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DE102016117075A1 - Hybridfahrzeug mit mehrzonenfahrgastraumkühlung und integrierter batteriekühlung - Google Patents

Hybridfahrzeug mit mehrzonenfahrgastraumkühlung und integrierter batteriekühlung Download PDF

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DE102016117075A1
DE102016117075A1 DE102016117075.5A DE102016117075A DE102016117075A1 DE 102016117075 A1 DE102016117075 A1 DE 102016117075A1 DE 102016117075 A DE102016117075 A DE 102016117075A DE 102016117075 A1 DE102016117075 A1 DE 102016117075A1
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DE
Germany
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battery
cooling
temperature
coolant
cooling device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102016117075.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Timothy Noah Blatchley
Ken J. Jackson
Angel Fernando Porras
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Kühlung eines Batteriesatzes eines elektrifizierten Fahrzeugs wird mit einem optimierten Energieverbrauch und mit minimaler Auswirkung auf die Kühlung des Fahrgastraums durchgeführt. Kältemittel von einem Kondensator in einem Klimaanlagensystem wird in einem vorderen Verdampfer verdampft, um einen Hauptluftstrom in einer vorderen Fahrgastraumzone zu kühlen. Das Kältemittel wird in einer Kühlmittelkühlvorrichtung zum Kühlen eines flüssigen Kühlmittels verdampft. Das flüssige Kühlmittel wird von der Kühlvorrichtung zu einem hinteren Tauscher gepumpt, um einen hinteren Luftstrom in einer hinteren Fahrgastraumzone zu kühlen. Das flüssige Kühlmittel wird von der Kühlvorrichtung zur Batterie gepumpt, wenn eine Batterietemperatur und eine Umgebungslufttemperatur mit einem aktiven Kühlmodus korrespondieren. Das Kühlmittel wird zwischen der Batterie und einem passiven Kühler anstelle der Kühlvorrichtung gepumpt, wenn die Batteriekühlmitteltemperatur und die Umgebungslufttemperatur mit einem passiven Kühlmodus korrespondieren.

Description

  • QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Nicht zutreffend.
  • AUSSAGE HINSICHTLICH STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG
  • Nicht zutreffend.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Batteriekühlung in elektrifizierten Fahrzeugen und insbesondere eine flüssigkeitsgekühlte Batterie mit aktivem und passivem Kühlmodus.
  • Wenn eine elektrische Speicherbatterie (z. B. ein Batteriesatz) verwendet wird, um einen Elektromotor zum Antrieb eines elektrifizierten Fahrzeugs (z. B. hybridelektrisch oder voll elektrisch) mit Strom zu versorgen, kann die Temperatur der Batterie steigen, wenn der Motor ein längere Zeit lang betrieben wird. Der Batteriesatz ist allgemein in einem relativ kleinen, umschlossenen Raum eingebaut, der dazu neigt, die erzeugte Wärme zurückzuhalten. Der Anstieg in der Batterietemperatur kann die Ladeeffizienz der Batterie verringern und die Batterieleistung behindern. Wenn die Batterie nicht gekühlt wird, können die Stromerzeugung, die Batterielebensdauer und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit darunter leiden.
  • Personenkraftfahrzeuge weisen in der Regel ein Fahrgastraumklimaanlagensystem zur aktiven Kühlung des Fahrgastraums auf, einschließlich eines Verdichters, einer Kältemittelleitung, eines Kondensators und eines Wärmetauschers wie z. B. eines Verdampfers. Ein Weg, hohe Batterietemperaturen zu behandeln, lag darin, mindestens einen Teil des Fahrgastraumklimaanlagensystems zur Kühlung der Batterie zu nutzen. Da das Klimaanlagensystem zur Kühlung des Fahrgastraums verwendet wird, kann derselbe Verdichter genutzt werden, um mit einer zusätzlichen Kältemittelleitung und einem zusätzlichen Verdampfer die Batterie zu kühlen. U.S. Patent 7,658,083 offenbart ein gemeinsam genutztes Fahrgastraum-/Batteriekühlsystem, wobei ein Verdampferkern bereitgestellt ist, um die Batterie mit Luft zu kühlen, die durch einen Batterielüfter über den Verdampferkern und die Batterie zirkuliert wird.
  • Um die Batterie wirksamer zu kühlen, wurden Flüssigkeitskühlsysteme eingeführt, da flüssiges Kühlmittel durch eine Kälteplatte zirkulieren kann, die mit den Batteriezellen in Kontakt ist, um die Wärme abzuführen. Das flüssige Kühlmittel kann die Wärme zu einer Batteriekühlvorrichtung befördern, die das Kältemittel des Fahrgastraumklimaanlagensystems ebenfalls nutzt.
