnisses und/oder des zweiten Aufnahmebehältnisses zu sammeln.According to one embodiment, the cooling system comprises a first receptacle, a second receptacle and a collection receptacle, the first receptacle being arranged adjacent to the condensation unit and set up to collect coolant dripping off the condensation unit, the second receptacle being arranged and set up on the second evaporation unit the condensation unit to collect dripping coolant, and wherein the collection container has a fluidic connection to the first container and/or the second container and is set up to collect the coolant from the first container and/or the second container.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst einfache Bereitstellung des an der Verdampfungseinheit des Kältekreislaufs kondensierenden Kondensationswassers erreicht werden. Darüber hinaus kann durch das Auffangen des an der Kondensationseinheit abtropfenden Kühlmittels eine möglichst effiziente Nutzung des Kühlmittels mit geringen Verlusten des Kühlmittels erreicht werden.As a result, the technical advantage can be achieved that the simplest possible provision of the cold at the evaporation unit cycle condensing condensation water can be achieved. In addition, by catching the coolant dripping off the condensation unit, the coolant can be used as efficiently as possible with low losses of the coolant.

Nach einer Ausführungsform umfasst die Berieselungseinrichtung ein Pumpenelement umfasst, das eingerichtet ist, das Kühlmittel aus dem ersten Aufnahmebehältnis und/oder aus dem zweiten Aufnahmebehältnis und/oder aus dem Sammelbehältnis in das Düsenelement zu befördern.According to one embodiment, the sprinkling device includes a pump element that is set up to convey the coolant from the first receptacle and/or from the second receptacle and/or from the collection receptacle into the nozzle element.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst einfache Bereitstellung des Kühlmittels an die Düseneinheit erzielt werden kann.In this way, the technical advantage can be achieved that the coolant can be made available to the nozzle unit as simply as possible.

Nach einem zweiten Aspekt wird ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem Kühlsystem nach einer der voranstehenden Ausführungsform bereitgestellt.According to a second aspect, an electrically operable vehicle is provided with a cooling system according to one of the preceding embodiments.

Nach einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug mit einem Kühlsystem nach einer der voranstehenden Ausführungsformen bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:

  • Schalten des Kühlsystems des Fahrzeugs in den zweiten Kühlmodus; Herabsetzen des ersten Kondensationsdrucks auf den zweiten Kondensationsdruck und der ersten Kondensationstemperatur auf die zweite Kondensationstemperatur des Kältefluids innerhalb der Kondensationseinheit des Kältekreislaufs des Kühlsystems durch die aktivierte Kühleinheit;
  • Kondensieren des gasförmigen Kältefluids in der Kondensationseinheit mit herabgesetztem zweitem Kondensationsdruck und herabgesetzter zweiter Kondensationstemperatur und Überführen des gasförmigen Kältefluids die flüssige Phase mit zweiter Kondensationstemperatur;
  • Kühlen des Kühlfluids über einen thermischen Kontakt mit dem Kältefluid der zweiten Kondensationstemperatur in der weiteren Wärmetauschereinheit; und Kühlen des elektrochemischen Energiespeichers mit erhöhter Kühlleistung über eine Wärmeaufnahme durch das gekühlte Kühlfluid in der Wärmetauschereinheit.
According to a third aspect, a method for cooling an electrochemical energy store in an at least partially electrically operable vehicle with a cooling system according to one of the preceding embodiments is provided, the method comprising:
  • switching the cooling system of the vehicle to the second cooling mode; reducing, by the activated refrigeration unit, the first condensing pressure to the second condensing pressure and the first condensing temperature to the second condensing temperature of the refrigerant fluid within the condensing unit of the refrigeration cycle of the refrigeration system;
  • condensing the gaseous refrigerant fluid in the condensation unit with reduced second condensation pressure and reduced second condensation temperature and transferring the gaseous refrigerant fluid to the liquid phase with the second condensation temperature;
  • cooling the cooling fluid via thermal contact with the cooling fluid of the second condensation temperature in the further heat exchange unit; and cooling of the electrochemical energy store with increased cooling capacity via heat absorption by the cooled cooling fluid in the heat exchanger unit.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Verfahren zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug bereitgestellt werden kann. Durch das Schalten des Kühlsystems in den zweiten Kühlmodus, in dem die Kühleinheit aktiviert ist und der Kondensationsdruck und die Kondensationstemperatur innerhalb der Kondensationseinheit herabgesetzt sind, kann somit die Kälteleistung des Kältekreislaufs und damit verbunden die Kühlleistung des Kühlkreislaufs zum Kühlen des elektrochemischen Energiespeichers erhöht werden. Bei einer erhöhten benötigten Kühlleistung des elektrochemischen Energiespeichers kann somit die benötigte erhöhte Kühlleistung bereitgestellt werden. Durch das Verschalten des Kühlsystems zwischen den beiden Kühlmodi kann die bereitgestellte Kühlleistung des Kühlsystems an die vorliegenden Kühlanforderungen angepasst werden. Hierdurch kann die Energieeffizienz des Kühlsystems verbessert werden, indem ausschließlich bei erhöhter benötigter Kühlleistung diese durch das Kühlsystem bereitgestellt wird.As a result, the technical advantage can be achieved that an improved method for cooling an electrochemical energy store in a vehicle that can be operated at least partially electrically can be provided. By switching the cooling system to the second cooling mode, in which the cooling unit is activated and the condensation pressure and the condensation temperature within the condensation unit are reduced, the refrigeration capacity of the refrigeration circuit and the associated cooling capacity of the cooling circuit for cooling the electrochemical energy store can be increased. With an increased required cooling capacity of the electrochemical energy store, the required increased cooling capacity can thus be provided. By switching the cooling system between the two cooling modes, the cooling capacity provided by the cooling system can be adapted to the cooling requirements at hand. As a result, the energy efficiency of the cooling system can be improved in that this is provided by the cooling system only when an increased cooling capacity is required.

Nach einer Ausführungsform ist das Schalten der Kühleinheit des Kühlsystems des Fahrzeugs in den Kühlmodus an ein Eintreten eines Auslöseereignisses gekoppelt, wobei das Auslöseereignis ein Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für eine maximale Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers und/oder ein Durchführen eines Ladevorgangs des elektrochemischen Energiespeichers umfasst.According to one embodiment, the switching of the cooling unit of the cooling system of the vehicle into the cooling mode is coupled to the occurrence of a triggering event, the triggering event comprising reaching or exceeding a predetermined limit value for a maximum temperature of the electrochemical energy store and/or carrying out a charging process of the electrochemical energy store .

