DE102011090001A1

DE102011090001A1 - Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems und einer Elektromaschine eines Kraftfahrzeugs mittels eines gemeinsamen Kühlfluids

Info

Publication number: DE102011090001A1
Application number: DE201110090001
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Schweiger; Axel Rudorff; Michael Bünning; Michael Schiemann; Ralf Bayer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: DE102011090001B4

Abstract

Es wird ein Kühlsystem zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems (118) eines Kraftfahrzeugs (100), insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs (100), beschrieben. Das beschriebene das Kühlsystem weist auf (a) einen Fluidkanal (110) zum Leiten eines Kühlfluids zu einer Elektromaschine (120) des Kraftfahrzeugs (100) und (b) eine Aufnahmevorrichtung (116), welche in dem Fluidkanal (110, 110a) angeordnet ist. Die Aufnahmevorrichtung (116) ist derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems (118) aufnehmbar und von einem durch den Fluidkanal (110, 110a) strömenden Kühlfluid kühlbar ist. Es wird ferner ein Kraftfahrzeug (100) mit einem derartigen Kühlsystem sowie ein Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems (118) eines Kraftfahrzeugs (100) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiert der Kühlung von elektrischen Komponenten und insbesondere der Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in einem Hybrid- oder einem Elektrofahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Kühlsystem sowie ein Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems eines Kraftfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug, mit einem derartigen Kühlsystem.
Der Umfang der Implementierung von elektrischen und elektronischen Funktionalitäten in Kraftfahrzeugen ist in der Vergangenheit stark gewachsen. In der Zukunft ist eine Fortsetzung dieses Trends zu erwarten. Insbesondere der Wunsch nach Elektromobilität wird zukünftig wohl für einen deutlichen ansteigenden Durchsatz von elektrischer Energie in den Bordnetzen moderner Kraftfahrzeuge verantwortlich sein.
Eine klassische Betriebsstrategie in einem Hybrid- oder einem Elektrofahrzeug ist das Zwischenspeichern und sog. Rekuperieren von Bremsenergie in einem oder in mehreren elektrischen Energiespeichern, um die Bremsenergie zu einem späteren Zeitpunkt für einen erneuten elektrischen Vortrieb einsetzen zu können. Die rekuperierte Energie wird zu diesem Zweck vorübergehend in geeigneten elektrochemischen und/oder elektrostatischen Energiespeichern gespeichert. Bei einem elektrochemischen Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie mit vorzugsweise einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen erfolgt dabei (a) im Falle einer Ladung eine Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und (b) im Falle einer Entladung eine Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Bei einem elektrostatischen Energiespeicher wie zum Beispiel einem sog. Doppelschichtkondensator erfolgt eine elektrische Ladung bzw. eine elektrische Entladung von bevorzugt mehreren Doppelschichtkondensatoren.
Insbesondere die elektrochemischen Energieumwandlungsprozesse sind je nach genutztem Typ von Akkumulator und dessen jeweiliger Zellenchemie mit Verlusten behaftet, die eine Erwärmung und damit eine Änderung der Enthalpie des betreffenden Energiespeichers zur Folge haben.
Zusätzlich entsteht eine Verlustwärme (a) beim zyklischen Betrieb elektrochemischer Energiespeicher und (b) durch die stets vorhandenen ohmschen Widerstände beispielsweise des Zelleninnenwiderstand und/oder von elektrischen Interzellverbindungsleitungen. Somit sind abhängig von der anfallenden elektrischen Verlustleistung in einem elektrochemischen Energiespeicher eine Erwärmung und ein Temperaturanstieg im Betrieb unvermeidlich, sofern nicht eine effiziente Kühlung eingesetzt wird.
Um eine hohe Betriebssicherheit insbesondere eines elektrochemischen Energiespeichers zu gewährleisten und einen vorzeitigen Ausfall des Energiespeichers durch Alterung von Energiespeicherzellen (z. B. Lithium-Ionen-, NiMH-, NiZn-, NiCd-, Blei-Säure-Zellen etc.) zu vermeiden, welche Alterung besonders bei hohen Temperaturen aufgrund des bekannten Gesetztes von Arrhenius sehr schnell verläuft, ist ein thermisches Management mit einer entsprechenden Kühlung sämtlicher Energiespeicherzellen notwendig.