  • Ein anderer Trend in Fahrgastraumklimaanlagensystemen ist die Verwendung separat gekühlter Zonen (z. B. Vordersitz- und Rücksitzzonen) im Fahrgastraum. Jede Zone kann einen jeweiligen Verdampfer aufweisen, der zur bedarfsgerechten Kühlung der Luft in der jeweiligen Zone einzeln mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt ist. In einem elektrifizierten Fahrzeug mit mehreren Fahrgastraumkühlzonen kann die Anforderung an das gemeinsam genutzte Kältemittelversorgungssubsystem groß werden. Eine Vergrößerung der gemeinsam genutzten Kühlsubsystemkomponenten (z. B. Verdichter, Kondensator, Verdampfer) kann aufgrund der Verluste in der Effizienz und des Kostenanstiegs unerwünscht sein. Daher wäre es wünschenswert, die Leistung und Energieausnutzung der Kühlvorrichtung und der Verdampfer zu optimieren, um die Gesamtgröße der Klimaanlagenkomponenten zu reduzieren und gleichzeitig den Betrieb des Kühlsystems auszugleichen, um die Leistungsziele bestmöglich zu erfüllen, wenn separate Kühlabschnitte ihren Spitzenbedarf erreichen.
  • Wenn die Anzahl der Verdampfer zunimmt und die erforderliche Kapazität anderer Klimaanlagenkomponenten steigt, können zusätzliche Probleme entstehen wie zunehmende Verdichteröleinschlüsse, eine kostenaufwendigere und komplexere Kältemittelverteilung sowie Schwierigkeiten beim Ausgleichen des Spitzenverbrauchs für verschiedene Abschnitte des Klimaanlagensystems. Daher wäre es wünschenswert, das kältemittelbasierte Kühlsystem zu vereinfachen und die Anzahl der Verdampfer zu reduzieren.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Da Flüssigkeitskühlung des Batteriesatzes eines Hybrid- oder anders elektrifizierten Fahrzeugs wünschenswert ist, wird ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher (d. h., eine Kühlvorrichtung) verwendet, um ein aktives Kühlen der Batterie bereitzustellen, wenn erforderlich. Um die Notwendigkeit kältemittelbasierter Verdampfer zu reduzieren, nutzt die vorliegende Erfindung das Kühlmittel aus der Kühlvorrichtung, um auch eine Kühlung für die hintere Zone des Fahrgastraums unter Verwendung eines Kältemittel-Luft-Wärmetauschers (d. h., eines Kühlkerns) bereitzustellen. Darüber hinaus stellt die Erfindung einen passiven Kühlmodus für die Batterie bereit, der genutzt wird, wann immer es die Bedingungen zulassen.
  • In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein elektrifiziertes Fahrzeug ein gemeinsam genutztes Kühlsubsystem einschließlich eines Verdichters und eines Kondensators, in welchem ein Kältemittel zirkuliert. Ein Hauptverdampfer ist auswählbar mit dem gemeinsam genutzten Kühlsubsystem gekoppelt und dazu ausgeführt, Kältemittel zu verdampfen, um einen Hauptluftstrom in einem Hauptabschnitt eines Fahrgastraums des Fahrzeugs zu kühlen. Eine Kühlmittelkühlvorrichtung ist auswählbar mit dem gemeinsam genutzten Kühlsubsystem gekoppelt und dazu ausgeführt, Kältemittel zu verdampfen, um ein flüssiges Kühlmittel zu kühlen. Eine Kühlvorrichtungspumpe pumpt das Kühlmittel von der Kühlvorrichtung weg. Ein Zonentauscher empfängt auswählbar Kühlmittel von der Kühlvorrichtungspumpe, um einen Zonenluftstrom in einer Zone des Fahrgastraums zu kühlen. Ein Batteriesatz stellt elektrische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs bereit, wobei der Batteriesatz eine interne Leitung zum Befördern des Kühlmittels umfasst. Ein passiver Kühler ist einer Umgebungslufttemperatur ausgesetzt. Eine Batteriepumpe pumpt das Kühlmittel durch die interne Leitung. Ein Umlenkventil hat eine erste Auslegung, die eine erste Zirkulationsschleife aufbaut, einschließlich des Kühlers, der Batteriepumpe und der internen Leitung, und eine zweite Auslegung, die eine zweite Kühlschleife aufbaut, einschließlich der Kühlvorrichtung und der internen Leitung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen elektrifizierten Fahrzeugs.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Kühlsystems des Stands der Technik für einen Fahrgastraum und einen Batteriesatz eines elektrifizierten Fahrzeugs.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines gemeinsam genutzten Fahrgastraum-/Batteriekühlsystems der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Batterie passiv gekühlt wird.
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das das Kühlsystem aus 3 zeigt, wobei die Batterie aktiv gekühlt wird.
  • 5 ist ein Diagramm, das Betriebszustände zur aktiven und passiven Batteriekühlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens der Erfindung zeigt.
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines gemeinsam genutzten Fahrgastraum-/Batteriekühlsystems der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Pumpenanordnung zeigt, wobei die Batterie aktiv gekühlt wird.
  • 8 ist ein Blockdiagramm des Kühlsystems aus 7, wobei die Batterie passiv gekühlt wird.