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein automatisches Verschalten des Kühlsystems zwischen den zwei Kühlmodi erreicht werden kann. Das Schalten in den zweiten Kühlmodus und damit verbunden das Bereitstellen der erhöhten Kühlleistung durch das Kühlsystem kann beispielsweise an das Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts einer maximalen Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers gekoppelt sein. Bei überhöhter Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers kann somit automatisch die Kühlleistung des Kühlsystems erhöht werden und somit der elektrochemische Energiespeicher auf die zulässige Betriebstemperatur herabgekühlt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Schalten des Kühlsystems in den zweiten Kühlmodus an einen Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers, der erfahrungsgemäß mit einer Erhöhung der Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers verbunden ist, gekoppelt sein. Bei Beginn des Ladevorgangs kann somit automatisch das Kühlsystem in den zweiten Kühlmodus geschaltet werden und somit eine erhöhte Kühlleistung bereitgestellt werden.As a result, the technical advantage can be achieved that the cooling system can be automatically switched between the two cooling modes. Switching to the second cooling mode and the associated provision of the increased cooling capacity by the cooling system can be coupled, for example, to a predetermined limit value of a maximum temperature of the electrochemical energy store being reached or exceeded. If the temperature of the electrochemical energy store is too high, the cooling capacity of the cooling system can thus be increased automatically and the electrochemical energy store can thus be cooled down to the permissible operating temperature. Alternatively or additionally, switching the cooling system to the second cooling mode can be coupled to a charging process of the electrochemical energy store, which experience has shown is associated with an increase in the temperature of the electrochemical energy store. At the beginning of the charging process, the cooling system can thus be automatically switched to the second cooling mode and thus an increased cooling capacity can be provided.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems für einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 ein Enthalpie-Druck-Diagramm eines Kühlvorgangs eines Kühlsystems für einen elektrochemischen Energiespeicher in einem ersten Kühlmodus und in einem zweiten Kühlmodus;
  • 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem elektrochemischen Energiespeicher und einem Kühlsystem gemäß einer Ausführungsform.
Exemplary embodiments of the invention are explained with reference to the following drawings. In the schematic drawings show:
  • 1 a schematic representation of a cooling system for an electrochemical energy store according to an embodiment;
  • 2 an enthalpy-pressure diagram of a cooling process of a cooling system for an electrochemical energy store in a first cooling mode and in a second cooling mode;
  • 3 a flow chart of a method for cooling an electrochemical energy store according to an embodiment;
  • 4 a schematic representation of a vehicle with an electrochemical energy store and a cooling system according to an embodiment.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 100 für einen elektrochemischen Energiespeicher 200 gemäß einer Ausführungsform. 1 FIG. 1 shows a schematic representation of a cooling system 100 for an electrochemical energy storage device 200 according to an embodiment.

In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Kühlsystem 100 einen Kühlkreislauf 101 mit einer Wärmetauschereinheit 103. Der Kühlkreislauf 101 ist mit einem Kühlmittel befüllt. Darüber hinaus umfasst das Kühlsystem 100 einen Kältekreislauf 105 mit einer Kondensationseinheit 107 und einer fluidtechnisch verbundenen Verdampfungseinheit 109. Der Kältekreislauf 105 ist mit einem Kältefluid befüllt. Der Kältekreislauf 105 kann insbesondere als Klimaanlage des wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeugs ausgebildet sein.In the embodiment shown, the cooling system 100 comprises a cooling circuit 101 with a heat exchanger unit 103. The cooling circuit 101 is filled with a coolant. In addition, the cooling system 100 includes a refrigeration cycle 105 with a condensation unit 107 and a fluidically connected evaporation unit 109. The refrigeration cycle 105 is filled with a refrigerant. The refrigeration circuit 105 can in particular be embodied as an air conditioning system of the vehicle that can be operated at least partially electrically.

Der Kühlkreislauf 101 und der Kältekreislauf 105 sind durch eine weitere Wärmetauschereinheit 110 thermisch miteinander verbunden. Die weitere Wärmetauschereinheit 110 kann beispielsweise als ein Batteriechiller ausgebildet sein.The cooling circuit 101 and the refrigeration circuit 105 are thermally connected to one another by a further heat exchanger unit 110 . The further heat exchanger unit 110 can be designed as a battery chiller, for example.

Der Kältekreislauf 105 umfasst ferner ein Verdichterelement 129 und ein Expansionselement 131, die jeweils fluidtechnisch mit der Kondensationseinheit 107 und der Verdampfungseinheit 109 verbunden sind.The refrigeration cycle 105 further includes a compression element 129 and an expansion element 131 which are each fluidly connected to the condensation unit 107 and the evaporation unit 109 .

Darüber hinaus umfasst das Kühlsystem 100 eine Kühleinheit 111, die eingerichtet ist, einen Kondensationsdruck und eine Kondensationstemperatur innerhalb der Kondensationseinheit 107 des Kältekreislaufs 105 herabzusetzen.In addition, the cooling system 100 includes a cooling unit 111 which is set up to reduce a condensation pressure and a condensation temperature within the condensation unit 107 of the refrigeration cycle 105 .

In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Kühleinheit eine Berieselungseinrichtung 113 mit einer Düseneinheit 117 mit einer Mehrzahl von Berieselungsdüsen 119. Die Berieselungseinrichtung ist eingerichtet, ein Kühlmittel 115 auf die Kondensationseinheit 107 aufzubringen, um somit eine Oberfläche der Kondensationseinheit 107 mit dem Kühlmittel 115 zu benetzen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Berieselungseinrichtung 113 ferner ein erstes Aufnahmebehältnis 121, ein zweites Aufnahmebehältnis 123 und ein Sammelbehältnis 125. Das erste Aufnahmebehältnis 121 ist benachbart zur Kondensationseinheit 107 angeordnet, während das zweite Aufnahmebehältnis 123 benachbart zur Verdampfungseinheit 109 angeordnet ist.In the embodiment shown, the cooling unit includes a sprinkler device 113 with a nozzle unit 117 with a plurality of sprinkler nozzles 119. The sprinkler device is set up to apply a coolant 115 to the condensation unit 107 in order to wet a surface of the condensation unit 107 with the coolant 115. In the embodiment shown, the sprinkling device 113 further comprises a first receptacle 121, a second receptacle 123 and a collection receptacle 125. The first receptacle 121 is arranged adjacent to the condensation unit 107, while the second receptacle 123 is arranged adjacent to the evaporation unit 109.