Die Kühlung kann beispielsweise in Form einer Flüssigkühlung oder einer Luftkühlung ausgeführt sein. Dabei durchströmt bei einer Luftkühlung das Kühlmedium Luft mit einer entsprechend niedrigeren Temperatur den Energiespeicher und führt dabei Verlustwärme ab. Üblicherweise wird der entsprechende Luftstrom über ein Gebläse bedarfsgerecht erzeugt.
Um ein Verschmutzen der zu kühlenden Oberflächen des Energiespeichers zu vermeiden, ist es bekannt, die angesaugte Umgebungsluft durch einen Filter von Schmutzpartikeln zu befreien. Somit wird einem vorzeitigen Ausfall bzw. einer Herabsetzung der Performanz eines elektrischen Energiespeichersystems entgegen gewirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems in einem Kraftfahrzeug insbesondere in Hinblick auf einen geringen apparativen Aufwand und eine hohe Kühleffizienz zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kühlsystem zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs, beschrieben. Das beschriebene Kühlsystem weist auf (a) einen Fluidkanal zum Leiten eines Kühlfluids zu einer Elektromaschine des Kraftfahrzeugs und (b) eine Aufnahmevorrichtung, welche in dem Fluidkanal angeordnet ist, wobei die Aufnahmevorrichtung derart ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems aufnehmbar und von einem durch den Fluidkanal strömenden Kühlfluid kühlbar ist.
Dem beschriebenen Kühlsystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Kühlfluid, welches in einem Kraft- und insbesondere in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug bereits dazu verwendet wird, eine Elektromaschine zu kühlen, auch noch dazu verwendet werden kann, zumindest einen Teil eines elektrischen Energiespeichersystems des Kraftfahrzeugs zu kühlen. Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem kann somit auf vorteilhafte Weise ein in einem Kraftfahrzeug ohnehin bereits vorhandener Fluidstrom zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet werden.
Bei dem beschriebenen Kühlsystem wird somit eine in einem Kraftfahrzeug ohnehin vorhandene Fluidströmung zusätzlich für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet. Ein eigens für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendetes Gebläse ist daher nicht erforderlich. Aus diesem Grund trägt das beschriebene Kühlsystem auch zu einer Reduzierung der Anzahl an für eine Kühlung des Energiespeichersystems erforderlichen Komponenten und damit auch zu einem entsprechenden Kostenvorteil bei der Realisierung einer Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems bei. Außerdem kann sich durch eine Komponentenreduktion auch ein Bauraumvorteil bei der räumlichen Gestaltung eines Kraftfahrzeugs ergeben.
Im Vergleich zu einer Luftkühlung, welche lediglich durch einen Fahrtwind des Kraftfahrzeugs bereitgestellt ist, kann das beschriebene Kühlsystem auch dann auf effektive Weise zum Einsatz kommen, wenn kein oder wenn lediglich ein geringer Fahrtwind vorhanden ist. Kein oder lediglich ein geringer Fahrwind treten beispielsweise dann auf, wenn das Kraftfahrzeug gar nicht in Bewegung ist oder wenn sich das Kraftfahrzeug zusammen mit dem Wind fortbewegt. Auch bei einer (im Mittel) sehr langsamen Fahrt wie beispielsweise in einem sog. "Stop and Go" Verkehr kann es möglich sein, dass bei einer Fahrtwind-Kühlung pro Zeiteinheit keine ausreichende Menge an Kühlluft an dem elektrischen Energiespeichersystem vorbeistreicht und somit keine ausreichende Kühlleistung erreicht wird. In diesem Zusammenhang hat ein von einem ohnehin bereits vorhandenen Kühlfluidstrom gespeistes Kühlsystem gegenüber einem vom Fahrtwind gespeisten Kühlsystem den Vorteil, dass, solange sich die Elektromaschine im Betrieb befindet, stets eine ausreichende Menge des Kühlfluids für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems vorhanden ist.
Unter dem Begriff "Fluidkanal" können in diesem Zusammenhang alle Komponenten des Kraftfahrzeugs verstanden werden, welche das Kühlfluid führen, das für die Kühlung der Elektromaschine verwendet wird oder für die Kühlung der Elektromaschine verwendet werden kann.
Unter dem Begriff "Elektromaschine" können in diesem Dokument alle Vorrichtungen verstanden werden, welche elektrische Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Demzufolge kann eine Elektromaschine ein Elektromotor sein, welcher beispielsweise in einem Hybridfahrzeug zur Unterstützung eines Verbrennungsmotors und in einem reinen Elektrofahrzeug zur Erzeugung eines Vortriebs verwendet wird. Ferner kann in diesem Zusammenhang eine Elektromaschine ein Generator sein, welcher beispielsweise aus einer Bremsenergie elektrische Energie erzeugt, die in einem elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert wird.
