DE102013008801A1

DE102013008801A1 - Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug, und Traktionsbatterie-Temperierungssystem für ein solches

Info

Publication number: DE102013008801A1
Application number: DE201310008801
Authority: DE
Inventors: Otfried Schwarzkopf
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-11-27
Also published as: FR3005898A1

Abstract

Bei einem Fahrzeug (1), insbesondere Landfahrzeug, mit zumindest einem Fahrzeuginnenraum (11), zumindest einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Elektromotor (2) eines Elektroantriebs, zumindest einer Traktionsbatterie (7), zumindest zwei Kühlmittelkreisläufen (5,6) und zumindest einem Kältemittelkreislauf (9), wobei der erste Kühlmittelkreislauf (5) auf einem ersten Temperaturniveau und der zweite Kühlmittelkreislauf (6) auf einem sich von dem ersten Temperaturniveau unterscheidenden zweiten Temperaturniveau arbeitet, und wobei der erste Kühlmittelkreislauf (5) dem Konditionieren des Fahrzeuginnenraums (11) und/oder zum Kühlen zumindest eines Aggregats, insbesondere des Elektromotors (2), und der zweite Kühlmittelkreislauf (6) zum Temperieren der Traktionsbatterie (7) dient und der Kältemittelkreislauf (9) dem Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums (11) und zur Aufnahme von Wärme aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6), umfasst der zweite Kühlmittelkreislauf (6) zum Temperieren der Traktionsbatterie zumindest eine erste Kühleinrichtung (150), eine zweite Kühleinrichtung (61) und eine Heizeinrichtung (60, 73, 74), wobei die erste (150) und die zweite Kühleinrichtung (61) und die Heizeinrichtung (60, 73, 74) des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6) unabhängig voneinander betreibbar sind. Bei einem Traktionsbatterie-Temperierungssystem zum Temperieren zumindest einer Traktionsbatterie (7), enthaltend eine erste Kühleinrichtung (150) und zumindest eine Heizeinrichtung (60, 73, 74), ist eine zweite Kühleinrichtung (61) vorgesehen und die Heizeinrichtung (60, 73, 74) ist ortsnah zu der Traktionsbatterie (7) angeordnet und mit keiner oder wenig thermischer Masse versehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug, mit zumindest einem Fahrzeuginnenraum, zumindest einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Elektromotor eines Elektroantriebs, zumindest einer Traktionsbatterie, zumindest zwei Kühlmittelkreisläufen und zumindest einem Kältemittelkreislauf, wobei der erste Kühlmittelkreislauf auf einem ersten Temperaturniveau und der zweite Kühlmittelkreislauf auf einem sich von dem ersten Temperaturniveau unterscheidenden zweiten Temperaturniveau arbeitet, und wobei der erste Kühlmittelkreislauf dem Konditionieren des Fahrzeuginnenraums und/oder zum Kühlen eines Aggregats, insbesondere zumindest des Elektromotors, und der zweite Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Traktionsbatterie dient und der Kältemittelkreislauf dem Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums und zur Aufnahme von Wärme aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf dient. Sie betrifft ferner ein Traktionsbatterie-Temperierungssystem zum Temperieren zumindest einer Traktionsbatterie, enthaltend eine erste Kühleinrichtung und zumindest eine Heizeinrichtung, sowie eine Batterieheizeinrichtung zum Beheizen zumindest einer Batterie, enthaltend zumindest eine Zelle und zumindest eine Leitung.
Fahrzeuge mit zumindest einem Fahrzeuginnenraum, zumindest einem Elektromotor eines Elektroantriebs, zumindest einer Traktionsbatterie, zumindest zwei Kühlmittelkreisläufen, zumindest einem Kältemittelkreislauf sowie Temperiersysteme und Batterieheizeinrichtungen für eine Traktionsbatterie sind im Stand der Technik bekannt. Dabei wird unter einer Traktionsbatterie ein Energiespeicher zum Antrieb von Fahrzeugen mit Elektroantrieb verstanden. Da sie zyklischen Lade- und Entladeprozessen ausgesetzt ist, werden üblicherweise Akkumulatoren verwendet, insbesondere eine Zusammenschaltung von einzelnen Akkumulatorzellen oder -blocken. Im Vergleich zu Gerätebatterien weisen die Zellen einer Traktionsbatterie eine vielfach höhere Kapazität auf. Durch serielle Zusammenschaltung von Einzelzellen ergibt sich die Fahrspannung bzw. Traktionsspannung. Durch eine Erhöhung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen können die Speicherkapazität und Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Traktionsspannung und elektrischer Ladung oder galvanischer Kapazität der Einzelzellen bzw. parallel geschalteten Zellen ergibt den Energiegehalt der Traktionsbatterie. Die Zellen einer Traktionsbatterie weisen fertigungsbedingt sowie durch Nutzungseinflüsse Unterschiede in der Kapazität und Stromabgabe aufgrund variierenden inneren Widerstands auf. Mit sinkenden Temperaturen verringert sich die Beweglichkeit der Elektronen, was dazu führt, dass sich auch die Fähigkeit der Traktionsbatterie zur Abgabe hoher Ströme verringert. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und da verschiedene Akkutechnologien bei tieferen Temperaturen unbrauchbar werden, ist es bekannt, Traktionsbatterien eine Heizeinrichtung zuzuordnen.
Fahrzeuge, die mit einem Traktionsbatterie-Temperierungssystem bzw. einem Batteriekreislauf zum Temperieren der Traktionsbatterie versehen sind, sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 10 2009 060 860 A1 ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug, das zumindest einen Kältemittelkreislauf und zumindest einen Temperierkreislauf zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums und zumindest einer Fahrzeugkomponente umfasst, wobei zumindest eine Einrichtung zur Wärmeaufnahme von dem Temperierkreislauf und zumindest eine Einrichtung zur Wärmeabgabe an den Temperierkreislauf vorgesehen sind. Hierbei erfolgt die Temperierung der Traktionsbatterie durch einen Kühlwasserkreislauf unter Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr durch den Kältemittelkreislauf des Fahrzeugs. Für das Temperieren der Traktionsbatterie wird ein anderes Temperaturniveau benötigt als für Fahrzeugmotor und Aggregate sowie den Fahrzeuginnenraum. Durch das Klimatisierungssystem werden sowohl Kühl- als auch Temperieraufgaben übernommen, wodurch dessen Aufbau recht komplex ist.
Aus der DE 10 2010 019 187 A1 ist eine wieder aufladbare Niedertemperatur-Batterie für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine Stromspeicherzelle, die in einem gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung isolierten Gehäuse untergebracht ist, aufweist. Ferner ist ein erster Fluid-Kreislauf zum Wärmetransport zwischen der Stromspeicherzelle und einem ersten Fluid vorgesehen. Dem ersten Fluid-Kreislauf ist ein erster Wärmetauscher zugeordnet, der einerseits von dem ersten Fluid sowie andererseits von einem zweiten Fluid durchströmt werden kann, so dass über den ersten Wärmetauscher ein Wärmeaustausch zwischen Stromspeicherzelle und erstem Fluid-Kreislauf einerseits sowie dem zweiten Fluid andererseits durchgeführt werden kann. Ferner ist der erste Wärmetauscher innerhalb des isolierten Gehäuses der Stromspeicherzelle untergebracht. Die Traktionsbatterie wird also durch Integration eines Temperierungsmittels in Form des Wärmetauschers in das isolierte Batteriegehäuse temperiert. Es erweist sich als nachteilig, dass die thermische Masse des Wärmetauschers dadurch immer mit temperiert werden muss, auch wenn dieser nicht benötigt wird.