  • 9 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines gemeinsam genutzten Fahrgastraum-/Batteriekühlsystems der vorliegenden Erfindung mit einer weiteren alternativen Pumpenanordnung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bezug nehmend auf 1, weist ein elektrifiziertes Fahrzeug 10 einen Fahrgastraum 11 mit einer vorderen und einer hinteren Zone, wie angegeben, auf. Ein elektrischer Antrieb 12 (z. B. ein wechselrichterbetriebener Fahrmotor) empfängt elektrische Leistung von einem Batteriesatz 13. Eine Steuerung 14 kann ein Batteriesteuermodul zum Überwachen der Batterieleistung (einschließlich der Batterietemperatur) und eine Systemsteuerung zum Betreiben des Wechselrichters umfassen. Ein Batteriekühlsystem 15 stellt dem Batteriesatz 13 unter der Steuerung der Steuerung 14 ein Kühlfluid (wie z. B. ein gekühltes flüssiges Kühlmittel oder einen gekühlten Luftstrom) bereit. Herkömmliche Systeme haben (entweder für luftgekühlte oder für flüssigkeitsgekühlte Batterien) eine unabhängige Quelle gekühlter Luft im Kühlsystem 15 benutzt und haben ein mit einem Fahrgastraumklimaanlagensystem 16 gemeinsam genutztes Kühlsystem verwendet.
  • 2 zeigt ein gemeinsam genutztes Kühlsystem 20 des Stands der Technik, einschließlich eines Fahrgastraumklimaanlagensystems (A/C) 21, das in der Lage ist, einen Fahrgastraum 22 zu kühlen. Das Fahrgastraumklimaanlagensystem 21 umfasst einen Akkumulator 23, einen Verdichter 24, einen Kondensator 25, ein Absperrventil 26, eine Expansionsvorrichtung 27 (wie z. B. ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr) und einen Verdampferkern 28. Diese Elemente sind dazu ausgelegt, den Fluss eines Kältemittels zwischen sich zu erlauben, und arbeiten auf eine im Fachgebiet bekannte Weise. Der Kältemittelfluss wird zum Teil durch das Absperrventil 26 bestimmt.
  • Das Fahrgastraumklimaanlagensystem 21 umfasst auch ein Luftgebläse 29, das betreibbar ist, um den Luftstrom zwischen dem Verdampferkern 28 und dem Fahrzeuginnenraum 22 zu erleichtern. Das Kühlsystem 20 umfasst auch ein Batterieklimaanlagensubsystem 30, das in der Lage ist, eine Batterie 31 zu kühlen. Das Batterieklimaanlagensubsystem 30 umfasst ein Absperrventil 32, ein Wärmeexpansionsventil 33 und einen Verdampferkern 34.
  • Das Batterieklimaanlagensubsystem 30 nutzt den Akkumulator 23, den Verdichter 24 und den Kondensator 25 gemeinsam mit dem Fahrgastraumklimaanlagensystem 21. Diese Elemente sind dazu ausgelegt, den Fluss eines Kältemittels zwischen sich zu erlauben, und arbeiten auf eine im Fachgebiet bekannte Weise. Der Fluss des Kältemittels zwischen dem Wärmeexpansionsventil 33 und dem Verdampferkern 34 wird durch das Absperrventil 32 bestimmt. Das Batterieklimaanlagensubsystem 30 umfasst auch einen Batterielüfter 35, der betreibbar ist, um den Luftstrom zwischen der Batterie 31 und dem Verdampferkern 34 zu erleichtern.
  • 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein elektrifiziertes Fahrzeug einen Batteriesatz 40 aufweist, um elektrische Energie für einen elektrischen Antrieb bereitzustellen. Die Batterie 40 umfasst eine Leitung 41 zum Befördern eines flüssigen Kühlmittels, das Wärme von der Batterie 40 absorbiert und diese dann in einem aktiven oder passiven Kühlmodus abgibt, wie weiter unten beschrieben. Die Leitung 41 kann zum Beispiel eine mit den Batteriezellen in Kontakt befindliche Kälteplatte durchlaufen.
  • Eine Batteriepumpe 42 lässt das Kühlmittel durch einen Kühlmittelkreislauf zirkulieren, einschließlich mehrerer Kühlmittelleitungen, die die interne Leitung 41, ein Dreiwegeumlenkventil 43 und einen passiven Batteriekühler 44 miteinander verbinden. Das Umlenkventil hat einen Einlass 43a, der Kühlmittel von der Batterieleitung 41 aufnimmt, und kann von einer Steuerung 50 so eingestellt werden, dass es den Einlass 43a entweder mit dem Auslass 43b oder mit dem Auslass 43c koppelt. In der in 3 gezeigten Position ist der Auslass 43b ausgewählt, was in einem passiven Kühlmodus resultiert, wobei ein Strom durch den Pfeil 46 angegeben ist (d. h., das Klimaanlagensystem wird nicht zum Kühlen der Batterie genutzt). Der passive Kühler 44 kann einen Batterielüfter 45 umfassen, um die Wärmeabfuhr zu erhöhen, wenn das Kühlmittel den Kühler 44 durchläuft. Der Lüfter 45 wird ebenfalls durch die Steuerung 50 (d. h., basierend auf der Kühlmitteltemperatur) gesteuert. Ein Temperatursensor 47 übermittelt ein Batterietemperatursignal TBat an die Steuerung 50. Die Steuerung 50 kann zum Beispiel dedizierte Logikschaltungen, programmierbare Gate-Arrays oder einen programmierbaren Universalmikrocontroller umfassen. Die Batterietemperatur TBat korrespondiert mit einer Batteriekerntemperatur, doch Einlass- und Auslasstemperaturen des Kühlmittels können ebenfalls erfasst werden. Ein Umgebungslufttemperatursensor 48 ist an das Fahrzeug montiert, wo er der Außenluft ausgesetzt ist. Die Steuerung 50 nutzt die Batterietemperatur TBat bzw. die Umgebungslufttemperatur TAmb bei der Feststellung, wann der passive oder aktive Kühlmodus, wie nachfolgend beschrieben, zu aktivieren ist.