In der gezeigten Ausführungsform wird als Kühlmittel 115 das an der Verdampfungseinheit 109 kondensierte Kondensationswasser des Luftvolumens des Innenraums des Fahrzeugs verwendet. Über das zweite Aufnahmebehältnis 123 kann das an der Verdampfungseinheit 109 kondensierte Kondensationswasser aufgefangen werden und über eine fluidtechnische Verbindung an das Sammelbehältnis 125 geleitet werden. Über eine Pumpeneinheit 127 kann das in dem Sammelbehältnis 125 aufgefangene Kondensationswasser an die Düseneinheit 117 der Berieselungseinrichtung 113 gepumpt werden und über die Berieselungsdüsen 119 auf die Verdampfungseinheit 107 gesprüht werden. Das an der Verdampfungseinheit 107 abtropfende Kondensationswasser kann über das erste Aufnahmebehältnis 121 aufgefangen werden und von diesem über eine weitere fluidtechnische Verbindung zurück zum Sammelbehältnis 125 geführt werden. Das an der Kondensationseinheit 109 des als Klimaanlage ausgebildeten Kältekreislaufs 105 kondensierende Kondensationswasser des Innenraums des Fahrzeugs kann somit als Kühlmittel 115 der Kühleinheit 111 wiederverwertet werden. Über das Sammelbehältnis 125 und das erste Aufnahmebehältnis 121 kann ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels bereitgestellt werden. Über die Düseneinheit 117 kann eine gleichmäßige und umfassende Benetzung der Verdampfungseinheit 107 mit dem Kondensationswasser erreicht werden.In the embodiment shown, the water of condensation of the air volume of the interior of the vehicle condensed on the evaporation unit 109 is used as the coolant 115 . The water of condensation condensed on the evaporation unit 109 can be collected via the second receiving container 123 and conveyed to the collecting container 125 via a fluidic connection. The condensation water collected in the collection container 125 can be pumped to the nozzle unit 117 of the sprinkler device 113 via a pump unit 127 and sprayed onto the evaporation unit 107 via the sprinkler nozzles 119 . The water of condensation dripping off the evaporation unit 107 can be collected via the first receiving container 121 and can be routed back to the collecting container 125 via a further fluid connection. The condensation water of the interior of the vehicle condensing on the condensation unit 109 of the refrigeration circuit 105 designed as an air conditioning system can thus be reused as a coolant 115 of the cooling unit 111 . A closed circuit of the coolant can be provided via the collection container 125 and the first receiving container 121 . Uniform and comprehensive wetting of the evaporation unit 107 with the condensation water can be achieved via the nozzle unit 117 .

Über eine Verdampfung des die Oberfläche der Kondensationseinheit 107 benetzenden Kühlmittels kann eine Kühlung der Kondensationseinheit 107 erreicht werden, wodurch ein Kondensationsdruck und eine Kondensationstemperatur innerhalb der Kondensationseinheit 107 herabgesetzt werden kann.Cooling of the condensation unit 107 can be achieved by evaporation of the coolant wetting the surface of the condensation unit 107, as a result of which a condensation pressure and a condensation temperature within the condensation unit 107 can be reduced.

Über die Kondensationseinheit 107, die Verdampfungseinheit 109, das Expansionselement 131 und das Verdichterelement 129 im Kältekreislauf 105 kann ein Wärmetransport vom Inneren des Fahrzeugs an eine Umgebung der Kondensationseinheit 107 und insbesondere an eine Umgebung des Fahrzeugs und damit verbunden eine Kühlung des Innenraums erreicht werden. Über das Verdichterelement 129 kann das gasförmige Kältemittel in einem Verdichtungsprozess verdichtet werden. In der Kondensationseinheit 107 kann das verdichtete gasförmige Kältemittel durch Abgabe einer Wärmemenge an eine Umgebung der Kondensationseinheit 107 vom gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand isotherm kondensieren. Über das Expansionselement 131 kann das flüssige Kältemittel in einem Expansionsprozess expandiert und weiter abgekühlt werden. In der Verdampfungseinheit 109 kann das flüssige bzw. dampfförmige abgekühlte Kältemittel unter Aufnahme einer Wärmemenge aus dem Luftvolumen des Innenraums des Fahrzeugs wiederum isotherm in einen flüssigen Zustand gebracht werden, wodurch der Wärmetransportkreislauf abgeschlossen ist.Via the condensation unit 107, the evaporation unit 109, the expansion element 131 and the compressor element 129 in the refrigeration circuit 105, heat can be transported from the interior of the vehicle to an environment of the condensation unit 107 and in particular to an environment of the vehicle and, associated with this, cooling of the interior can be achieved. The gaseous refrigerant can be compressed in a compression process via the compressor element 129 . In the condensation unit 107, the compressed gaseous refrigerant can iso by releasing a quantity of heat to an environment of the condensation unit 107 from the gaseous state into a liquid state thermally condense. The liquid refrigerant can be expanded in an expansion process and further cooled via the expansion element 131 . In the evaporation unit 109, the liquid or vapor-form cooled refrigerant can again be brought isothermally into a liquid state by absorbing a quantity of heat from the air volume of the interior of the vehicle, as a result of which the heat transport cycle is completed.

Durch Herabsetzen der Kondensationstemperatur und des Kondensationsdrucks wird eine Temperatur des kondensierten Kältefluids innerhalb des Kältekreislaufs 105 herabgesetzt. Durch die herabgesetzte Temperatur des kondensierten Kältefluids ist das kalte Kältefluid in der Lage, eine größere Wärmemenge aufzunehmen, wodurch eine Kühlleistung des Kältekreislaufs 105 und damit verbunden des Kühlsystems 100 erhöht ist.By lowering the condensation temperature and the condensation pressure, a temperature of the condensed refrigerant fluid within the refrigeration cycle 105 is lowered. Due to the reduced temperature of the condensed refrigeration fluid, the cold refrigeration fluid is able to absorb a greater amount of heat, as a result of which the cooling capacity of the refrigeration circuit 105 and, connected thereto, of the cooling system 100 is increased.