Die DE 10 2009 059 240 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug-Kühlsystem mit einem ersten Kühlkreislauf einer in diesen eingebundenen zu kühlenden elektrischen Komponente eines Fahrzeugs, einer Kälteanlage und einem Kältemittel-Kühlflüssigkeit-Wärmetauscher. In dem ersten Kühlkreislauf zirkuliert eine Kühlflüssigkeit zum Kühlen der elektrischen Komponente. Über den Wärmetauscher wird die von der Kälteanlage bereitgestellte Kühlleistung auf die Kühlflüssigkeit übertragen. In dem ersten Kühlkreislauf ist ferner ein erster Kühlflüssigkeit-Luft-Wärmetauscher zum Kühlen von Luft für den Fahrzeuginnenraum vorgesehen. Die Fahrzeugheizvorrichtung weist ein brennstoffbetriebenes Heizgerät und/oder einen elektrischen Widerstandsheizer auf. Die Temperierung der Traktionsbatterie erfolgt somit durch Integration von Heiz- und Kühleinrichtungen in den Kühlkreislauf, wobei der Batterietemperierkreislauf recht komplex ist und thermische Massen, die beim Beheizen der Batterie mit beheizt werden müssen, außerhalb der Batterie angeordnet sind.
Einige bekannte Fahrzeuge mit Hybrid- oder Elektroantrieb umfassen einen Kältekreislauf, einen Heiz- und Kühlkreislauf für den Fahrzeuginnenraum bzw. die Fahrgastzelle, einen Kühlkreislauf für die Elektronikkomponenten, die Leistungselektronik, den Elektromotor, etc. und einen Batterietemperierkreislauf für die Traktionsbatterie. Teilweise erfolgt eine Batteriekühlung durch die konditionierte Luft des Fahrzeuginnenraums, also sehr spät, nämlich erst nach Konditionieren des Fahrzeuginnenraums.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Traktionsbatterie-Temperierungssystem dahingehend fortzubilden, dass letzteres weniger komplex als einige der vorstehend beschriebenen Lösungen des Standes der Technik ist und das Temperieren der Traktionsbatterie effektiver, also schneller und mit weniger Verlusten möglich ist und ein schnelles und effektives Beheizen der Traktionsbatterie ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der zweite Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Traktionsbatterie zumindest eine erste Kühleinrichtung, eine zweite Kühleinrichtung und eine Heizeinrichtung umfasst, wobei die erste und die zweite Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung des zweiten Kühlmittelkreislaufs unabhängig voneinander betreibbar sind. Für ein Traktionsbatterie-Temperierungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zweite Kühleinrichtung vorgesehen ist und die Heizeinrichtung ortsnah zu der Traktionsbatterie angeordnet und mit keiner oder wenig thermischer Masse versehen ist. Für eine Batterie-Heizeinrichtung zum Beheizen zumindest einer Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Batterie-Heizeinrichtung in Form einer Flächenheizung an der zumindest einen Zelle und/oder in Form einer Rohrbegleitheizung an der zumindest einen Leitung vorgesehen ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Dadurch wird ein Fahrzeug mit u. a. einem Traktionsbatterie-Temperierungssystem geschaffen, bei dem ein schnelles Temperieren, insbesondere auch Beheizen, der Traktionsbatterie durch Vorsehen eines kurzen Heizkreislaufs als Teil des zweiten Kühlmittelkreislaufs ermöglicht wird, da die Heizeinrichtung ortsnah, also direkt neben der Traktionsbatterie oder in dieser angeordnet ist. Die erste und die zweite Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung sind unabhängig voneinander betreibbar, was bedeutet, dass die thermische Masse jeder dieser Komponenten bzw. Einrichtungen die Temperierung der anderen nicht beeinflusst. Weiterhin kann das bedeuten, dass die beiden Kühleinrichtungen und die Heizeinrichtung so unabhängig voneinander durchströmbar sind, dass immer nur eine Komponente mit Medium beaufschlagt wird. Dies erweist sich besonders auch dann als vorteilhaft, wenn die zweite Kühleinrichtung zum Kühlen benötigt wird, da dann nicht auch die Heizrichtung bzw. deren thermische Masse mitgekühlt werden muss. Im zweiten Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Traktionsbatterie sind somit die erste und die zweite Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung unabhängig voneinander betreibbar, also alle drei Komponenten des zweiten Kühlmittelkreislaufs. Diese können jeweils in Teilkreisläufen, insbesondere parallel zueinander, geschaltet werden, so dass die einzelnen Komponenten unabhängig voneinander betrieben werden können. Die Komponenten sind vorteilhaft so betreibbar, dass eine Reihenschaltung der Komponenten vermieden werden kann.
Auch durch das vorteilhafte Vorsehen einer Heizeinrichtung mit geringer oder keiner thermischen Masse können wirkungsvoll Verluste durch unnötiges Temperieren bzw. Mitkonditionieren thermischer Masse der Heizeinrichtung vermieden werden, deren Betrieb zumindest in einem Betriebszustand nicht erforderlich ist. Es kann somit eine integrative Heizeinrichtung, also eine in die Traktionsbatterie integrierte, vorgesehen werden anstelle einer zusätzlichen Komponente, wie sie ansonsten im Stand der Technik zu finden ist. Das Vorsehen einer geringen oder von im Wesentlichen keiner thermischen Masse ist nicht nur im Hinblick auf das Heizen, sondern auch im Hinblick auf das Kühlen vorteilhaft, da auch dabei im Stand der Technik eine zum Kühlen nicht benötigte Heizeinrichtung mit gekühlt werden muss, also sich deren thermische Masse hierbei negativ auswirkt. Dies ist vorliegend aufgrund des Entkoppelns bzw. unabhängigen Betriebs von Heizeinrichtung und erster und zweiter Kühleinrichtung nicht der Fall. Vorteilhaft ist die Heizeinrichtung ortsnah in Bezug auf die Traktionsbatterie angeordnet, wodurch ferner ein Betrieb auf kürzestem Wege möglich ist, also mit einem kurzen Heizkreislauf zum Erwärmen der Traktionsbatterie. Ferner weist die Heizeinrichtung aufgrund der Ortsnähe eine geringe thermische Masse auf. Da auch der zweite Kühlkreislauf vorteilhaft so kurz wie möglich ausgebildet ist, wird das Temperieren der Traktionsbatterie deutlich effektiver und schneller möglich.