  • Ein kältemittelbasiertes Klimaanlagensubsystem 51 zirkuliert ein Kältemittel von einem Verdichter 52 zu einem äußeren Wärmetauscher (OHX – Outside Heat Exchanger) 53, der als ein Kondensator betrieben wird. Kältemittel wird durch Expansionsventile 56 und 57 einem vorderen (Haupt-)Verdampfer 54 bzw. einer Kühlmittelkühlvorrichtung 55 zugeführt. Der vordere Verdampfer 54 ist ein Kältemittel-Luft-Wärmetauscher, der eine Hauptkabinenzone versorgt, z. B. den vorderen Fahrgastraum. Die Kühlmittelkühlvorrichtung 55 ist ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher, der Kühlmittel kühlt, das für die Rücksitzkühlung und/oder Batteriekühlung zu nutzen ist. Die Ventile 56 und 57 können elektronische Expansionsventile (EXV) sein, die zum Empfangen von Steuersignalen von der Steuerung 50 verdrahtet sind. Insbesondere das EXV 57 kann ganz geschlossen werden, um jeden Verbrauch von Kältemittel durch die Kühlvorrichtung 55 zu verhindern, wenn sie nicht in Gebrauch ist. In den Verdampfer 54 und die Kühlvorrichtung 55 integrierte Temperatursensoren 58 bzw. 59 sind an die Steuerung 50 für eine geschlossene Temperatursteuerung gekoppelt, wie nach dem Stand der Technik bekannt.
  • Ein Kühlmittelauslass von der Kühlvorrichtung 55 ist mit einer Kühlvorrichtungspumpe 60 gekoppelt, um gekühltes Kühlmittel zu pumpen, das parallel zum Kühlen der hinteren Fahrgastraumzone und/oder der Batterie zu nutzen ist. Daher kann Kühlmittel von der Kühlvorrichtungspumpe 60 durch ein Absperrventil 61 gezielt mit einem hinteren Kühlkern 62 (der ein Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher ist) gekoppelt werden. Wenn Kühlen der hinteren Zone verlangt wird, wird das Ventil 61 geöffnet, und von der Steuerung 50 wird ein Gebläse 63 aktiviert, um einen Kühlmittelfluss bereitzustellen, wie durch Pfeile 64 gezeigt wird. Der Kern 62 und das Gebläse 63 können beispielsweise in einer hinteren Luftumschlageinheit installiert werden.
  • Um in einem aktiven Kühlmodus die Batterie zu kühlen, legt die Steuerung 50 das Umlenkventil 43 so aus, dass der Einlass 43a mit dem Auslass 43c gekoppelt ist, wie in 4 gezeigt. Daher wird Kühlmittel von der Kühlvorrichtung 55 von Pumpen 60 und 42 in einer Schleife, gezeigt durch den Pfeil 66, durch die Batterie 40 geleitet. Gleichzeitig zirkuliert Kältemittel in einer Schleife 65 durch das Expansionsventil 57 und die Kühlvorrichtung 55, um Wärme aus dem Kühlmittel zu entfernen. In diesem Modus dient die Pumpe 42 als eine Vorpumpe. Wenn in einem aktiven Kühlmodus die Batterie 40 gekühlt wird, kann die Kühlung der hinteren Fahrgastraumzone unter Verwendung des Kühlkerns 62 ein- oder ausgeschaltet sein. Die Kühlvorrichtung 55 ist für das gleichzeitige Verarbeiten normaler Kühllasten für die Batterie und die hintere Zone dimensioniert. Die Kältemittelflussraten durch die Expansionsventile 56 und 57 werden durch die Steuerung 50 in Reaktion auf entsprechende Temperatursignale moduliert, um die Überhitzung einer jeden Komponente in einer nach dem Stand der Technik bekannten Weise zu steuern. Die Nutzung elektronischer Expansionsventile (EXVs) erreicht ein feines Niveau der Steuerung des Kältemittelverbrauchs, sodass die Nutzung durch die Kühlvorrichtung nicht unbeabsichtigt das notwendige Niveau überschreitet, da jeder unnötige Verlust (d. h., Verschwendung) der allgemeinen Kühlkapazität eine negative Auswirkung auf die Kabinenkühlung haben könnte. Statt eines EXV könnte ein thermostatisches Expansionsventil (TXV) in Reihe mit einem Absperrventil verwendet werden.