Über die weitere Wärmetauschereinheit 110 kann vom Kühlfluid des Kühlkreislaufs 101 eine Wärmemenge an das kalte Kältefluid des Kältekreislaufs 105 abgegeben werden, wodurch eine Kühlung des Kühlfluids des Kühlkreislaufs 101 ermöglicht ist. Über die Wärmetauschereinheit 103 kann das gekühlte Kühlfluid des Kühlkreislaufs 101 ferner eine Wärmemenge des elektrochemischen Energiespeichers 201 aufgenommen werden. Der elektrochemische Energiespeicher 201 steht hierzu in einer thermischen Verbindung zur Wärmetauschereinheit 103. Über die Abgabe der Wärmemenge des elektrochemischen Energiespeichers 201 findet somit eine Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers 201 statt.A quantity of heat can be released from the cooling fluid of the cooling circuit 101 to the cold cooling fluid of the cooling circuit 105 via the additional heat exchanger unit 110 , as a result of which the cooling fluid of the cooling circuit 101 can be cooled. The cooled cooling fluid of the cooling circuit 101 can also absorb a quantity of heat from the electrochemical energy store 201 via the heat exchanger unit 103 . For this purpose, the electrochemical energy storage device 201 is in a thermal connection to the heat exchanger unit 103. The electrochemical energy storage device 201 is therefore cooled by releasing the amount of heat from the electrochemical energy storage device 201.

Die Kühleinheit 111 umfasst ferner ein Schaltelement 123. Mittels des Schaltelements 123 kann die Kühleinheit 111 aktiviert bzw. deaktiviert werden. In der gezeigten Ausführungsform ist das Schaltelement 133 mit dem Pumpelement 127 verbunden, sodass über die Aktivierung des Pumpelements 127 eine Aktivierung der Berieselungseinrichtung 113 erfolgt. Über die Aktivierung der Kühleinheit 111 kann das Kühlsystem 100 in einen zweiten Kühlmodus geschaltet werden. Im zweiten Kühlmodus, in dem die Kühleinheit 111 aktiviert ist, sind der Kondensationsdruck und die Kondensationstemperatur innerhalb der Kondensationseinheit 107 herabgesetzt und somit eine Kühlleistung des Kühlsystems 100 gesteigert.The cooling unit 111 also includes a switching element 123. The switching element 123 can be used to activate or deactivate the cooling unit 111. In the embodiment shown, the switching element 133 is connected to the pump element 127 , so that the sprinkler device 113 is activated via the activation of the pump element 127 . The cooling system 100 can be switched to a second cooling mode by activating the cooling unit 111 . In the second cooling mode, in which the cooling unit 111 is activated, the condensation pressure and the condensation temperature within the condensation unit 107 are reduced and a cooling capacity of the cooling system 100 is thus increased.

Die Kühleinheit 111 kann ferner eine Ventilatoreinheit, in 1 nicht dargestellt, umfassen, mit der Umgebungsluft an der Kondensationseinheit 107 entlang gepumpt bzw. gesaugt werden kann. Hierüber kann ein zusätzlicher Kühleffekt der Kondensationseinheit 107 erreicht werden.The cooling unit 111 can also be a fan unit, in 1 not shown, can be pumped or sucked along with the ambient air at the condensation unit 107 . An additional cooling effect of the condensation unit 107 can be achieved in this way.

2 zeigt ein Enthalpie-Druck-Diagramm eines Kühlvorgangs eines Kühlsystems 100 für einen elektrochemischen Energiespeicher 201 in einem ersten Kühlmodus K1 und in einem zweiten Kühlmodus K2. 2 shows an enthalpy-pressure diagram of a cooling process of a cooling system 100 for an electrochemical energy store 201 in a first cooling mode K1 and in a second cooling mode K2.

2 zeigt zwei Kühlprozesse des Kühlsystems 100 für einen ersten Kühlmodus K1, in dem die Kühleinheit 111 deaktiviert ist, und für einen zweiten Kühlmodus K2, in dem die Kühleinheit 111 aktiviert ist. 2 shows two cooling processes of the cooling system 100 for a first cooling mode K1, in which the cooling unit 111 is deactivated, and for a second cooling mode K2, in which the cooling unit 111 is activated.

Im Folgenden wird der Kühlprozess des ersten Kühlmodus K1 anhand der schwarzen Kurve beschrieben. Der Kühlprozess des zweiten Kühlmodus K2 erfolgt analog und wird daher nicht wiederholt detailliert beschrieben.The cooling process of the first cooling mode K1 is described below using the black curve. The cooling process of the second cooling mode K2 takes place analogously and is therefore not repeatedly described in detail.

Ausgehend vom Punkt 1 in Richtung Punkt 2 wird das Kältemittel des Kältekreislaufs 105 über das Verdichterelement 129 verdichtet. Das Kältefluid befindet sich hierbei in der gasförmigen Phase Ph1. Durch die Verdichtung wird das Kältemittel erwärmt und weist am Punkt 2 angelangt, der den Abschluss der Verdichtung anzeigt, eine erhöhte Temperatur T1 auf. In der gezeigten Darstellung verlaufen im Bereich der dampfförmigen Phase Ph2 die Isothermen (Linien gleicher Temperatur) waagerecht und parallel zur Enthalpie-Achse des Diagramms, wobei die Temperatur zu höheren Drücken P ansteigt. Zwischen den Punkten 4 und 1 bzw. zwischen den Punkten 2 und 3 weist das Kältefluid somit identische Temperaturen auf, die sich jedoch voneinander unterscheiden, wobei die Temperatur zwischen den Punkten 2 und 3 höher ist als zwischen den Punkten 4 und 1.Starting from point 1 in the direction of point 2, the refrigerant of the refrigeration cycle 105 is compressed via the compressor element 129 . The refrigerant is in the gaseous phase Ph1. The refrigerant is heated by the compression and has an increased temperature T1 when it reaches point 2, which indicates the end of the compression. In the illustration shown, the isotherms (lines of the same temperature) in the vapor phase Ph2 run horizontally and parallel to the enthalpy axis of the diagram, with the temperature increasing to higher pressures P. Between points 4 and 1, or between points 2 and 3, the refrigerating fluid thus has identical but different temperatures, the temperature between points 2 and 3 being higher than between points 4 and 1.