Um sowohl eine effiziente Fluidkühlung des elektrischen Energiespeichersystems als auch ein einwandfreies Arbeiten der Elektromaschine des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten, sollte sowohl der Fluidkanal als auch die Aufnahmevorrichtung gegenüber der Umgebung abgedichtet sein.
Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Kühlsystem wird anstelle einer klassischen ausschließlich auf das elektrische Energiespeichersystem ausgelegten Kühlung ein Kühlfluid, welches für die Kühlung der Elektromaschine verwendet wird, zuerst an dem elektrischen Energiespeichersystem vorbei geleitet. Um hierbei einen guten Wärmetransport (von dem Energiespeichersystem zu dem Kühlfluid) zu gewährleisten, können spezielle Wärmetauschstrukturen wie z. B. Kühlfinnen, Kühlkörper, etc. verwendet werden. Die beschriebene thermodynamische Kopplung zwischen der Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems und der Kühlung der Elektromaschine wird insbesondere dadurch begünstigt, dass sich typischerweise das elektrische Energiespeichersystem und insbesondere ein elektrochemischer Energiespeicher des elektrischen Energiespeichersystems im Betrieb nur geringfügig erwärmen darf, um eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten. In der Regel wird hier eine Erwärmung von weniger als 20 K gegenüber der Umgebung angestrebt. Damit hat das Kühlfluid zu Kühlung der Elektromaschine noch ausreichend tiefe Temperaturen, da hier der Betriebstemperaturbereich zwischen 80°C und 120°C liegt, während bei dem elektrischen Energiespeichersystem und insbesondere dessen elektrochemischen Energiespeicher Temperaturen von ungefähr 40°C als optimal erachtet werden.
Die beschriebene Aufnahmevorrichtung kann nicht nur derart ausgebildet sein, zumindest ein Teil eines bestimmten elektrischen Energiespeichersystems in einer festen räumlichen Position bzw. Anordnung aufzunehmen. Die Aufnahmevorrichtung kann ggf. auch derart ausgestaltet sein, dass eine flexible und/oder vom jeweiligen Betriebszustand abhängige und damit auch zeitlich veränderliche räumliche Anordnung des elektrischen Energiespeichersystems in dem Luft-Ansaugkanal möglich ist. So kann beispielsweise je nach Stärke der aktuellen Wärmeentwicklung in dem elektrischen Energiespeichersystem der elektrische Energiespeicher in einer jeweils geeigneten Winkelstellung relativ zu der Strömungsrichtung der durch den Luft-Ansaugkanal strömenden Luft orientiert sein, so dass ein für den jeweiligen Betriebszustand des elektrischen Energiespeichersystems eine optimale Kühlung realisiert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner eine Ventilationseinrichtung auf, welche in dem Fluidkanal angeordnet ist und welche einrichtet ist, das Kühlfluid zunächst zu der Aufnahmevorrichtung zum Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems und dann zu der Elektromaschine zum Kühlen der Elektromaschine zu leiten.
Die Ventilationseinrichtung kann jede beliebige Einrichtung sein, welche in der Lage ist, einen Fluidstrom innerhalb des Fluidkanals hin zu der Elektromaschine zu erzeugen oder zumindest aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ventilationseinrichtung mechanisch mit einem Rotor der Elektromaschine gekoppelt.
Die beschriebene mechanische Kopplung zwischen den Rotor und der Ventilationseinrichtung kann beispielsweise über eine gemeinsame Welle realisiert werden, an welcher der Rotor und ein Lüfterrad der Ventilationseinrichtung befestigt ist. Das Lüfterrad saugt dann beispielsweise das Kühlfluid an und drückt dieses dann durch die Elektromaschine. Dadurch wird die Elektromaschine gekühlt.
Zwischen Rotor und Lüfterrad kann auch ein Über- oder Untersetzungsgetriebe geschaltet sein, so dass die Drehzahl des Rotors und die Drehzahl des Lüfterrades miteinander korreliert sind.
Das Lüfterrad kann auch einfach an dem Rotor der Elektromaschine angeflanscht sein, so dass es sich ebenfalls gemeinsam mit dem Rotor um die Rotordrehachse dreht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Fluidkanal einen Umgehungskanal auf, mittels welchem zumindest ein Teil des durch den Fluidkanal strömenden Kühlfluids an der Aufnahmevorrichtung vorbei zu der Elektromaschine des Kraftfahrzeugs führbar ist.