  • In Betrieb verbraucht das Batteriekühlsystem in 3 ein Minimum an Energie, da es 1) wann immer möglich die passive Kühlung verwendet und 2) eine strenge Steuerung des von der Batteriekühlvorrichtung genutzten Kältemittels auferlegt, sobald die aktive Kühlung erforderlich wird. 5 stellt einige Temperaturbeziehungen zum Definieren der vom Batteriekühlsystem verwendeten aktiven und passiven Kühlbetriebszustände dar. Die Wahl des aktiven oder passiven Kühlmodus kann anhand der gemessenen Batterietemperatur TBat und Umgebungstemperatur TAmb und durch Vergleichen mit verschiedenen Temperaturschwellenwerten bestimmt werden. Eine weitere batteriebezogene Temperatur, die im Steueralgorithmus verwendet werden kann, ist eine gemessene Temperatur TC des aus der Batteriekälteplatte austretenden Kühlmittels. Ein erster Schwellenwert T1, der bei 67 gezeigt ist, definiert eine niedrigste Batterietemperatur, bei welcher eine Kühlung des Batteriesatzes gewünscht wird (z. B. etwa 10°C). Ein leistungsbeschränkender Schwellenwert TPL, der bei 68 gezeigt ist, ist eine niedrigste Batterietemperatur, bei welcher die elektrische Abgabe vom Batteriesatz in einem Maße negativ beeinflusst wird, dass es sich lohnt, mehr Energie aufzuwenden, um die Batterietemperatur zu senken (z. B. etwa 40°C). Wenn somit die Batterietemperatur TBat größer ist als die leistungsbeschränkende Temperatur TPL, tritt das Batteriekühlsystem im aktiven Betriebszustand 70 in den aktiven Kühlmodus ein (d. h., die Steuerung gibt Steuersignale aus, um das Umlenkventil so zu positionieren, dass flüssiges Kühlmittel aus der internen Batterieleitung durch die Kühlvorrichtung zirkuliert, und um das Expansionsventil, das die Batteriekühlvorrichtung mit Kältemittel speist, zu öffnen).
  • Wenn die Batterietemperatur TBat größer ist als der erste Schwellenwert T1 und kleiner ist als die leistungsbeschränkende Temperatur PPL, hängt die Wahl des Kühlmodus von einer Differenz zwischen der Batteriekühlmitteltemperatur TC und der Umgebungslufttemperatur TAmb ab. Diese Differenz ist ein Maß für die Fähigkeit des passiven Kühlers, Wärme an die Umgebung zu übertragen. Ein Differenzschwellenwert TDiff, der bei 69 gezeigt wird, stellt die Temperaturdifferenz dar, die zur erfolgreichen Kühlung benötigt wird. Wenn die tatsächliche Differenz größer ist als TDiff, tritt das Batteriekühlsystem im passiven Betriebszustand 71 in den passiven Kühlmodus ein (d. h., die Steuerung gibt Steuersignale aus, um das Umlenkventil so zu positionieren, dass flüssiges Kühlmittel aus der Batteriekühlleitung durch den Kühler zirkuliert). Zusätzlich kann die Steuerung den Batterielüfter (z. B. auf Basis eines anderen Temperaturschwellenwerts) aktivieren. Wenn die tatsächliche Differenz kleiner ist als TDiff, tritt das Batteriekühlsystem im aktiven Betriebszustand 72 in den aktiven Kühlmodus ein (d. h., die Steuerung gibt Steuersignale aus, um das Umlenkventil so zu positionieren, dass flüssiges Kühlmittel aus der Batterieleitung durch die Kühlmittelkühlvorrichtung zirkuliert, und um das Expansionsventil, das die Kühlvorrichtung mit Kältemittel speist, zu öffnen).
  • Ein typisches Klimaanlagensystem kann einen drehzahlveränderlichen Verdichter verwenden, wobei die Verdichterdrehzahl gemäß der Kühllast (die gewöhnlich durch eine am Verdampferausgang gemessene Temperatur bestimmt wird) eingestellt wird. In der vorliegenden Erfindung ist es aufgrund der Existenz mehrerer Kältemittelverdampfer (d. h., des vorderen Verdampfers und der Kühlvorrichtung), die alle gleichzeitig arbeiten können oder nicht, notwendig, das Bestimmen der Verdichterdrehzahl zu vermitteln. Um eine akzeptable Fahrgastraumkühlleistung aufrechtzuerhalten, ohne das Steuersystem übermäßig komplex zu machen, wendet die vorliegende Erfindung zur Bestimmung der Verdichterdrehzahl ein Prioritätsschema für die Wahl einer Verdampfertemperatur an. Daher stellt die Steuerung die Verdichterdrehzahl jederzeit gemäß einer Temperatur des vorderen Verdampfers ein, wenn dieser den Fahrgastraum kühlt. Wenn die Kühlmittelkühlvorrichtung das einzige Element ist, das aktiv verwendet wird, um Kältemittel zu verdampfen, wird die Verdichterdrehzahl von der Steuerung gemäß einer Temperatur am Ausgang der Kühlvorrichtung eingestellt.