Ausgehend vom Punkt 2 in Richtung Punkt 3 wird das gasförmige verdichtete Kältefluid in der Kondensationseinheit 107 in einer isothermen Kondensation kondensiert. Für den ersten Kühlmodus K1 findet eine Kondensation des Kältefluids bei einem ersten Kondensationsdruck P1 und einer ersten Kondensationstemperatur T1 statt. Durch die isotherme Kondensation tritt das Kältefluid von der gasförmigen Phase Ph1 bei Überschreitung der Taulinie TL in die dampfförmige Phase Ph2 ein. Bei weiterer isothermer Kondensation tritt das Kältefluid bei Überschreitung der Siedelinie SL von der dampfförmigen Phase Ph2 in die flüssige Phase Ph3 ein. Durch Abgabe einer Wärmemenge an die Umgebung der Kondensationseinheit 107 kann die Kondensation des Kältemittels isotherm, sprich bei konstanter Temperatur verlaufen. In der flüssigen Phase Ph3 weist das Kältemittel somit die Kondensationstemperatur T1 auf.Starting from point 2 in the direction of point 3, the gaseous, compressed refrigerant fluid is condensed in the condensation unit 107 in an isothermal condensation. For the first cooling mode K1, the refrigerant fluid condenses at a first condensation pressure P1 and a first condensation temperature T1. Due to the isothermal condensation, the refrigerant enters the vapor phase Ph2 from the gaseous phase Ph1 when the dew line TL is exceeded. With further isothermal condensation, the refrigerant enters the liquid phase Ph3 from the vapor phase Ph2 when the boiling line SL is exceeded. By releasing a quantity of heat to the surroundings of the condensation unit 107, the condensation of the refrigerant can take place isothermally, ie at a constant temperature. In the liquid phase Ph3, the refrigerant thus has the condensation temperature T1.

Ausgehend vom Punkt 3 in Richtung Punkt 4 wird das flüssige Kältemittel in dem Expansionselement 131 bei konstanter Enthalpie expandiert. Hierdurch kühlt sich das Kältemittel von der ersten Kondensationstemperatur T1 auf eine niedrige Temperatur ab und tritt bei erneuter Überschreitung der Siedelinie SL von der flüssigen Phase Ph3 in die dampfförmige Phase Ph2 ein.Starting from point 3 in the direction of point 4, the liquid refrigerant is expanded in the expansion element 131 at constant enthalpy. here As a result, the refrigerant cools down from the first condensation temperature T1 to a low temperature and, when the boiling line SL is exceeded again, it enters the vapor phase Ph2 from the liquid phase Ph3.

Ausgehend vom Punkt 4 in Richtung Punkt 1 tritt das expandierte abgekühlte Kältemittel in die Verdampfereinheit 109 ein, wodurch eine isotherme Verdampfung des Kältemittels und ein erneuter Phasenübergang aus der dampfförmigen Phase Ph2 in die gasförmige Phase Ph1 erfolgt. Durch Aufnahme einer Wärmemenge aus der Umgebungsluft der Verdampfungseinheit 109 wird das Kältemittel bei konstanter Temperatur in die gasförmige Phase Ph1 überführt.Starting from point 4 in the direction of point 1, the expanded, cooled refrigerant enters the evaporator unit 109, as a result of which an isothermal evaporation of the refrigerant and a renewed phase transition from the vapor phase Ph2 to the gas phase Ph1 takes place. By absorbing a quantity of heat from the ambient air of the evaporation unit 109, the refrigerant is converted into the gaseous phase Ph1 at a constant temperature.

Durch Aktivierung der Kühleinheit 111 und durch Schalten des Kühlsystems 100 in den zweiten Kühlmodus K2 werden der erste Kondensationsdruck P1 und die erste Kondensationstemperatur T1 auf den zweiten Kondensationsdruck P2 und die zweite Kondensationstemperatur T2 herabgesetzt. Dies bewirkt, dass bei Kondensation des flüssigen Kältemittels in der Kondensationseinheit 107 das kondensierte Kältemittel in der flüssigen Phase Ph3 die herabgesetzte Kondensationstemperatur T2 aufweist. Darüber hinaus wird ein Überschuss an Enthalpie gewonnen, der durch den Betrag zwischen den Punkte 4 und 4' dargestellt ist.By activating the cooling unit 111 and by switching the cooling system 100 to the second cooling mode K2, the first condensation pressure P1 and the first condensation temperature T1 are reduced to the second condensation pressure P2 and the second condensation temperature T2. This has the effect that when the liquid refrigerant condenses in the condensation unit 107, the condensed refrigerant in the liquid phase Ph3 has the reduced condensation temperature T2. In addition, an excess of enthalpy is gained, represented by the amount between points 4 and 4'.

Über den Pfad zwischen Punkt 5 und Punkt 1 ist eine weitere Verdampfung des Kältefluids innerhalb der weiteren Wärmetauschereinheit 110 des Kühlsystems 100 dargestellt. In der Verdampfung zwischen den Punkten 5 und 1 tritt das Kältefluid aus der dampfförmigen Phase PH2 in die gasförmige Phase PH1 ein. Hierbei erfolgt scheinbar eine Abkühlung des Kältefluids, das an Punkt 5 vor der Verdampfung eine scheinbar höhere Temperatur aufweist als an Punkt 1 nach vollendeter Verdampfung. Die Verdampfereinheit 109 und die weitere Wärmetauschereinheit 110 weisen im Kühlsystem 100 unterschiedlicher Druckverlust-Charakteristika auf. Hierdurch kann die isenthalpe Expansion vor der Verdampfereinheit 109 und der weiteren Wärmetauschereinheit 110 nur bei unterschiedlichen Druckeintrittsbedingungen erfolgen. Ist der vermeintliche Temperaturabfall des Kältefluids in der Verdampfung zwischen den Punkten 5 und 1 erklärt. Die abnehmende Temperatur bei der Verdampfung kommt dadurch zustande, dass die weitere Wärmetauschereinheit 110 einen signifikant höheren Druckverlust zeigt die Verdampfereinheit 109, die nahezu Druckverlust frei ist.A further evaporation of the refrigerant within the further heat exchanger unit 110 of the cooling system 100 is shown via the path between point 5 and point 1 . In the evaporation between points 5 and 1, the refrigerating fluid enters the gas phase PH1 from the vapor phase PH2. In this case, the cooling fluid appears to cool down, which appears to have a higher temperature at point 5 before evaporation than at point 1 after evaporation is complete. The evaporator unit 109 and the further heat exchanger unit 110 have different pressure loss characteristics in the cooling system 100 . As a result, the isenthalpic expansion upstream of the evaporator unit 109 and the further heat exchanger unit 110 can only take place under different pressure inlet conditions. Is the supposed drop in temperature of the refrigerating fluid in the evaporation between points 5 and 1 explained? The decreasing temperature during the evaporation comes about because the further heat exchanger unit 110 shows a significantly higher pressure drop, the evaporator unit 109, which is almost free of pressure drop.