Vorteilhaft sind zumindest die erste Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung unabhängig voneinander betreibbar. Durch das voneinander unabhängige Betreiben zumindest der ersten Kühleinrichtung und der Heizeinrichtung, des zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren der Traktionsbatterie wird das Beheizen bzw. Temperieren von dieser schneller möglich, da ein erforderliches Kühlen nur über die erste Kühleinrichtung und unabhängig davon ein erforderliches Beheizen der Traktionsbatterie nur über die Heizeinrichtung vorgenommen wird, jeweils ohne Beeinflussung durch die thermische Masse der jeweils anderen Komponente und ohne Durchströmen der jeweils anderen Komponente mit Medium. Unabhängig bedeutet in diesem Zusammenhang ebenfalls, dass die Heizeinrichtung, wie bereits erwähnt, vorteilhaft im Wesentlichen keine oder nur eine geringe thermische Masse aufweist. Der erste und der zweite Kühlkreislauf sind vorteilhaft unabhängig voneinander betreibbar insbesondere als zwei in sich weitgehend geschlossene Kreisläufe ausgebildet, jeweils mit einer Pumpeinrichtung zum Umwälzen des Kühlmittels versehen. Durch das Entkoppeln des zweiten Kühlmittelkreislaufs, dem die erste und zweite Kühleinrichtung zugeordnet sind und der zum Temperieren der Traktionsbatterie dient, von dem ersten Kühlmittelkreislauf, der dem Konditionieren des Fahrzeuginnenraums, also der Fahrgastzelle, und dem Kühlen des Elektromotors sowie der elektronischen Komponenten, wie der Leistungselektronik, eines vorgesehenen AC/DC-Wandlers und eines Ladegeräts sowie weiterer elektronischer Komponenten des Fahrzeugs dient, ist ein weniger komplexer Aufbau als bei den Lösungen des Standes der Technik möglich, der einen effektiveren Betrieb ermöglicht. Die beiden Kühlmittelkreisläufe können völlig unabhängig voneinander betrieben werden. Vorteilhaft kann je Kühlmittelkreislauf eine Pumpeinrichtung vorgesehen sein, somit zwei in sich weitgehend geschlossene Kühlmittelkreisläufe mit jeweils einer Pumpeinrichtung zum Umwälzen des Kühlmittels im jeweiligen Kreislauf.
Insbesondere der erste Kühlmittelkreislauf kann in mehrere Kreisläufe unterteilt sein, z. B. in zwei Kühlkreisläufe. Der erste Kühlmittelkreislauf kann dabei Aufgaben im Bereich des Konditionierens oder Kühlens von Aggregaten, wie Antriebsaggregaten, z. B. eines Elektromotors, übernehmen.
Der zweite Kühlmittelkreislauf ist vorteilhaft in drei Einstellungen betreibbar, einem Kühlmodus über die erste Kühleinrichtung, einem Verdampfermodus über die zweite Kühleinrichtung und einem Heizmodus über die Heizeinrichtung. In dem Kühlmodus erfolgt ein Kühlen über die erste Kühleinrichtung, wie einen Fahrzeugkühler, der im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet wird, um durch Konvektion eine Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Im Verdampfermodus erfolgt ein Kühlen über die zweite Kühleinrichtung bzw. den Kältemittelkreislauf, wie beispielsweise bei sehr hohen Umgebungstemperaturen. Der Massenstrom kann dabei auch geteilt werden z. B. über ein Proportionalventil und hiermit Kühler und Verdampfer beaufschlagt werden. Im Heizmodus erfolgt ein Beheizen über die Heizeinrichtung bzw. durch eine Wärmequelle, die eine chemische und/oder elektrische Energiezufuhr ermöglicht, z. B. einen Widerstandsheizer, einen Heizungswärmetauscher, eine Verbrennungseinrichtung, etc. Die drei Aggregate des Kühlers, des Verdampfers und der Wärmequelle werden vorteilhaft parallel zueinander geschaltet, um den Betrieb in den drei Einstellungen bzw. Modi auch unabhängig voneinander zu ermöglichen. Unabhängig voneinander bedeutet auch hier ein unabhängiges Betreiben der Komponenten, bei dem Medium jeweils nur durch eine Komponente strömt, und/oder ein Betreiben unabhängig von der thermischen Masse, also ohne Beeinflussung durch die thermische Masse der jeweils nicht benötigten Komponente.
Der erste Kühlmittelkreislauf umfasst beispielsweise einen Kühlmittelkühler zum Kühlen der zu kühlenden Elektrokomponenten. Das Klimagerät des Kältemittelkreislaufs dient der Temperierung der Fahrgastzelle bzw. des Fahrzeuginnenraums bzw. der daraus zugeführten Luft. Zu diesem Zweck sind Heiz- und Kühleinrichtung(en) vorgesehen, wie ein Heizungswärmetauscher. Über den Heizungswärmetauscher kann Abwärme der elektronischen Komponenten genutzt werden, um diese an die Fahrgastzelle/den Fahrzeuginnenraum, zu übertragen. Ist dies nicht ausreichend, wie z. B. im Winterbetrieb, kann eine weitere Wärmequelle, beispielsweise in Form eines Widerstandsheizers (PTC-Heizers) oder eines weiteren Heizkreislaufs zugeschaltet werden. Letzterer kann zumindest eine Heizeinrichtung, z. B. einen Widerstandsheizer, einen Heizungswärmetauscher und eine Pumpeinrichtung umfassen.
Der Kältemittelkreislauf ist vorteilhaft vorne in dem Fahrzeug angeordnet. Kondensator z. B. R134a/Hf013344f bzw. Gaskühler R744/CO₂ des Kältemittelkreislaufs werden zum Erzeugen von Konvektion zur Wärmeabfuhr an der Fahrzeugfront angeordnet. Um Kälteverluste bzw., je nach Temperaturlage, im Wärmepumpenmodus Wärmeverluste zu vermeiden, wird vorteilhaft auf lange Leitungen zum Verbinden der einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs verzichtet, somit vorteilhaft kurze. Leitungen, die Rohrleitungen und/oder Schläuche sein können, vorgesehen und die einzelnen Komponenten dementsprechend in räumlicher Nähe zueinander angeordnet.
In dem Kältemittelkreislauf wird das Kältemittel zunächst in einem Verdichter verdichtet. Es durchströmt sodann eine Heißgasleitung, in der es enthitzt wird. Hiernach erreicht das Kältemittel einen Kondensator, in dem es unter Abgabe von Wärme an die Luft kondensiert (im lg-p-h-Diagramm das Nassdampfgebiet) oder überkritisch weiter gekühlt wird (im lg-p-h-Diagramm Gasgebiet), je nach verwendetem Kältemittel. Das Kältemittel durchströmt anschließend einen inneren Wärmeübertrager, wodurch die übertragbare Kälteleistung vergrößert wird. Nach Expansion durchströmt das Kältemittel zwei Verdampfer entweder jeden einzeln oder beide. Hier bestehen somit bedarfsgerecht drei Möglichkeiten. Bevorzugt ist jeweils eine Expansionsstufe zur Druckabsenkung mit jeweils einem zugehörigen, parallel hierzu geschalteten Verdampfer vorgesehen. Über den inneren Wärmeübertrager bzw. inneren Wärmetauscher wird der Kältemittelkreislauf zum Verdichter wieder geschlossen.