  • 6 zeigt ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung zum gemeinsamen Kühlen des Fahrgastraums und des Batteriesatzes eines elektrifizierten Fahrzeugs. Zunächst wird davon ausgegangen, dass das Kühlsystem aus ist (d. h., die Expansionsventile sind geschlossen). Bei Schritt 75 wird eine Überprüfung durchgeführt um zu bestimmen, ob eine Bedieneranforderung für Kühlung vorn präsent ist. Falls ja, wird das Expansionsventil für den vorderen Verdampfer auf Offen gestellt, und der Kältemittelfluss wird moduliert, um bei Schritt 76 die gewünschte Überhitzung für den Verdampfer bereitzustellen. Darüber hinaus wird die Verdichterdrehzahl gemäß einer Temperatur des vorderen Verdampfers eingestellt. Nach dem Reagieren auf die Anforderung oder ein Fehlen einer Anforderung für Frontkühlung wird bei Schritt 77 eine Überprüfung durchgeführt um festzustellen, ob es eine Anforderung für ein Kühlen der hinteren Zone gibt. Wenn es eine Anforderung für Kühlen hinten gibt, wird das Expansionsventil für die Kühlmittelkühlvorrichtung auf Offen gesetzt und moduliert, um bei Schritt 78 die gewünschte Überhitzung am Kühlvorrichtungsauslass bereitzustellen. Die Kühlvorrichtungspumpe wird eingeschaltet und das Absperrventil, sofern vorhanden, das zum hinteren Kühlkern führt, wird auf Offen gesetzt. Bei Schritt 79 wird eine Überprüfung durchgeführt um festzustellen, ob die Kühlung vorn bereits eingeschaltet ist (d. h., ob die Verdichtertemperatur gemäß der Front-PEvap gesteuert ist). Falls nicht eingeschaltet, wird die Verdichterdrehzahl bei Schritt 80 gemäß der Kühlvorrichtungstemperatur eingestellt. Anderenfalls wird die Verdichterdrehzahl weiterhin gemäß der Temperatur des vorderen Verdampfers gesteuert.
  • Nach dem Verarbeiten der Anforderung für Kühlen vorn und hinten wird die Batteriekühlung in Angriff genommen. Bei Schritt 81 wird eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Batterietemperatur TBat größer als ein erster Temperaturschwellenwert T1 ist. Falls nicht, wird eine Rückkehr zu Schritt 75 vorgenommen, da keine Batteriekühlung notwendig ist. Anderenfalls wird bei Schritt 82 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Batterietemperatur TBat größer als die leistungsbeschränkende Temperatur PPL ist. Ist das Ergebnis ja, wird bei Schritt 83 ein aktiver Kühlmodus für die Batterie eingenommen, wobei i) das Umlenkventil so eingestellt wird, dass Kühlmittel zur Kühlvorrichtung geleitet wird, und ii) ein Pumpen des Kühlmittels zur Batterie initiiert wird (d. h., die Batteriepumpe wird eingeschaltet und die Kühlvorrichtungspumpe wird eingeschaltet, falls sie nicht bereits eingeschaltet ist). Das Expansionsventil für die Kühlvorrichtung wird auf Offen gesetzt, falls es nicht wegen einer Anforderung für Kühlen hinten bereits offen ist (und das Expansionsventil der Kühlvorrichtung wird weiterhin gemäß einer Kühlvorrichtungstemperatur moduliert, um den gewünschten Betrag an Überhitzung bereitzustellen). Bei Schritt 84 wird eine Überprüfung durchgeführt um festzustellen, ob entweder die vordere oder die hintere Kühlung bereits eingeschaltet ist (d. h., ob eine davon die Verdichterdrehzahl steuert). Sind sie es nicht, wird die Verdichterdrehzahl bei Schritt 85 gemäß der Temperatur der Kühlvorrichtung eingestellt (oder alternativ gemäß einer Batteriekühlmitteleinlasstemperatur). Dann wird eine Rückkehr zu Schritt 75 ausgeführt.
  • Falls die Batterietemperatur TBat bei Schritt 82 nicht größer als die leistungsbeschränkende Temperatur TPL ist, wird bei Schritt 86 eine Überprüfung durchgeführt um festzustellen, ob eine Differenz zwischen einer batteriebezogenen Temperatur (vorzugsweise der Kühlmitteltemperatur am Auslass der Batterie TC) und der Umgebungstemperatur größer als eine Schwellendifferenz TDiff ist. Falls nicht, wird bei Schritt 83 der aktive Kühlmodus eingenommen. Anderenfalls wird bei Schritt 87 ein passiver Kühlmodus für die Batterie eingenommen, wobei das Umlenkventil so eingestellt wird, dass es Kühlmittel zum Kühler leitet, die Batteriepumpe eingeschaltet wird und der Lüfter eingeschaltet wird, um, falls gewünscht, Luft über den Kühler zu ziehen.