Durch die Verwendung des beschriebenen Umgehungskanals, welcher die Funktion eines sog. Bypasses hat, kann erreicht werden, dass nicht zwangsläufig alles durch den Fluidkanal strömende Kühlfluid auch durch die Aufnahmevorrichtung strömen muss. Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte Kühlung eines in der Aufnahmevorrichtung befindlichen elektrischen Energiespeichersystems realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner auf eine Steuereinrichtung zum Verteilen des durch den Fluidkanal strömenden Kühlmediums in einen ersten Teilstrom, welcher durch die Aufnahmevorrichtung strömt, und in einen zweiten Teilstrom, welche durch den Umgebungskanal strömt.
Die Steuereinrichtung kann in dem Fluidkanal an einer Stelle angeordnet sein, an der sich die derjenige Teil des Fluidkanals, welcher zu der Aufnahmevorrichtung führt, von demjenigen Teil des Fluidkanals verzweigt, welcher zu dem Umgehungskanal führt bzw. welcher in den Umgehungskanal mündet. Alternativ oder in Kombination kann die Steuereinrichtung auch an einer anderen Stelle im Fluidkanal angeordnet sein, an welcher sich der Umgehungskanal wieder mit demjenigen Teil des Fluidkanals verbindet, welcher von der Aufnahmevorrichtung kommt.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise mittels einer oder mittels mehrerer Steuerklappen realisiert werden, welche den Gesamtkühlfluidstrom durch den Fluidkanal so auf die beiden Teile des Fluidkanals verteilt, dass eine für den jeweiligen Betriebszustand des elektrischen Energiespeichersystems geeignete Kühlleistung realisiert wird.
Durch die beschriebene Implementierung eines Bypasses für das Kühlfluid vorbei an dem elektrischen Energiespeichersystem zusammen mit einer geeigneten Steuereinrichtung kann auf vorteilhafte Weise eine bedarfsgerechte Kühlung des Energiespeichersystems realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner eine Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung auf, welche in dem Fluidkanal angeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass der erste Teilstrom und/oder der zweite Teilstrom messbar sind.
Die beschriebene Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung kann jede beliebige Messeinrichtung sein, welche in der Lage ist einen Volumenstrom eines Fluids zu messen. Dazu kann je nach spezifischer Anforderung auf verschiedene bekannte physikalische Messprinzipien wie z. B. (a) Ultraschalldurchflussmessungen, (b) Differenzdruckmessungen, Venturi-Effekt, (c) Messungen mittels Balometer, (d) Messungen des Dopplereffekts von in den zu messenden Volumenstrom gerichtetes Laserlicht zurückgegriffen werden.
Mittels einer Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung kann insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Steuereinrichtung die pro Zeiteinheit geförderte Menge des Kühlfluids erfasst und geregelt werden, so dass stets eine ausreichende Kühlleistung sichergestellt werden kann.
Ferner kann auf vorteilhafte Weise eine Betriebsstrategie für das elektrische Energiespeichersystem realisiert werden. So kann beispielsweise für den Fall, dass pro Zeiteinheit lediglich eine relativ kleine Menge an Kühlfluid für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems zur Verfügung steht, die maximal erlaubten elektrischen Lade- und/oder Entladeströme in geeigneter Weise begrenzt werden, um ein zu starkes Erwärmen des elektrischen Energiespeichersystems zu verhindern.
Es wird darauf hingewiesen, dass alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung auch ein Messsignal verwendet werden kann, welches auf andere Weise indikativ für den aktuellen Volumenstrom durch den Fluidkanal und insbesondere indikativ für die Stärke des ersten Teilstroms ist, welcher durch die Aufnahmevorrichtung strömt. So kann beispielsweise auch einfach die Anzahl der Umdrehungen der Elektromaschine als Richtwert für die Stärke des geförderten bzw. von der Elektromaschine angesaugten Kühlfluidstromes und zu Anpassung der Betriebsstrategie des elektrischen Energiespeichersystems verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Kühlsystem ferner einen Filter auf, welcher in dem Fluidkanal angeordnet ist.
Bevorzugt ist der Filter in Bezug zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids stromaufwärts von der Aufnahmevorrichtung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems von Fremdstoffpartikeln zumindest teilweise gereinigtes Kühlfluid verwendet wird.