Der erste Verdampfer ist Teil des bereits genannten Klimageräts des Kältemittelkreislaufs sein, der zweite Verdampfer Teil des zweiten Kühlmittelkreislaufs der Traktionsbatterie. Letzterer dient dem Zukühlen bei hohen Umgebungstemperaturen. Vorteilhaft sind die beiden Verdampfer unabhängig voneinander betreibbar, wobei der zweite Verdampfer das Kühlen der Traktionsbatterie unterstützen kann, sofern das Kühlen über die Kühleinrichtung, insbesondere in Form des im Frontbereich des Fahrzeugs angeordneten Kühlers, des zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren der Traktionsbatterie nicht ausreichen sollte. Ein solcher Fall läge beispielsweise dann vor, wenn sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, das Fahrzeug mit dem Kühler an einer Wand steht/parkt oder das Fahrzeug langsam fährt, da in diesen Betriebszuständen des Fahrzeugs über die Kühleinrichtung des zweiten Kühlmittelkreislaufs eine nur unzureichende Wärmemenge abgeführt werden kann, da nur eine unzureichende Konvektion vorliegt. Der zweite Verdampfer kann zugeschaltet werden, ein Teilmassenstrom über diesen strömen, um die Kühlung der Traktionsbatterie zu unterstützen. Ferner kann der zweite Verdampfer die Kühlung der Traktionsbatterie auch vollständig übernehmen, also ohne Beaufschlagen von Zusatzkomponenten, wie eines PTC-Heizers oder der Heizeinrichtung des zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren der Traktionsbatterie. Der zweite Verdampfer kann, sofern die Kühleinrichtung nicht ausreicht, insbesondere zum Kühlen der Traktionsbatterie beim Laden von dieser im Fahrzeugstillstand verwendet werden, da dabei die Traktionsbatterie in der Regel sehr warm werden kann und gekühlt werden muss.
Weiter vorteilhaft können eigene Leitungen für den zweiten Verdampfer verwendet werden, dieser also separat parallel geschaltet werden. Die Leitungen des Vorlaufs und des Rücklaufs des zweiten Verdampfers können weiter vorteilhaft isoliert werden, um Kühlverluste zu vermeiden. Eine Pumpeinrichtung kann anstelle der Anordnung im Rücklauf auch im Vorlauf des zweiten Verdampfers angeordnet werden.
Das Temperaturniveau des ersten Kühlmittelkreislaufs ist höher als das Temperaturniveau des zweiten Kühlmittelkreislaufs. Die Traktionsbatterie wird bevorzugt in einem Temperaturbereich von 15 bis 25°C betrieben Das zweite Temperaturniveau ist somit niedriger als bei den Komponenten des ersten Kühlmittelkreislaufs, die in einem demgegenüber höheren Temperaturniveau betrieben und lediglich gekühlt werden. Die Traktionsbatterie muss stets temperiert werden, um das gewünschte Temperaturniveau zu erhalten, also bei Umgebungstemperaturen und/oder bei Belastungen und/oder bei Fahrzuständen, u. a. auch im Fahrzeug-Stillstand, die ansonsten zu einem Abweichen der Traktionsbatterie-Temperatur von dem gewünschten Niveau führen würden. Der Betrieb der Traktionsbatterie in dem genannten Temperaturbereich ist auch für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie relevant. Zum Temperieren auf das gewünschte Temperaturniveau sind die zumindest zwei Kühleinrichtungen und die Heizeinrichtung als Wärmesenken und -quelle vorgesehen.
Als Heizeinrichtung zum Beheizen der Traktionsbatterie kann beispielsweise ein Widerstandsheizer (PTC-Heizer) verwendet werden. Um ein bezüglich der thermischen Masse und des benötigten Bauraums im Wesentlichen neutrales Element vorzusehen, das also im Wesentlichen keine thermische Masse und einen äußerst geringen Raumbedarf ausweist, erweist es sich als weiter vorteilhaft, die Heizeinrichtung zum Beheizen der Traktionsbatterie so dicht wie möglich an das Gehäuse der Traktionsbatterie und/oder an deren Zellen und/oder innere Leitungen heranzubringen. Insbesondere kann die Heizeinrichtung dabei in Form einer Rohrbegleitheizung und/oder zumindest eines Flächenheizelements und/oder durch Nutzung leitfähiger Kunststoffe vorgesehen werden. Wird die Heizeinrichtung als Rohrbegleitheizung ausgebildet, kann diese adaptiv, also durch Umwickeln von Leitungen oder zumindest einer Leitung innerhalb der Traktionsbatterie vorgesehen werden, und/oder integrativ, also in diese eingebracht werden, somit in die Leitungswandung und/oder in deren inneres Leitungslumen. Hierdurch ist es möglich, die Heizeinrichtung so dicht wie möglich an den Teil der Traktionsbatterie, der tatsächlich beheizt werden soll, heranzubringen, die thermische Masse der Leitungen kaum zu erhöhen, da die Heizelemente der Rohrbegleitheizung diese kaum erhöhen, und vor allem keine oder weniger thermische Masse im Vergleich zum Vorsehen einer zusätzlichen Heizkomponente, vorzusehen. Die Makrozellen der Traktionsbatterie können mit entsprechend ausgebildeten Flächenheizelementen versehen werden, wobei auch hierbei deren thermische Masse durch die Flächenheizelemente kaum erhöht wird. Ferner ist es mit einer Rohrbegleitheizung und/oder Flächenheizelementen möglich, kontinuierlich im Vergleich zu einer extern bezüglich der Traktionsbatterie vorgesehenen Heizeinrichtung weniger Wärme an alle Steilen der Traktionsbatterie, die beheizt werden sollen, zu bringen und nicht übermäßig viel Wärme an nur eine oder wenige Stellen. Die Traktionsbatterie kann somit gleichmäßig erwärmt werden und zugleich zumeist auch schneller als dies mit einer außenliegenden bzw. externen Heizeinrichtung möglich ist. Eine Rohrbegleitheizung und/oder ein Flächenheizelement kann vorteilhaft nicht nur in Kombination mit den vorstehenden Merkmalen des Traktionsbatterie-Temperierungssystems bzw. der Kreisläufe des Fahrzeugs, sondern auch bei jeder Art von Traktionsbatterie und ggf. auch bei anderen Batterien vorteilhaft verwendet werden, um diese optimal zu beheizen. Dasselbe gilt für das Vorsehen zumindest eines elektrisch und/oder thermisch leitenden bzw. leitfähigen Kunststoffs, über den die zumindest eine Zelle der Batterie und/oder die zumindest eine Leitung beheizbar ist/sind.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von dieser näher anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit Elektromotor und einem ersten Kühlmittelkreislauf zum Konditionieren des Fahrzeuginnenraums und zum Kühlen des Elektromotors,
2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs gemäß 1,
3 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs des Fahrzeugs gemäß 1,
4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen zweiten Kühlmittelkreislaufs zum Temperieren einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, wobei bei der Traktionsbatterie einzelne Makrozellen und Leitungen angedeutet sind,
5 eine Detailansicht der Traktionsbatterie gemäß 4, hier enthaltend Flächenheizelemente für die Makrozellen,
6 eine Prinzipskizze der Traktionsbatterie gemäß 4, wobei eine Rohrbegleitheizung entlang einiger der Leitungen der Traktionsbatterie vorgesehen sind,
7 eine Skizze einer Leitung mit außenseitig angeordneten Heizelementen als Rohrbegleitheizung, und
8 eine Skizze einer Leitung mit innenliegenden Heizelementen als Rohrbegleitheizung.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs 1 mit einem Elektromotor 2 oder einer elektrischen Maschine, einem Ladegerät 3 und einer Einheit 4 enthaltend einen AC/DC-Wandler und Leistungselektronik. Der AC/DC-Wandler und die Leitungselektronik sind in der Nähe des Elektromotors 2, der dem Antrieb des Fahrzeugs 1 dient, angeordnet. Dies ist in der Prinzipskizze in 1 angedeutet. Für den Betrieb im Stillstand, in dem der Elektromotor 2 nicht läuft, ist das Ladegerät 3 parallel zu Elektromotor 2 und der Einheit 4 mit AC/DC-Wandler und Leistungselektronik geschaltet. Zum Konditionieren dieser elektronischen Komponenten ist ein erster Kühlmittelkreislauf 5 vorgesehen, über den auch ein Fahrzeuginnenraum 10 beheizt werden kann. Von dem Fahrzeug 1 sind neben dem Fahrzeuginnenraum 10 und einer Fahrzeugfront 11 auch die vier Räder 12, 13, 14, 15 in 1 und den nachfolgenden 2 und 3 angedeutet.