  • 7 zeigt eine alternative Anordnung für die Kühlmittelpumpen. Die Kühlvorrichtungspumpe 60 stellt die gesamte Pumptätigkeit für sowohl den hinteren Kühlkern 62 als auch die Batterie 40 bereit, wenn sie im Modus der aktiven Batteriekühlung arbeitet. Für den aktiven Modus ist keine Vorpumpe vorhanden. Stattdessen wird eine Batteriepumpe 90 zwischen den Kühler 44 und die Batterie 40 platziert, um nur im passiven Kühlmodus Kühlmittel zu pumpen. 7 zeigt das Umlenkventil 43, eingestellt für den aktiven Kühlmodus, wobei der Strom von der Kühlvorrichtungspumpe 60 zwischen der Batteriekühlung und der Kühlung der hinteren Zone geteilt ist. 8 zeigt das Umlenkventil 43 in den passiven Kühlmodus geschaltet, wobei die Batteriepumpe 90 einen Strom nur innerhalb einer Schleife bereitstellt, einschließlich der Batterie 40 und des Kühlers 44. Falls gewünscht, kann zwischen den Auslässen der Pumpen 60 und 90 ein Absperrventil 91 bereitgestellt werden, falls dies notwendig ist, um beim Betrieb im passiven Kühlmodus eine ausreichende Isolation zu erreichen.
  • 9 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei die Funktionen zur Kühlung der hinteren Fahrgastraumzone und zur Batteriekühlung separate Pumpen nutzen. Daher umfasst eine Batterie 100 eine interne Leitung 101 zum Aufnehmen von Kühlmittel von einer Batteriepumpe 102. Das Umlenkventil 103 kann dem Eingang der Batteriepumpe 102 von einem Kühler 104 Kühlmittel zuführen, wenn in einem passiven Modus betrieben, oder von einer Kühlvorrichtung 106, wenn in einem aktiven Kühlmodus betrieben. Wiederum kann in Verbindung mit dem Kühler 104 ein Lüfter 105 angeordnet sein.
  • Eine Kältemittel-Kühlmittel-Kühlvorrichtung 106 empfängt Kältemittel von einem Expansionsventil 107 auf einer Seite und zirkuliert ein gekühltes Kühlmittel auf der anderen Seite. Kühlmittel von der Kühlvorrichtung 106 kann von der Batteriepumpe 102 über das Umlenkventil 103 zur Batterieleitung 101 gepumpt werden, und zwar unabhängig von Kühlmittelnutzung durch eine Kühlsektion der hinteren Zone. Ein Absperrventil 108 kann zwischen den Kühlmittelauslass von Batterie 100 und einen Einlass zur Kühlvorrichtung 106 angeschlossen werden, falls notwendig, um zwischen den parallel aktiven Kühlschleifen eine Isolation zu erreichen.
  • Zum Kühlen der hinteren Zone kann eine Luftumschlageinheit 110 einen hinteren Kühlkern 111 und ein Gebläse 112 umfassen. Der Kühlkern 111 empfängt Kühlmittel von einer hinteren Fahrgastraumpumpe 113, und ein Absperrventil 114 kann zwischen dem Kern 111 und der Kühlvorrichtung 106 bereitgestellt werden, um die hintere Fahrgastraumzone zu isolieren, falls notwendig.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7658083 [0005]

Claims (10)

  1. Elektrifiziertes Fahrzeug, das Folgendes umfasst: ein gemeinsam genutztes Kühlsubsystem einschließlich eines Verdichters und eines Kondensators, in welchem ein Kältemittel zirkuliert; einen Hauptverdampfer, der auswählbar mit dem gemeinsam genutzten Kühlsubsystem gekoppelt und dazu ausgeführt ist, Kältemittel zu verdampfen, um einen Hauptluftstrom in einem Hauptabschnitt eines Fahrgastraums des Fahrzeugs zu kühlen; eine Kühlmittelkühlvorrichtung, die auswählbar mit dem gemeinsam genutzten Kühlsubsystem gekoppelt und dazu ausgeführt ist, Kältemittel zu verdampfen, um ein flüssiges Kühlmittel zu kühlen; eine Kühlvorrichtungspumpe zum Wegpumpen des Kühlmittels von der Kühlvorrichtung; einen Zonentauscher, der auswählbar Kühlmittel von der Kühlvorrichtungspumpe erhält, um einen Zonenluftstrom in einer Zone des Fahrgastraums zu kühlen; einen Batteriesatz, der elektrische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs bereitstellt, wobei der Batteriesatz eine interne Leitung zum Befördern des Kühlmittels umfasst; einen passiven Kühler, der einer Umgebungslufttemperatur ausgesetzt ist; eine Batteriepumpe, die das Kühlmittel durch die interne Leitung pumpt; und ein Umlenkventil mit einer ersten Auslegung, die eine erste den Kühler, die Batteriepumpe und die interne Leitung enthaltende Zirkulationsschleife aufbaut, und mit einer zweiten Auslegung, die eine zweite die Kühlvorrichtung und die interne Leitung enthaltende Kühlschleife aufbaut.