Der Filter und das Energiespeichersystem oder zumindest ein Teil des Energiespeichersystems können auch innerhalb oder mit einer gemeinsamen Baugruppe realisiert sein. Dadurch kann die Integrationsdichte der für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystem und der Elektromaschine erforderlichen Komponenten des Kraftfahrzeugs erhöht werden. Auf diese Weise kann sich insbesondere ein Bauraumvorteil ergeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug und insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug beschrieben. Das beschriebene Kraftfahrzeug weist auf (a) eine Elektromaschine, (b) ein elektrisches Energiespeichersystem und (c) ein Kühlsystem der vorstehend erläuterten Art. Der Fluidkanal ist mit der Elektromaschine verbunden und zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems ist in der Aufnahmevorrichtung angeordnet.
Dem beschriebenen Kraftfahrzeug liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das vorstehend beschriebene Kühlsystem auf vorteilhafte Weise in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in einem Hybridoder Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Dabei wird das Kühlfluid, welches für die Elektromaschine zur Vermeidung einer Überhitzung derselben benötigt wird, zuvor zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Energiespeichersystem (a) eine Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen und (b) einen elektrischen Energiespeicher auf. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein elektrochemischer Energiespeicher.
In diesem Zusammenhang können unter dem Begriff "leistungselektronische Bauelemente" insbesondere alle elektronischen bzw. elektrischen Bauelemente verstanden werden, welche der Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz dienen. Baugruppen mit derartigen Bauelementen zu Umformung elektrischer Energie werden häufig auch Stromrichter genannt. Sie können je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter unterschieden werden.
Die leistungselektronischen Bauelemente können auch lediglich zum Zu- und Abschalten elektrischer Verbraucher dienen. Derartige leistungselektronische Bauelemente umfassen neben der Schaltfunktion häufig weitere Schutz- und Überwachungsfunktionen. Sie unterscheiden sich von Relais und Schützen dadurch, dass sie ohne bewegte Teile arbeiten.
Je nach Anwendungsfall kann die beschriebene leistungselektronische Vorrichtung als Gleichrichter (Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung), als Wechselrichter (Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung), als Gleichstromsteller (Umwandlung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung) oder als Wechselstromsteller (Umwandlung von Wechselspannung in Wechselspannung mit einer anderen Frequenz oder Amplitude Frequenzumrichter) dienen.
Das beschriebene elektrische Energiespeichersystem oder zumindest ein Teil davon und die Elektromaschine sind bevorzugt mittels des Fluidkanals strömungstechnisch günstig, d. h. mit einem geringen Strömungswiderstand, miteinander verbunden. In diesem Zusammenhang kann es sich anbieten, den elektrischen Energiespeicher zusammen mit der Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen in ein Gehäuse zu montieren oder die einzelnen Komponenten über Kühlfluidleitkanäle und/oder Schläuche zu verbinden. Neben dem elektrischen Energiespeicher kann auf diese Art zusätzlich die dem elektrischen Energiespeichersystem zugeordnete Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen gekühlt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen von zumindest einem Teil eines elektrischen Energiespeichersystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Zuführen von Kühlfluid durch einen Fluidkanal zu dem elektrischen Energiespeichersystem, welches sich in einer in dem Fluidkanal angeordneten Aufnahmevorrichtung befindet, (b) ein Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems mittels des zugeführten Kühlfluids und (c) ein Weiterleiten des für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendeten Kühlfluids durch den Fluidkanal zu einer Elektromaschine des Kraftfahrzeugs.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das für eine Kühlung einer Elektromaschine verwendete Kühlfluid zusätzlich auch noch dazu verwendet werden kann, zumindest einen Teil eines elektrischen Energiespeichersystems zu kühlen, welches eine Komponente eines Kraftfahrzeugs und insbesondere eine Komponente eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs darstellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kühlfluid ein gasförmiges Kühlfluid und insbesondere Luft.