Die gezeigten Kühlprozesse in 2 sind lediglich beispielhafter Natur und stellen keine tatsächlichen Kühlprozesse des Kühlsystems 100 dar.The cooling processes shown in 2 are merely exemplary in nature and do not represent actual cooling processes of the cooling system 100.

3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform. 3 3 shows a flow diagram of a method 300 for cooling an electrochemical energy storage device according to an embodiment.

In einem ersten Verfahrensschritt 301 wird zunächst das Kühlsystem 100 in den zweiten Kühlmodus K2 geschaltet. Hierzu wird die Kühleinheit 111 aktiviert und eine Kühlung der Kondensationseinheit 107 bewirkt. In der gezeigten Ausführungsform ist das Schalten des Kühlsystems in den zweiten Kühlmodus K2 im Verfahrensschritt 301 an das Eintreten 311 eines Auslöseereignisses gekoppelt. Das Auslöseereignis kann beispielsweise ein Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes einer maximalen Temperatur des zu kühlenden elektrochemischen Energiespeichers 201 sein. Alternativ kann das Auslöseereignis ein Ladevorgang des elektrochemischen Energiespeichers sein. Bei Detektion des jeweiligen Auslöseereignisses wird somit im Verfahrensschritt 301 das Kühlsystem 100 in den zweiten Kühlmodus K2 geschaltet.In a first method step 301, the cooling system 100 is first switched to the second cooling mode K2. For this purpose, the cooling unit 111 is activated and the condensation unit 107 is cooled. In the embodiment shown, the switching of the cooling system to the second cooling mode K2 in method step 301 is coupled to the occurrence 311 of a triggering event. The triggering event can be, for example, when a predetermined limit value of a maximum temperature of electrochemical energy store 201 to be cooled is reached or exceeded. Alternatively, the triggering event can be a charging process of the electrochemical energy store. Upon detection of the respective triggering event, the cooling system 100 is thus switched to the second cooling mode K2 in method step 301 .

Durch Schalten des Kühlsystems 100 in den zweiten Kühlmodus und durch Aktivierung der Kühleinheit 111 werden der erste Kondensationsdruck P1 und die erste Kondensationstemperatur T1 auf den verringerten zweiten Kondensationsdruck P2 und die verringerte Kondensationstemperatur T2 im Verfahrensschritt 303 herabgesetzt.By switching the cooling system 100 to the second cooling mode and by activating the cooling unit 111, the first condensation pressure P1 and the first condensation temperature T1 are reduced to the reduced second condensation pressure P2 and the reduced condensation temperature T2 in method step 303.

Darauf folgend wird im Verfahrensschritt 305 das Kältefluid des Kältekreislaufs 105 in der Kondensationseinheit 107 mit dem verringerten zweiten Kondensationsdruck P2 und der verringerten zweiten Kondensationstemperatur T2 kondensiert.Subsequently, in method step 305, the refrigeration fluid of the refrigeration circuit 105 is condensed in the condensation unit 107 with the reduced second condensation pressure P2 and the reduced second condensation temperature T2.

Darauf folgend wird im Verfahrensschritt 307 das Kühlfluid des Kühlkreislaufs 101 über einen thermischen Kontakt zum Kältefluid des Kältekreislaufs 105 über die weitere Wärmetauschereinheit 110 herabgekühlt. Durch das auf die herabgesetzte zweite Kondensationstemperatur T2 abgekühlte Kältefluid des Kältekreislaufs 105 kann eine verbesserte Kühlung des Kühlfluids des Kühlkreislaufs 101 über die zweite Wärmetauschereinheit 110 erreicht werden. Im zweiten Kühlmodus K2 ist somit eine verbesserte Kühlung des Kühlfluids im Kühlkreislauf 101 erreicht.Subsequently, in method step 307, the cooling fluid of the cooling circuit 101 is cooled down via thermal contact with the cooling fluid of the cooling circuit 105 via the further heat exchanger unit 110. Improved cooling of the cooling fluid of the cooling circuit 101 via the second heat exchanger unit 110 can be achieved by the cooling fluid of the cooling circuit 105 cooled to the reduced second condensation temperature T2. Improved cooling of the cooling fluid in the cooling circuit 101 is thus achieved in the second cooling mode K2.

Darauf folgend wird im Verfahrensschritt 309 über die Wärmetauschereinheit 105 durch Aufnahme einer Wärmemenge durch das gekühlte Kühlfluid des Kühlkreislaufs 101 eine Kühlung der im thermischen Kontakt zur Wärmetauschereinheit 103 stehenden elektrochemischen Energiespeicher 201 des Fahrzeugs erreicht.Subsequently, in method step 309 , the electrochemical energy store 201 of the vehicle, which is in thermal contact with the heat exchanger unit 103 , is cooled via the heat exchanger unit 105 by absorbing a quantity of heat through the cooled cooling fluid of the cooling circuit 101 .

Nach Aufnahme der Wärmemenge durch das Kältefluid in der weiteren Wärmetauschereinheit 110 durchläuft das Kältefluid einen erneuten Kühlprozess innerhalb des Kältekreislaufs 105 inklusive einer Verdichtung, einer Kondensation, einer Expansion und gegebenenfalls einer Verdampfung.After the amount of heat has been absorbed by the cooling fluid in the further heat exchanger unit 110, the refrigeration fluid undergoes a renewed cooling process within the refrigeration circuit 105, including compression, condensation, expansion and, if necessary, evaporation.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200 mit einem elektrochemischen Energiespeicher 201 und einem Kühlsystem 100 gemäß einer Ausführungsform. 4 FIG. 1 shows a schematic representation of a vehicle 200 with an electrochemical energy store 201 and a cooling system 100 according to an embodiment.