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Batteriesensoren, die eine Batterietemperatur und eine Batteriekühlmitteltemperatur erfassen; und eine Steuerung, die Befehle an das Ventil bereitstellt, um eine der Auslegungen auszuwählen, wobei, wenn die Batterietemperatur zwischen einer ersten Schwellentemperatur und einer vorbestimmten leistungsbeschränkenden Temperatur liegt, die erste Auslegung befohlen wird, vorausgesetzt, dass eine Differenz zwischen der Batteriekühlmitteltemperatur und der Umgebungstemperatur größer ist als eine vorbestimmte Differenz, und andernfalls die zweite Auslegung befohlen wird, und wobei, wenn die Batterietemperatur größer ist als die leistungsbeschränkende Temperatur, die zweite Auslegung befohlen wird.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die interne Leitung der Batterie angeschlossen ist, um Kühlmittel von der Kühlvorrichtung parallel zum Zonentauscher zu empfangen.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Kühlvorrichtungspumpe ferner angeschlossen ist, um Kühlmittel zur internen Leitung der Batterie zu pumpen, und wobei das Fahrzeug ferner ein Absperrventil zum auswählbaren Isolieren des Zonentauschers von der Kühlvorrichtungspumpe umfasst.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Batteriepumpe dazu ausgelegt ist, Kühlmittel von entweder der Kühlvorrichtung oder dem Kühler zu pumpen.
  6. Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner einen elektrischen Lüfter umfasst, der auswählbar aktiviert wird, um Luft über den Kühler zu blasen, wenn das Umlenkventil in der ersten Auslegung ist.
  7. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Verdichter ein drehzahlveränderlicher Verdichter ist, wobei die Steuerung jederzeit eine Drehzahl des Verdichters gemäß einer Temperatur des Hauptverdampfers einstellt, wenn der Hauptverdampfer den Fahrgastraum kühlt, und wobei die Steuerung eine Drehzahl des Verdichters gemäß einer Temperatur der Kühlvorrichtung einstellt, während das Kältemittel nur durch die Kühlvorrichtung verdampft wird.
  8. Verfahren zum Kühlen einer Batterie und von Fahrgastraumzonen in einem elektrifizierten Fahrzeug, das Folgendes umfasst: Kühlen einer vorderen Fahrgastraumzone unter Verwendung eines vorderen Verdampfers; Kühlen eines flüssigen Kühlmittels unter Verwendung einer Kühlvorrichtung zum Kühlen einer hinteren Fahrgastraumzone; Auswählen zwischen passivem Kühlen der Batterie unter Verwendung eines Batteriekühlers und aktivem Kühlen der Batterie durch Zirkulieren des gekühlten Kühlmittels zur Batterie in Abhängigkeit von batteriebezogenen Temperaturen und einer Umgebungslufttemperatur.
  9. Verfahren zum Kühlen einer Batterie und von Fahrgastraumzonen in einem elektrifizierten Fahrzeug, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Kältemittels von einem Kondensator in einem Klimaanlagensystem; Verdampfen des Kältemittels in einem vorderen Verdampfer, um einen Hauptluftstrom in einer vorderen Fahrgastraumzone zu kühlen; Verdampfen des Kältemittels in einer Kühlmittelkühlvorrichtung, um ein flüssiges Kühlmittel zu kühlen; Pumpen des Kühlmittels von der Kühlvorrichtung zu einem hinteren Tauscher, um einen hinteren Luftstrom in einer hinteren Fahrgastraumzone zu kühlen; Pumpen des Kühlmittels von der Kühlvorrichtung zur Batterie, wenn eine Batterietemperatur und eine Umgebungslufttemperatur mit einem aktiven Kühlmodus korrespondieren; und Pumpen von Kühlmittel zwischen der Batterie und einem passiven Kühler anstelle der Kühlvorrichtung, wenn eine Batteriekühlmitteltemperatur und die Umgebungslufttemperatur mit einem passiven Kühlmodus korrespondieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei: der aktive Kühlmodus ausgewählt wird, wenn die Batterietemperatur über einer vorbestimmten leistungsbeschränkenden Temperatur liegt; der passive Kühlmodus ausgewählt wird, wenn die Batterietemperatur zwischen einem ersten Schwellenwert und einer leistungsbeschränkenden Temperatur der Batterie liegt, wenn eine Differenz zwischen der Batteriekühlmitteltemperatur und der Umgebungslufttemperatur größer ist als eine vorbestimmte Differenz; und der aktive Kühlmodus ausgewählt wird, wenn die Batterietemperatur zwischen dem ersten Schwellenwert und der leistungsbeschränkenden Temperatur liegt, wenn die Differenz zwischen der Batteriekühlmitteltemperatur und der Umgebungslufttemperatur kleiner ist als die vorbestimmte Differenz.
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