Die Verwendung eines gasförmigen Kühlfluids hat den Vorteil, dass das beschriebene Verfahren mit üblichen Kühlfluiden durchgeführt werden kann. Eine spezielle Anpassung der Kühlung der Elektromaschine im Hinblick auf die Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist damit auf vorteilhafte Weise nicht erforderlich. Die Verwendung von Luft als Kühlfluid hat ferner den Vorteil, dass als Kühlfluid ein Medium verwendet wird, welches in der Umgebung des Kraftfahrzeugs ohnehin vorhanden ist. Damit ist es zur Durchführung des Verfahrens nicht unbedingt erforderlich, einen vollkommen geschlossenen Kühlkreislauf mit einer Kühlfluidrückführung bereit zu stellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Steuern der Menge an pro Zeiteinheit dem elektrischen Energiespeichersystem zugeführtem Kühlfluid auf. Die Steuerung kann dabei insbesondere von dem aktuellen Speicherzustand des elektrischen Energiespeichersystems abhängen.
Um den Strom an Kühlfluid, der für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet wird, unabhängig oder zumindest weitgehend unabhängig von demjenigen Strom an Kühlfluid zu steuern, welcher der Elektromaschine zugeführt wird, kann es vorteilhaft sein, einen sog. Bypass Fluidkanal vorzusehen, mittels welchem eine bestimmte Teilmenge an Kühlfluid, welche der Elektromaschine zugeführt wird, an der Aufnahmevorrichtung und damit an dem elektrischen Energiespeichersystem vorbei zu leiten. Dann kann nämlich mittels einer geeigneten Steuereinrichtung, beispielsweise eine in dem Fluidkanal angeordnete Steuerklappe, der gesamte Volumenstrom durch den Fluidkanal in zwei Teilströme aufgeteilt werden, wobei ein erster Teilstrom durch die Aufnahmevorrichtung und ein zweiter Teilstrom durch den Bypass Fluidkanal strömt. Auf diese Weise kann die Kühlleistung für das elektrische Energiespeichersystem in geeigneter Weise eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Begrenzen eines elektrischen Lade- und/oder Entladestroms des elektrischen Energiespeichersystems in Abhängigkeit von einer Kühlleistung auf, welche dem elektrischen Energiespeichersystem von dem zugeführten Kühlfluid bereit gestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise eine elektrischen Betriebsstrategie für das elektrische Energiespeichersystem realisiert werden kann, mittels welcher zuverlässig verhindert werden kann, dass das elektrische Energiespeichersystem und insbesondere ein elektrischer Energiespeicher des elektrischen Energiespeichersystems überlastet und damit in seiner Lebensdauer eingeschränkt wird.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass eine derartige elektrische Betriebsstrategie vielfältige physikalische Rahmenbedingungen für das Energiespeichersystem berücksichtigen kann. So kann die elektrische Betriebsstrategie beispielsweise von der aktuellen Temperatur des Energiespeichersystems oder zumindest eines Teils des Energiespeichersystems abhängen. Ebenso ist es denkbar, dass ein maximal erlaubter elektrischer Lade- und/oder Entladestrom von einem Alterungszustand des Energiespeichersystems abhängt, welcher ein Maß dafür ist, wie stark das Energiespeichersystem in der Vergangenheit bereits gealtert ist. Ein solcher Alterungszustand kann zum Beispiel von einer akkumulierten Temperaturbelastung abhängen, welche ein Maß für die Stärke und/oder für die Dauer von bisher aufgetretenen Temperaturbelastungen sein kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Kühlleistung, welche dem elektrischen Energiespeichersystem von dem zugeführten Kühlfluid bereit gestellt wird, anhand einer Messung des Volumenstroms des zugeführten Kühlfluids bestimmt.
Der Volumenstrom des zugeführten Kühlfluids kann durch eine beliebige Luftmengenmessung bestimmt werden, bei der die pro Zeiteinheit geförderte Menge an Kühlfluids erfasst wird. Wie bereits vorstehend erläutert, können für die Kühlfluidmengenmessung verschiedene physikalische Messprinzipien herangezogen werden. Die Bestimmung der pro Zeiteinheit angesaugten Kühlfluidmenge kann auch grob anhand der Drehzahl der Elektromaschine erfolgen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems und einer Elektromaschine eines Kraftfahrzeugs mittels eines gemeinsamen Kühlfluids.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
Die Figur zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kraftfahrzeug 100, welches ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug sein kann.
Das Kraftfahrzeug 100 weist eine Elektromaschine 120 auf. Falls es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug 100 handelt, dann dient die Elektromaschine 120 dazu, in bestimmten Betriebsphasen des Hybridfahrzeugs 100 einen Vortrieb zu erzeugen. In anderen Betriebsphasen wird der Vortrieb durch einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor bereit gestellt. Das Zusammenwirken von Verbrennungsmotor und Elektromaschine 120 im Betrieb des Hybridfahrzeugs 100 ist dem Fachmann bekannt und wird an dieser Stelle nicht erläutert. Falls es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein (reines) Elektrofahrzeug 100 handelt, dann stellt die Elektromaschine 120 die einzige Fahrzeugkomponente dar, welche einen Vortrieb erzeugt.