Der erste Kühlkreislauf 5 umfasst einen Kühler 50 für die vorstehend genannten Elektronikkomponenten, der vorzugsweise luftgekühlt ist und im Bereich der Fahrzeugfront 11 angeordnet ist. Ferner umfasst der erste Kühlmittelkreislauf 5 ein Klimagerät 51 mit einem ersten Verdampfer 52. Wie in 1 weiter angedeutet, umfasst das Klimagerät 51 ferner einen Heizungswärmetauscher 53, der dem Beheizen des Fahrzeugsinnenraums 10, also der Fahrgastzelle, dient. Das Klimagerät 51 kann alternativ Wärme und Kälte über seine Wärmetauscher zur Verfügung stellen.
Der erste Kühlmittelkreislauf 5 enthält bei Integration einer Heizeinrichtung in Parallelschaltung zu dem Klimagerät 51 die Heizeinrichtung 54. Sie kann in Form eines Widerstandsheizers (PTC-Heizer) ausgebildet sein. Sie ist bei der Integration sowohl parallel zu dem Klimagerät 51 als auch parallel zu dem Kühler 50 und parallel zu dem Ladegerät 3 sowie den in Reihe geschalteten Komponenten des Elektromotors 2 und der Einheit 4 mit AC/DC-Wandler und Leistungselektronik angeordnet. Zum Fördern des in den Leitungen 55 des ersten Kühlmittelkreislaufs 5 strömenden Kühlmittels, das in 1 nicht zu sehen ist, ist ferner eine Pumpeinrichtung 56 in Reihe mit den genannten Komponenten geschaltet. Optional kann die Heizeinrichtung 54 anstatt parallel auch in Reihe mit den übrigen Komponenten geschaltet werden. Dies ist in 1 durch die gestrichelte Linie sowie den Pfeil 57 angedeutet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen separaten Heizkreislauf 59, umfassend eine Heizeinrichtung 154, einen Wärmeaustauscher 155 sowie eine Pumpeinrichtung 156 vorzusehen. Als weitere Option kann, wenn die vom ersten Kühlmittelkreislauf 5 abgegebene Abwärme zum Heizen des Fahrgastinnenraums ausreicht, über den Heizungswärmetauscher 53 diese Abwärme entzogen werden. Ein Luftstrom, wie durch die Pfeile 159 angedeutet, kann zum Transport der durch die Heizeinrichtung 154 oder 54 zur Verfügung gestellten Wärme an dieser vorbeigeleitet werden, um den erwärmten Luftstrom 159 zum Beheizen insbesondere der Fahrgastzelle zu nutzen. Die optionale Heizeinrichtung 54 und der optionale Heizkreislauf 59 können auch im Winterbetrieb zum Zuheizen verwendet werden, wenn die von den Elektrokomponenten abgegebene Wärme nicht ausreicht, um die Fahrgastzelle zu beheizen.
Wie 1 weiter zu entnehmen ist, sind drei 3/2-Wegeventile 58, 158, 258 vorgesehen, also Ventile für drei Wege und zwei Stellungen, um die einzelnen Pfade der zueinander parallel geschalteten Komponenten des ersten Kühlmittelkreislaufs 5 schalten und einige davon auch absperren zu können.
Nicht nur die Heizeinrichtung 54 als Wärmequelle, sondern auch das Ladegerät 3 sowie die Elektromotor 2 und die Einheit 4 mit AC/DC-Wandler und Leistungselektronik können in Reihe statt, wie in 1 gezeigt, parallel zu den anderen Komponenten geschaltet zu werden.
Das Kühlen des Elektroantriebs in Form des Elektromotors 2 und der erforderlichen elektronischen Komponenten der Leistungselektronik, des AC/DC-Wandlers und des Ladegeräts 3 über den ersten Kühlmittelkreislauf 5 erfolgt üblicherweise ausschließlich über den Kühler 50.
2 zeigt einen zweiten Kühlmittelkreislauf 6 des Fahrzeugs 1, zum Temperieren einer Traktionsbatterie 7 des Fahrzeugs, die insbesondere eine Lithiumionen-Batterie sein kann. Der zweite Kühlmittelkreislauf 6 umfasst zu diesem Zweck eine Heizeinrichtung 60, einen an der Fahrzeugfront 11 angeordneten Kühler 150 sowie einen zweiten Verdampfer 61, der dem in 3 gezeigten Kältemittelkreislauf 8 zugeordnet ist. Ferner ist eine Pumpeinrichtung 62 vorgesehen, die eine elektrisch betriebene Pumpe sein kann. Von der Traktionsbatterie 7 ist ein diese außenseitig ummantelndes Batteriegehäuse 70 in 2 gezeigt. In den 4 bis 6 sind weitere Komponenten der Traktionsbatterie 7 zu sehen, die sich in dem Gehäuse 70 befinden und auf die zu diesen Figuren noch weiter eingegangen werden wird. Das Batteriegehäuse 70 kann isoliert sein, kann jedoch auch unisoliert vorgesehen werden.
Die Heizeinrichtung 60 sowie die Pumpeinrichtung 62 können zusammen in einem Gehäuse 63 angeordnet werden, das mit gestrichelten Linien in 2 lediglich angedeutet ist. Heizeinrichtung 60 und Pumpeinrichtung 62 sind ansonsten in Reihe geschaltet, wobei beide so nah wie möglich an der Traktionsbatterie 7 angeordnet sind. Beispielsweise kann die Pumpeinrichtung 62 und/oder das Gehäuse 63, umfassend die Pumpeinrichtung 62 und die Heizeinrichtung 60, leitungsfrei an die Traktionsbatterie 7 bzw. deren Batteriegehäuse 70 angeflanscht werden. Hierdurch ist ein besonders ortsnahes Anordnen der Heizeinrichtung 60 und der das erwärmte Medium zum Beheizen der Traktionsbatterie 7 fördernden Pumpeinrichtung 63 an der Traktionsbatterie 7 möglich. Die Heizeinrichtung 60 kann beispielsweise ein Widerstandsheizer bzw. PTC-Heizer, ein brennstoffbetriebener Heizer, beispielsweise mit Ethanol betriebener Heizer, oder auch ein Wärmeübertrager einer Wärmepumpe sein.
Die Heizeinrichtung 60 ist über ein 4/3-Wegeventil 64, also ein Ventil für vier Wege und drei Stellungen, mit dem Verdampfer 61 und dem Kühler 150 über Leitungen 65, 66 und 67 verbunden. Anstelle des 4/3-Wegeventils 64 können auch zwei 3/2-Wegeventile 68, 69, eines (68) zum Verbinden dann der Leitungen 65, 66 und 161, die zu dem zweiten 3/2-Wegeventil 69 führt, und des zweiten (69) anstelle des in 2 gezeigten 4/3-Wegeventils 64 zum Verbinden der Leitungen 161, 67 und einer Leitung 163 von der Traktionsbatterie 7 angeordnet werden (Anordnung der Leitungen und Ventile 68, 69 in 2 mit gestrichelten Linien angedeutet). Über die Mehrwegeventile 64 bzw. 68, 69 können die einzelnen Komponenten des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 zugeschaltet oder abgeschaltet werden, um die Traktionsbatterie 7 geeignet temperieren zu können.