In der gezeigten Ausführungsform umfasst das wenigstens teilweise elektrisch betreibbare Fahrzeug 200, das beispielsweise als ein Elektrofahrzeug bzw. ein Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann, einen elektrochemischen Energiespeicher 201, eine Steuereinheit 203, ein Sensorelement 205 und ein Kühlsystem 100. Das Kühlsystem 100 ist in thermischer Verbindung mit dem elektrochemischen Energiespeicher 201 angeordnet. Über die Steuereinheit 203 ist das Kühlsystem 100 steuerbar und insbesondere zwischen den zwei Kühlmodi K1, K2 verschaltbar. Über das Sensorelement 205 kann ein Auslöseereignis detektiert werden, worauf über die Steuereinheit 203 das Kühlsystem 100 in den zweiten Kühlmodus geschaltet werden kann. Das Sensorelement 205 kann beispielsweise ein Temperatursensor sein, mittels dem eine Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers 201 detektierbar ist. Bei Überschreiten einer Maximaltemperatur des elektrochemischen Energiespeichers 201 kann somit über die Steuereinheit 203 das Kühlsystem 100 in den zweiten Kühlmodus geschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement 205 eine Ankopplung des Fahrzeugs 200 an eine Ladesäule detektieren, sodass mittels des Sensorelements 205 ein Ladeprozess des elektrochemischen Energiespeichers 201 detektierbar ist. Bei Beginn des Ladeprozesses kann somit über die Steuereinheit 203 das Kühlsystem 100 in den zweiten Kühlmodus geschaltet werden.In the embodiment shown, the at least partially electrically operated vehicle 200, which can be embodied as an electric vehicle or a hybrid vehicle, for example, comprises an electrochemical energy store 201, a control unit 203, a sensor element 205 and a cooling system 100. The cooling system 100 is thermally connected arranged with the electrochemical energy store 201. The cooling system 100 can be controlled via the control unit 203 and in particular can be switched between the two cooling modes K1, K2. A triggering event can be detected via the sensor element 205 , whereupon the cooling system 100 can be switched to the second cooling mode via the control unit 203 . The sensor element 205 can be a temperature sensor, for example, by means of which a temperature of the electrochemical energy store 201 can be detected. If a maximum temperature of the electrochemical energy store 201 is exceeded, the cooling system 100 can thus be switched to the second cooling mode via the control unit 203 . Alternatively or additionally, the sensor element 205 can detect a coupling of the vehicle 200 to a charging station, so that a charging process of the electrochemical energy store 201 can be detected by means of the sensor element 205 . At the beginning of the charging process, the cooling system 100 can thus be switched to the second cooling mode via the control unit 203 .

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  • DE 102015013296 A1 [0003]DE 102015013296 A1 [0003]

Claims (10)