Die Elektromaschine 120 wird in bekannter Weise von einem elektrischen Energiespeichersystem 118 versorgt, welches einen elektrochemischen Energiespeicher und eine Leistungselektronik umfasst. Im Betrieb des Kraftfahrzeugs 100 müssen je nach Betriebszustand der elektrochemische Energiespeicher und/oder die Leistungselektronik gekühlt werden. Dies erfolgt mittels eines Kühlfluids, welches gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Luft ist.
Zum Zwecke der Kühlung weist das Kraftfahrzeug 100 ein Kühlsystem auf, welches sich wie folgt beschreiben bzw. herstellen lässt: Eine Fluidkanal 110 zwischen einem Filter 112 und der Elektromaschine 120 wird aufgetrennt. In diese Trennstelle wird zunächst eine Aufnahmevorrichtung 116 für zumindest einen Teil des elektrischen Energiespeichersystems 118 integriert. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Aufnahmevorrichtung 116 sowohl den elektrischen Energiespeicher als auch die Leistungselektronik auf. Die Kühlfluidleitung innerhalb der Aufnahmevorrichtung 116 erfolgt auf eine Art und Weise, welche die Abfuhr einer möglichst großen Wärmemenge von dem in der Aufnahmevorrichtung 116 aufgenommenen elektrischen Energiespeichersystem 118 an die ihn umströmende Kühlluft erlaubt.
Eine als Lüfterrad ausgebildete Ventilationseinrichtung 122 sorgt für einen Volumenstrom von Kühlluft durch den Fluidkanal 110. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Lüfterrad über eine mechanische Kopplung 122a direkt von einem Rotor der Elektromaschine 120 angetrieben. Diese mechanische Kopplung 122a kann insbesondere mittels einer gemeinsamen Welle realisiert sein.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine als Steuerklappe ausgebildete Steuereinrichtung 114 vorgesehen, welche den Kühlluftstrom durch den Fluid- oder Luftkanal 110 in zwei Teilströme aufteilt. Ein erster Teilstrom fließt durch einen Hauptkanal 110a des Fluidkanals 110, in welchem sich auch die Aufnahmevorrichtung 116 befindet. Der erste Teilstrom dient der Kühlung des in der Aufnahmevorrichtung 116 befindlichen elektrischen Energiespeichersystems 118. Ein zweiter Teilstrom fließt durch einen Umgehungskanal 110b an der Aufnahmevorrichtung 116 vorbei und mündet später wieder in den Fluidkanal 110. Mittels einer Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung 124, welche ein gewöhnlicher Volumenstromsensor sein kann, kann direkt der für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems 118 verwendete Kühlluftstrom gemessen werden.
Durch die Implementierung des Umgehungskanals 110b, welcher für das elektrische Energiespeichersystem 118 einen Bypass darstellt, in Verbindung mit einer geeigneten Ansteuerung der Steuerklappe 114 kann auf einfache Weise eine bedarfsgerechte Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems 118 realisiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch eine kombinierte Ausführung von Filter 112 und Energiespeichersystem 118 mittels einer gemeinsamen Baugruppe möglich ist. Auf diese Weise kann eine besonders hohe räumliche Integrationsdichte des beschriebenen Kühlsystems realisiert werden.
Die in diesem Dokument beschriebene Kühlung eines elektrischen Energiespeichersystems mittels einer Kühlluft, welche auch für die Kühlung einer Elektromaschine verwendet wird, bietet im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühlung unter anderem folgende Vorteile:

(A) Es wird ein ohnehin bereits vorhandener Kühlluftstrom mit einem relativ großen Volumenstrom zusätzlich zur Kühlung der Elektromaschine auch noch zur Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems verwendet. Ein zusätzliches Gebläse für die Zufuhr von Kühlluft ist damit auf vorteilhafte Weise nicht erforderlich.
(B) Durch eine geeignete Einstellung der Steuerklappe kann eine optimale Betriebsstrategie in Abhängigkeit der möglichen Wärmeabfuhr durch die Kühlluft realisiert werden.
(C) Durch die Reduzierung der Anzahl an erforderlichen Komponenten entsteht ein Kostenvorteil.