Um Wärmeverluste insbesondere über Vorlaufleitung 66 und Rücklaufleitung 162 bzw. 168 des zweiten Verdampfers 61, der üblicherweise im vorderen Bereich 16 des Fahrzeugs angeordnet ist, zu den mehr in dessen mittleren Bereich 18 bzw. im rückwärtigen Bereich 17 des Fahrzeugs angeordneten Komponenten der Traktionsbatterie 7 sowie der Pumpeinrichtung 62, die in deren Nähe angeordnet ist, zu vermeiden, können die sich somit über eine lange Strecke durch das Fahrzeug erstreckenden Leitungen 66, 162 bzw. 165 bzw. 168 isoliert werden. Ferner ist es möglich, die in 2 im Rücklauf angeordnete Pumpeinrichtung 62 im Vorlauf anzuordnen, also im Bereich beispielsweise der Leitungen 66, 65 oder 161. Ferner ist es möglich, eine Rücklaufleitung 168 des zweiten Verdampfers 61 direkt zu dem Leitungsknotenpunkt 169 im Bereich der Pumpeinrichtung 62 zu führen, also nicht mit einer Rücklaufleitung 165 des Kühlers 50 zusammen zu führen, sondern vollständig parallel zu dieser. Hierdurch ist ein besonders einfaches Isolieren dieser Rücklaufleitung 168 des zweiten Verdampfers 61 möglich, was für die Rücklaufleitung 165 von dem Kühler 150 üblicherweise nicht erforderlich ist.
Ersichtlich ist der Heizkreislauf 160 als ein Bestandteil des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 sehr kurz, da die Heizeinrichtung 60 und die zugehörige Pumpeinrichtung 62 direkt neben der Traktionsbatterie 7 angeordnet ist, insbesondere über das Gehäuse 63 an dieser angeflanscht ist. Durch das Parallelschalten sowohl der Heizeinrichtung 60 als auch des zweiten Verdampfers 61 und des Kühlers 50 zum Temperieren bzw. zum optimalen Temperieren der Traktionsbatterie 7 ist ein sehr schnelles und gezieltes Temperieren von dieser möglich. Der Batterietemperierkreislauf 6 arbeitet somit sehr schnell und mit ausgesprochen geringen Verlusten, da auch die thermischen Massen der Heizeinrichtung 60 und der Pumpeinrichtung 62 vorteilhaft möglichst gering gehalten werden.
3 zeigt eine Prinzipskizze eines Kältemittelkreislaufs 9, der zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums 10 und zur Aufnahme von Wärme aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf 6 über dem zweiten Verdampfer 61 dient. Dieser ist, wie 3 entnommen werden kann, entsprechend auch eine der Komponenten des Kältemittelkreislaufs 9. Diesem parallel geschaltet ist der erste Verdampfer 52 des Klimageräts 51 (siehe 1). Dieser dient dem Kühlen des Fahrzeuginnenraums 10. Die beiden Verdampfer 52 und 61 sind jeweils über Expansionsventile 90, 91 mit einem internen Wärmeübertrager 92 zusammen geschaltet. Diese dient der energetischen Optimierung des Kältemittelkreislaufs und erhöht die Kälteleistung, die über diesen erbringbar ist. Ferner umfasst der Kältemittelkreislauf 9 einen Kühler 250, wobei dieser als Kondensator bei kondensierendem Kältemittel z. B. R134a/HF01234yf oder als Gaskühler bei R744 bzw. CO₂ ausgebildet sein kann. Bei einem Gaskühler wird das Gas ohne Kondensation gekühlt, beim Kondensator unter kondensierendem Kältemittel. Über den Kühler 250 bzw. Kondensator oder Gaskühler kann über Konvektion Wärme abgeführt werden. Nicht nur der Kühler 250 ist, wie vorstehend bereits erwähnt, im Bereich der Fahrzeugfront 11 angeordnet, sondern der gesamte Kältemittelkreislauf 9, wobei auf sich weit über das Fahrzeug 1 hinweg erstreckende Verbindungen über Leitungen, die Rohrleitungen oder Schläuche sein können, verzichtet wird.
Eine weitere Komponente des Kältemittelkreislaufs 9 ist ein Kältemittelverdichter 93, der vorzugsweise elektrisch betrieben ist, und ein Sammler 94, die beide in Reihe sowohl mit dem internen Wärmeübertrager 92 als auch mit dem Kühler 250 geschaltet sind.
In 3 nicht gezeigtes Kältemittel wird über den Kältemittelverdichter 93 zunächst verdichtet, durchströmt eine Heißgasleitung 95 in Richtung des Kühlers 250 wobei das verdichtete Kältemittel in der Heißgasleitung 95 etwas enthitzt wird. In dem Kühler bzw. Kondensator 250 kondensiert das Kältemittel unter Abgabe von Wärme an die Luft. Bei Versehen des als Gaskühler ausgebildeten Kühlers 250 wird das Gas ohne Kondensation überkritisch weiter gekühlt. Im lg-p-h-Diagramm liegt man beim Kondensieren im Nassdampfgebiet, beim überkritischen Kühlen im Gasgebiet, im Anhängigkeit von dem verwendeten Kältemittel, wobei ein Kondensator bei Kältemittel R134a und HFO1234yf verwendet wird und ein Gaskühler beim Kältemittel R744. Nach dem Durchströmen des Kühlers 250 durchströmt das Kältemittel den inneren Wärmeübertrager 92, wodurch sich die übertragbare Kälteleistung vergrößert. Hinter dem inneren Wärmeübertrager 92 durchströmt das Kältemittel nach Expansion in den Expansionsventilen 90, 91 die beiden Verdampfer, den ersten Verdampfer 52 und den zweiten Verdampfer 61, wobei jeweils eine Expansionsstufe über einen der Verdampfer, die zueinander parallel geschaltet sind, zur Druckabsenkung vorgesehen sein kann. Über den inneren Wärmetauscher 92 wird der Kreislauf über den Sammler 94 zum Kältemittelverdichter 93 wieder geschlossen.
Wie bereits erwähnt, ist der erste Verdampfer 52 Teil des Klimagerätes 51 und der zweite Verdampfer 61 Teil des zweiten Kühlmittlkreislaufs 6 zum Temperieren der Traktionsbatterie 7. Die beiden Verdampfer 52, 61 können unabhängig voneinander betrieben werden, wobei der zweite Verdampfer 61 die Kühlung der Traktionsbatterie 7 unterstützt, wenn die Kühlung über den Kühler 150 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 nicht ausreicht. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn über den Kühler 150 nur unzureichend Wärme abgeführt werden kann, beispielsweise bei Stillstand des Fahrzeugs 1, sofern das Fahrzeug mit dem Kühler 150 an einer Wand parkt oder steht und/oder im Stop-and-Go langsam fährt. In diesen Fällen ist eine nur unzureichende Konvektion zur Wärmeabfuhr möglich, so dass der zweite Verdampfer 61 im zweiten Kühlmittelkreislauf 6 zugeschaltet wird und entweder im Teilmassenstrom, wobei ein Teil des Kühlmittels weiterhin über den Kühler 150 und ein Teil über den Verdampfer 61 geführt wird, oder im Vollmassenstrom, wobei das gesamte Kühlmittel nur noch über den zweiten Verdampfer 61 zum Kühlen geleitet wird, geführt wird. Das Vorsehen einer Kühlung über den zweiten Verdampfer 61 ist insbesondere auch im Fahrzeugstillstand bei Laden der Traktionsbatterie 7 über das Ladegerät 3 möglich, da während des Ladevorgangs die Traktionsbatterie üblicherweise warm wird und gekühlt werden muss, eine Wärmeabfuhr über Konvektion über den Kühler 150 jedoch im Stillstand des Fahrzeugs üblicherweise nicht erfolgen kann.