Kühlsystem (100) zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers (201) in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug (200), umfassend: einen Kühlkreislauf (101) mit einem Kühlfluid und einer Wärmetauschereinheit (103) zum Aufnehmen einer Wärmemenge von einem zu kühlenden elektrochemischen Energiespeicher (201) des Fahrzeugs (200); einen Kältekreislauf (105) mit einem Kältefluid, einer Kondensationseinheit (107) zum Kondensieren des Kältefluids von einer gasförmigen Phase (Ph1) in eine flüssige Phase (Ph3) unter Abgabe einer Wärmemenge an eine Umgebung des Kältekreislaufs (103) und einer Verdampfungseinheit (109) zum Verdampfen des Kältefluids von der flüssigen Phase (Ph1) in die gasförmige Phase (Ph3) unter Aufnahme einer Wärmemenge von einem Innenraum des Fahrzeugs (205); eine weitere Wärmetauschereinheit (110) zur thermischen Kopplung zwischen dem Kühlkreislauf (101) und dem Kältekreislauf (105); und eine Kühleinheit (111), die eingerichtet ist, einen Kondensationsdruck (P1, P2) und eine Kondensationstemperatur (T1, T2) des Kältefluids innerhalb der Kondensationseinheit (107) herabzusetzen.Cooling system (100) for cooling an electrochemical energy store (201) in an at least partially electrically operated vehicle (200), comprising: a cooling circuit (101) with a cooling fluid and a heat exchanger unit (103) for absorbing a quantity of heat from an electrochemical energy store (201) of the vehicle (200) to be cooled; a refrigeration circuit (105) with a refrigeration fluid, a condensation unit (107) for condensing the refrigeration fluid from a gaseous phase (Ph1) into a liquid phase (Ph3) while releasing a quantity of heat to an environment of the refrigeration circuit (103) and an evaporation unit (109) for evaporating the refrigeration fluid from the liquid phase (Ph1) into the gaseous phase (Ph3) while absorbing an amount of heat from an interior of the vehicle (205); a further heat exchanger unit (110) for thermal coupling between the cooling circuit (101) and the refrigeration circuit (105); and a cooling unit (111) which is set up to reduce a condensation pressure (P1, P2) and a condensation temperature (T1, T2) of the cooling fluid within the condensation unit (107). Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem (100) zwischen einem ersten Kühlmodus (K1) und einem zweiten Kühlmodus (K2) verschaltbar ist, wobei im ersten Kühlmodus (K1) das Kühlsystem (100) mit einem ersten Kondensationsdruck (P1) und einer ersten Kondensationstemperatur (T1) innerhalb der Kondensatoreinheit (107) betreibbar ist, und wobei im zweiten Kühlmodus (K2) die Kühleinheit (11) aktiviert ist und das Kühlsystem (100) mit einem herabgesetzten zweiten Kondensationsdruck (P2) und einer herabgesetzten zweiten Kondensationstemperatur (T2) innerhalb der Kondensatoreinheit (107) betreibbar ist.Cooling system (100) after claim 1 , wherein the cooling system (100) can be switched between a first cooling mode (K1) and a second cooling mode (K2), wherein in the first cooling mode (K1) the cooling system (100) has a first condensation pressure (P1) and a first condensation temperature (T1) is operable within the condenser unit (107), and wherein in the second cooling mode (K2) the cooling unit (11) is activated and the cooling system (100) with a reduced second condensation pressure (P2) and a reduced second condensation temperature (T2) within the condenser unit ( 107) is operable. Kühlsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Kühleinheit (111) eine Berieselungseinrichtung (113) umfasst, die eingerichtet ist, die Kondensationseinheit (107) mit einem Kühlmittel (115) zu berieseln.Cooling system (100) according to one of the preceding claims, wherein the cooling unit (111) comprises a sprinkling device (113) which is set up to sprinkle the condensation unit (107) with a coolant (115). Kühlsystem (100) nach Anspruch 3, wobei das Kühlmittel (115) der Berieselungseinrichtung (113) eine an der Verdampfungseinheit (109) des Kältekreislaufs (105) kondensierte Luftfeuchtigkeit eines Luftvolumens des Innenraums des Fahrzeugs (200) ist.Cooling system (100) after claim 3 , wherein the coolant (115) of the sprinkler device (113) on the evaporation unit (109) of the refrigeration cycle (105) is condensed humidity of an air volume of the interior of the vehicle (200). Kühlsystem (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Berieselungseinrichtung (113) eine Düseneinheit (117) mit einer Mehrzahl von Berieselungsdüsen (119) zum Berieseln der Kondensationseinheit (107) mit dem Kühlmittel (115) umfasst.Cooling system (100) after claim 3 or 4 , wherein the sprinkling device (113) comprises a nozzle unit (117) with a plurality of sprinkling nozzles (119) for sprinkling the condensation unit (107) with the coolant (115). Kühlsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die Berieselungseinrichtung (113) ein erstes Aufnahmebehältnis (121), ein zweites Aufnahmebehältnis (123) und ein Sammelbehältnis (125) umfasst, wobei das erste Aufnahmebehältnis (121) benachbart zur Kondensationseinheit (107) angeordnet und eingerichtet ist, an der Kondensationseinheit (107) abtropfendes Kühlmittel (115) aufzufangen, wobei das zweite Aufnahmebehältnis (123) an der Verdampfungseinheit (109) angeordnet und eingerichtet ist, an der Verdampfungseinheit (109) abtropfendes Kühlmittel (115) aufzufangen, und wobei das Sammelbehältnis (125) eine fluidtechnische Verbindung zum ersten Aufnahmebehältnis (121) und/oder zum zweiten Aufnahmebehältnis (123) aufweist und eingerichtet ist, das Kühlmittel (115) des ersten Aufnahmebehältnisses (121) und/oder des zweiten Aufnahmebehältnisses (123) zu sammeln.Cooling system (100) according to any one of the preceding claims 3 until 5 , wherein the sprinkling device (113) comprises a first receptacle (121), a second receptacle (123) and a collection receptacle (125), the first receptacle (121) being arranged adjacent to the condensation unit (107) and being set up on the condensation unit ( 107) to collect dripping coolant (115), the second receiving container (123) being arranged on the evaporation unit (109) and set up to collect coolant (115) dripping off the evaporation unit (109), and the collection container (125) having a fluidic connection to the first receptacle (121) and/or to the second receptacle (123) and is set up to collect the coolant (115) of the first receptacle (121) and/or the second receptacle (123). Kühlsystem (100) nach Anspruch 6, wobei die Berieselungseinrichtung (113) ein Pumpenelement (127) umfasst, das eingerichtet ist, das Kühlmittel (113) aus dem ersten Aufnahmebehältnis (121) und/oder aus dem zweiten Aufnahmebehältnis (123) und/oder aus dem Sammelbehältnis (123) in die Düseneinheit (117) zu befördern.Cooling system (100) after claim 6 , wherein the sprinkling device (113) comprises a pump element (127) which is set up to pump the coolant (113) from the first receptacle (121) and/or from the second receptacle (123) and/or from the collection receptacle (123). to convey the nozzle unit (117). Elektrisch betreibbares Fahrzeug (200) mit einem elektrochemischen Energiespeicher (201) und einem Kühlsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7.Electrically operable vehicle (200) with an electrochemical energy store (201) and a cooling system (100) according to one of the preceding ones Claims 1 until 7 . Verfahren (300) zum Kühlen eines elektrochemischen Energiespeichers (201) in einem wenigstens teilweise elektrisch betreibbaren Fahrzeug (200) nach Anspruch 8, umfassend: Schalten (301) des Kühlsystems (100) des Fahrzeugs (200) in den zweiten Kühlmodus (K2); Herabsetzen (303) des ersten Kondensationsdrucks (P1) auf den zweiten Kondensationsdruck (P2) und der ersten Kondensationstemperatur (T1) auf die zweite Kondensationstemperatur (T2) des Kältefluids innerhalb der Kondensationseinheit (107) des Kältekreislaufs (105) des Kühlsystems (100) durch die aktivierte Kühleinheit (111); Kondensieren (305) des gasförmigen Kältefluids in der Kondensationseinheit (107) mit herabgesetztem zweitem Kondensationsdruck (P2) und herabgesetzter zweiter Kondensationstemperatur (T2) und Überführen des gasförmigen Kältefluids die flüssige Phase mit zweiter Kondensationstemperatur (T2); Kühlen (307) des Kühlfluids über einen thermischen Kontakt mit dem Kältefluid der zweiten Kondensationstemperatur (T2) in der weiteren Wärmetauschereinheit (110); und Kühlen (309) des elektrochemischen Energiespeichers (201) mit erhöhter Kühlleistung über eine Wärmeaufnahme durch das gekühlte Kühlfluid in der Wärmetauschereinheit (105).Method (300) for cooling an electrochemical energy store (201) in an at least partially electrically operated vehicle (200). claim 8 , comprising: switching (301) the cooling system (100) of the vehicle (200) to the second cooling mode (K2); Lowering (303) the first condensation pressure (P1) to the second condensation pressure (P2) and the first condensation temperature (T1) to the second condensation temperature (T2) of the refrigerant within the condensation unit (107) of the refrigeration circuit (105) of the cooling system (100). the activated cooling unit (111); condensing (305) the gaseous refrigerant in the condensation unit (107) with reduced second condensation pressure (P2) and reduced second condensation temperature (T2) and transferring the gaseous refrigerant to the liquid phase with the second condensation temperature (T2); cooling (307) the cooling fluid via thermal contact with the cooling fluid of the second condensation temperature (T2) in the further heat exchanger unit (110); and cooling (309) the electrochemical energy storage Chers (201) with increased cooling capacity via heat absorption by the cooled cooling fluid in the heat exchanger unit (105). Verfahren (300) nach Anspruch 9,wobei das Schalten (301) der Kühleinheit (11) des Kühlsystems (100) des Fahrzeugs (200) in den zweiten Kühlmodus (K2) an ein Eintreten (311) eines Auslöseereignisses gekoppelt ist, und wobei das Auslöseereignis ein Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts für eine maximale Temperatur des elektrochemischen Energiespeichers (201) und/oder ein Durchführen eines Ladevorgangs des elektrochemischen Energiespeichers (201) umfasst.Method (300) according to claim 9 ,wherein the switching (301) of the cooling unit (11) of the cooling system (100) of the vehicle (200) into the second cooling mode (K2) is coupled to the occurrence (311) of a triggering event, and wherein the triggering event involves reaching or exceeding a predetermined Limits for a maximum temperature of the electrochemical energy store (201) and / or performing a charging process of the electrochemical energy store (201).
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