(D) Durch die Reduzierung der Anzahl an erforderlichen Komponenten entsteht ein Bauraumvorteil.
(E) Bei einer kombinierten Ausführung von Filtergehäuse und Gehäuse für das Energiespeichersystem kann ein weiterer Bauraumvorteil erzielt werden.

Claims

Kühlsystem zum Kühlen eines elektrischen Energiespeichersystems (118) eines Kraftfahrzeugs (100), insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs (100), das Kühlsystem aufweisend einen Fluidkanal (110) zum Leiten eines Kühlfluids zu einer Elektromaschine (120) des Kraftfahrzeugs (100) und eine Aufnahmevorrichtung (116), welche in dem Fluidkanal (110, 110a) angeordnet ist, wobei die Aufnahmevorrichtung (116) derart ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems (118) aufnehmbar und von einem durch den Fluidkanal (110, 110a) strömenden Kühlfluid kühlbar ist.
Kühlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Ventilationseinrichtung (122), welche in dem Fluidkanal (110) angeordnet ist und welche einrichtet ist, das Kühlfluid zunächst zu der Aufnahmevorrichtung (116) zum Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems (118) und dann zu der Elektromaschine (120) zum Kühlen der Elektromaschine (120) zu leiten.
Kühlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Ventilationseinrichtung (122) mechanisch mit einem Rotor der Elektromaschine (120) gekoppelt ist.
Kühlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Fluidkanal (110) einen Umgehungskanal (110b) aufweist, mittels welchem zumindest ein Teil des durch den Fluidkanal (110) strömenden Kühlfluids an der Aufnahmevorrichtung (116) vorbei zu der Elektromaschine (120) des Kraftfahrzeugs (100) führbar ist.
Kühlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung (114) zum Verteilen des durch den Fluidkanal (110) strömenden Kühlmediums in einen ersten Teilstrom, welcher durch die Aufnahmevorrichtung (116) strömt, und in einen zweiten Teilstrom, welche durch den Umgebungskanal (110b) strömt.
Kühlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Kühlfluiddurchflussmesseinrichtung (124), welche in dem Fluidkanal (110, 110a) angeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass der erste Teilstrom und/oder der zweite Teilstrom messbar sind.
Kühlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Filter (112), welcher in dem Fluidkanal (110) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug (100), das Kraftfahrzeug (100) aufweisend eine Elektromaschine (120), ein elektrisches Energiespeichersystem (118) und ein Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Fluidkanal (110) mit der Elektromaschine (120) verbunden ist und wobei zumindest ein Teil des elektrischen Energiespeichersystems (118) in der Aufnahmevorrichtung (116) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Energiespeichersystem (118) aufweist eine Schaltungsanordnung mit leistungselektronischen Bauelementen und einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen elektrochemischen Energiespeicher.
Verfahren zum Kühlen von zumindest einem Teil eines elektrischen Energiespeichersystems (118) eines Kraftfahrzeugs (100), insbesondere eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs (100), das Verfahren aufweisend Zuführen von Kühlfluid durch einen Fluidkanal (110) zu dem elektrischen Energiespeichersystem (118), welches sich in einer in dem Fluidkanal (110, 110a) angeordneten Aufnahmevorrichtung (116) befindet, Kühlen des elektrischen Energiespeichersystems (118) mittels des zugeführten Kühlfluids und Weiterleiten des für die Kühlung des elektrischen Energiespeichersystems (118) verwendeten Kühlfluids durch den Fluidkanal (110) zu einer Elektromaschine (120) des Kraftfahrzeugs (100).
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Kühlfluid ein gasförmiges Kühlfluid, insbesondere Luft, ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 11, ferner aufweisend Steuern der Menge an pro Zeiteinheit dem elektrischen Energiespeichersystem (118) zugeführtem Kühlfluid insbesondere in Abhängigkeit des Speicherzustands des elektrischen Energiespeichersystems (118).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12, ferner aufweisend Begrenzen eines elektrischen Lade- und/oder Entlade-Stroms des elektrischen Energiespeichersystems (118) in Abhängigkeit von einer Kühlleistung, welche dem elektrischen Energiespeichersystem (118) von dem zugeführten Kühlfluid bereit gestellt wird.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Kühlleistung, welche dem elektrischen Energiespeichersystem (118) von dem zugeführten Kühlfluid bereit gestellt wird, anhand einer Messung des Volumenstroms des zugeführten Kühlfluids bestimmt wird.