Das Ladegerät 3 kann anstelle der in 1 gezeigten Anordnung auch über einen Bypasspfad des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 zugeschaltet werden. Dies ist in den Figuren jedoch nicht gezeigt.
Wie bereits erwähnt, sind zum Temperieren der Traktionsbatterie 7 drei Wärmequellen bzw. -senken vorgesehen, nämlich die Heizeinrichtung 60, der zweite Verdampfer 61 und der Kühler 150. Diese werden, je nach Umgebungstemperaturen, Belastungszustand der Traktionsbatterie 7 und Fahrzustand des Fahrzeugs 1 zu- oder abgeschaltet, um eine optimale Temperierung der Traktionsbatterie insbesondere in dem von dieser bevorzugten Temperaturbereich von 15 bis 25°C zu ermöglichen.
Anstelle der in 2 gezeigten Heizeinrichtung 60 kann auch eine andere Art einer Beheizung der Traktionsbatterie 7 vorgesehen werden, die in den 5 und 6 angedeutet ist. Wie in 4 gezeigt, umfasst die Traktionsbatterie 7 eine Anzahl von Makrozellen 71, die über Leitungen 72 miteinander verbunden sind. Anstelle des außenseitigen Anordnens der Heizeinrichtung 60 mit Pumpeinrichtung 62 kann auch eine interne Beheizung der Traktionsbatterie 7 innerhalb des isolierten oder nicht isolierten Batteriegehäuses 70 erfolgen. Einerseits kann, wie in 5 angedeutet, eine Flächenheizung 73 in Form von auf den Makrozellen 71 angeordneten Heizelementen 75 vorgesehen werden und/oder eine Rohrbegleitheizung 74, wie in 6 gezeigt, bei der sich Heizelemente 76 über zumindest einen Teilbereich der Leitungen 72 erstrecken. In 6 sind außenseitige Umwicklungen eines Teils der Leitung 72 mit Heizelementen 76 angedeutet.
7 zeigt ein Beispiel einer solchen außenseitigen Umwicklung mit Heizelementen 76, 176. Ferner können Heizelemente 76, 176 auch im Innern der Leitungen 72 angeordnet werden, also in diese integriert werden. Dies ist in 8 angedeutet. Hierbei sind Heizelemente 76, 176 im Innern der Leitung 72 angeordnet, um das durch die Leitungen strömende Kühlmittel zu beheizen. Ferner ist es möglich, die Heizelemente 76, 176 im Mantel der Leitungen anzuordnen und/oder leitfähige Kunststoffe für die Leitungen oder zumindest einen Teil der Leitungen 72 der Traktionsbatterie 7 zu verwenden, so dass hierüber eine Wärmezufuhr und somit ein Beheizen der Traktionsbatterie 7 bzw. von deren Leitungen 72 und Makrozellen 71 möglich ist. Durch das Anordnen von Heizelementen 75 auf oder an den Makrozellen 71 und/oder Leitungen 71 der Traktionsbatterie 7 werden die thermische Masse von dieser und auch der Bauraum von dieser kaum erhöht. Die Heizeinrichtung 60 kann dabei entfallen, so dass auch der hierfür benötigte Bauraum entfällt. Es kann hierdurch eine sehr effektive Beheizung, die zugleich verlustfrei oder im Wesentlichen verlustfrei ist aufgrund der Anordnung direkt dort, wo die Beheizung erforderlich ist, also direkt im Bereich der Makrozellen 71 und/oder der Leitungen 72 der Traktionsbatterie 7, vorgesehen werden. Hierdurch ist es möglich, die Traktionsbatterie so schnell wie möglich auf die gewünschte Temperatur zu bringen, wobei die Wartezeit zum Starten des Fahrzeugs gegenüber dem außenseitigen Anordnen der Heizeinrichtung 60 an der Traktionsbatterie 7 und insbesondere im Vergleich zu bekannten Systemen deutlich verkürzt werden kann. Bei gleicher Leistung zeigt das Beheizen über Flächenheizung 73 und/oder Rohrbegleitheizung 74 eine deutlich geringere Verzögerung gegenüber beispielsweise der Verwendung eines Widerstandsheizers in Form der Heizeinrichtung 60 außerhalb der Traktionsbatterie 7. Durch das Vorsehen der Flächenheizung 73 bzw. Rohrbegleitheizung 74 ist ein kontinuierliches gleichmäßiges Erwärmen der Traktionsbatterie 7 und dabei ein Einleiten der Heizleistung im Bereich der Traktionsbatterie 7 bzw. von deren Makrozellen 71 und Leitungen 72 möglich. Da die thermische Masse der Heizelemente 75, 76, 176 im Vergleich beispielsweise zu einem Widerstandsheizer gering ist, erhöht sich auch die thermische Masse der Traktionsbatterie 7 bei Vorsehen der Flächenheizung 73 bzw. Rohrbegleitheizung 74 kaum, so dass diesbezügliche Verluste durch unnötiges Erwärmen der thermischen Masse der Heizeinrichtung vermieden werden können.
Durch das Parallelschalten des zweiten Verdampfers 61 über die Rücklaufleitung 68 kann die Traktionsbatterie 7 direkt über den zweiten Verdampfer 61 gekühlt werden, ohne Beaufschlagen der Zusatzkomponenten der Heizeinrichtung 60 insbesondere in Form eines Widerstandsheizers, also noch effektiver. Durch die Möglichkeit, die Kühlmittelkreisläufe 5 und 6 völlig unabhängig voneinander betreiben zu können, da jeder eine eigene Pumpeinrichtung 56 bzw. 62 umfasst für das Umwälzen des jeweiligen Kühlmittels und in sich geschlossen ist, ist ein gezieltes effektives Kühlen der jeweils zu kühlenden Komponenten möglich. Hierbei kann der zweite Kühlkreislauf 8, der dem Kühlen der Traktionsbatterie 7 dient, in drei Einstellungen betrieben werden, im Kühlmodus über den Kühler 50, im Verdampfermodus über den zweiten Verdampfer 61, also durch Kühlen über den Kältemittelkreislauf 9 beispielsweise beim Laden der Traktionsbatterie, und im Heizmodus über die Heizeinrichtung 60 und/oder die Flächenheizung 73 und/oder Rohrbegleitheizung 74. Jede der Komponenten kann somit optimal energetisch konfiguriert werden, so dass Verluste soweit wie möglich vermieden und ein effektiver Betrieb erzielt werden kann. Durch das Parallelschalten des Kühlers 150, des zweiten Verdampfers 61 und der Heizeinrichtung 60 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6 können diese einzelnen Komponenten völlig unabhängig voneinander betrieben werden und sind jeweils ohne Beeinflussung der thermischen Masse der jeweils anderen Komponente, die in bestimmten Betriebszuständen ansonsten mitkonditioniert werden müsste, was den Betrieb ineffektiv gestalten würde. Durch das Parallelschalten der einzelnen Komponenten über Teilkreisläufe kann dies jedoch vorteilhaft vermieden werden, da das Medium jeweils nur durch die Komponente strömt, die zum Kühlen oder Heizen vorgesehen ist. Das gesamte vorstehend beschriebene System zum geeigneten Temperieren der Traktionsbatterie wird als Traktionsbatterie-Temperierungssystem bezeichnet.
Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsvarianten von Fahrzeugen bzw. Traktionsbatterie-Temperiersystemen zum Temperieren zumindest einer Traktionsbatterie können noch zahlreiche weitere vorgesehen werden, insbesondere auch beliebige Kombinationen der vorstehend genannten Ausführungsvarianten, bei denen jeweils der zweite Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Traktionsbatterie zumindest eine erste Kühleinrichtung, eine zweite Kühleinrichtung und eine Heizeinrichtung umfasst, wobei zumindest die erste und die zweite Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung unabhängig voneinander betreibbar sind bzw. bei dem die Heizeinrichtung ortsnah zu der Traktionsbatterie angeordnet und mit keiner oder wenig thermischer Masse versehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Elektromotor
3: Ladegerät
4: Einheit enthaltend AC/DC-Wandler und Leistungselektronik
5: erster Kühlkreislauf
6: Batterietemperierkreislauf
7: Traktionsbatterie
8: zweiter Kühlkreislauf
9: Kältemittelkreislauf
10: Fahrzeuginnenraum
11: Fahrzeugfront
12: Rad
13: Rad
14: Rad
15: Rad
16: vorderer Bereich
17: hinterer Bereich
18: mittlerer Fahrzeugbereich
50: Kühler/für Elektronik-Komponenten
51: Klimagerät
52: erster Verdampfer
53: Heizungswärmetauscher
54: Heizeinrichtung
55: Leitung
56: Pumpeinrichtung
57: Pfeil
58: 3/2-Wegeventil
59: Heizkreislauf
60: Heizeinrichtung
61: zweiter Verdampfer
62: Pumpeinrichtung
63: Gehäuse
64: 4/3-Wegeventil
65: Leitung
66: Leitung
67: Leitung
68: 3/2-Wegeventil
69: 3/2-Wegeventil
70: Batteriegehäuse
71: Makrozelle
72: Leitung
73: Flächenheizung
74: Rohrbegleitheizung
75: Heizelement
76: Heizelement
90: Expansionsventil
91: Expansionsventil
92: interner Wärmeübertrager
93: Kältemittelverdichter
94: Sammler
95: Heißgasleitung
150: Kühler für Batterie
154: Heizeinrichtung
155: Heizungswärmeaustauscher
156: Pumpeinrichtung
158: 3/2-Wegeventil
159: Luftstrom-Pfeil
160: Heizkreislauf
161: Leitung
162: Leitung
163: Leitung
165: Rücklaufleitung
167: Leitung
168: Rücklaufleitung
169: Leitungsknotenpunkt
176: Heizelement
250: Kondensator/Gaskühler
258: 3/2-Wegeventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009060860 A1 [0003]
DE 102010019187 A1 [0004]
DE 102009059240 A1 [0005]

Claims

Fahrzeug (1), insbesondere Landfahrzeug, mit zumindest einem Fahrzeuginnenraum (11), zumindest einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Elektromotor (2) eines Elektroantriebs, zumindest einer Traktionsbatterie (7), zumindest zwei Kühlmittelkreisläufen (5,6) und zumindest einem Kältemittelkreislauf (9), wobei der erste Kühlmittelkreislauf (5) auf einem ersten Temperaturniveau und der zweite Kühlmittelkreislauf (6) auf einem sich von dem ersten Temperaturniveau unterscheidenden zweiten Temperaturniveau arbeitet, und wobei der erste Kühlmittelkreislauf (5) dem Konditionieren des Fahrzeuginnenraums (11) und/oder zum Kühlen zumindest eines Aggregats, insbesondere des Elektromotors (2), und der zweite Kühlmittelkreislauf (6) zum Temperieren der Traktionsbatterie (7) dient und der Kältemittelkreislauf (9) dem Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums (11) und zur Aufnahme von Wärme aus dem zweiten Kühlmittelkreislauf (6), dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf (6) zum Temperieren der Traktionsbatterie zumindest eine erste Kühleinrichtung (150), eine zweite Kühleinrichtung (61) und eine Heizeinrichtung (60, 73, 74) umfasst, wobei die erste (150) und die zweite Kühleinrichtung (61) und die Heizeinrichtung (60, 73, 74) des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6) unabhängig voneinander betreibbar sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Kühleinrichtung (150) und die Heizeinrichtung (60, 73, 74) unabhängig voneinander betreibbar sind.
Fahrzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelkreislauf (6) in drei Einstellungen betreibbar ist, einem Kühlmodus über die erste Kühleinrichtung (150), einem Verdampfermodus über die zweite Kühleinrichtung (61) und einem Heizmodus über die Heizeinrichtung (60, 73, 74).
Fahrzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Kühlmittelkreislauf (5) zumindest einen Kühlmittelkühler (50) und zumindest einen Heizungswärmetauscher (53) eines Klimageräts (51) des Kältemittelkreislaufs (9) umfasst.
Fahrzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkreislauf (5) eine Heizeinrichtung (54) und/oder einen Heizkreislauf (59) zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums (11) umfasst.
Fahrzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (9) zumindest zwei Verdampfer (52, 61) umfasst, wobei der erste Verdampfer (52) Teil eines Klimageräts (51) des Kältemittelkreislaufs (9) und der zweite Verdampfer (61) Teil des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6) zum Temperieren der Traktionsbatterie (7) ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (66, 162, 168) des Vorlaufs und/oder des Rücklaufs des zweiten Verdampfers (61) isoliert sind.
Traktionsbatterie-Temperierungssystem zum Temperieren zumindest einer Traktionsbatterie (7), enthaltend eine erste Kühleinrichtung (150) und zumindest eine Heizeinrichtung (60, 73, 74), insbesondere eines oder für ein Fahrzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kühleinrichtung (61) vorgesehen ist und die Heizeinrichtung (60, 73, 74) ortsnah zu der Traktionsbatterie (7) angeordnet und mit keiner oder wenig thermischer Masse versehen ist.
Traktionsbatterie-Temperierungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung in Form einer Rohrbegleitheizung (74) und/oder zumindest eines Flächenheizelements (73) und/oder durch Nutzung leitfähiger Kunststoffe ausgebildet ist.
Batterie-Heizeinrichtung zum Beheizen zumindest einer Batterie, enthaltend zumindest eine Zelle und zumindest eine Leitung, insbesondere einer Traktionsbatterie (7), insbesondere verwendbar für ein Traktionsbatterie-Temperierungssystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9 und/oder ein Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie-Heizeinrichtung in Form einer Flächenheizung (73) an der zumindest einen Zelle (71) und/oder in Form einer Rohrbegleitheizung (74) an der zumindest einen Leitung (72) vorgesehen ist.
Batterie-Heizeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein elektrisch und/oder thermisch leitfähiger Kunststoff vorgesehen ist, über den die zumindest eine Zelle (71) und/oder die zumindest eine Leitung (72) beheizbar ist.