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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 22 und ein Nutzfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 23.
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Derartige Kühlsysteme bzw. Temperier Systeme oder Thermomanagement Systeme sind insbesondere auf dem Gebiet von batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen bekannt und von hoher Wichtigkeit.
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Die vorgenannten Kühlsysteme dienen in erster Linie der Kühlung von Antriebsstrangaggregaten des elektrifizierten Antriebsstranges wie beispielsweise Elektromotoren, Invertern, Batteriepacks und OnBoard-Ladegeräten etc. Dabei wird ein entsprechendes Kühlmittel durch Kühlmittelkanäle und Kühlkreisläufe mittels Wärme- oder Kühlmittelpumpen transportiert und durchströmt die Triebstrangaggregate dabei um diese zu Kühlen. Die aufgenommene Wärmeenergie wird dann kühlmittelabfuhrseitig in Richtung eines Wärmeübertragers/Radiators geführt, um an die Außenumgebung abgeleitet zu werden.
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Die bekannten Konzepte und Systeme dienen jedoch überwiegend Fahrzeugtypen, die sich in ihrer Größe, Konstruktion und Funktionsweise von Anhängern und Sattelanhängern der Fahrzeugklasse O unterscheiden. Elektrifizierte Sattelanhänger oder allgemein Nutzfahrzeuge nutzen in aller Regel Hochvolt-Batterien mit hohen Energiekapazitäten (beispielsweise bis zu 300 kWh) als Energiespeicher für die Energieversorgung der elektrischen Antriebsmotoren. Die Batterien können dabei nominale Betriebsspannungen von 600 - 1000 Volt aufweisen.
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Die Batterieeinheit bzw. die HV-Batteriepacks müssen in der Regel bauraumbedingt unmittelbar an einer Unterseite eines Sattelanhängerrahmens gelagert werden, weshalb bestehende Kühlsysteme oftmals den räumlichen sowie mechanischen, thermischen oder dynamischen Anforderungen nicht gerecht werden können. Eine Regelung elektrifizierter Sattelanhänger mit bestehenden Systemen ist jedenfalls ineffizient und kann effizienter gestaltet werden.
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Die Regelung der Kühlsysteme erfolgt meist über elektronisch gesteuerte Ventile, wie beispielsweise Mehrwegeventile. Die prinzipbedingt schiere Dimensionierung und Komplexität der HV-Batteriepacks in elektrifizierten Trailern bzw. Sattelanhängern erfordert eine stets zuverlässige Lösung, die in jeder Situation ein Kühlmanagement der elektrischen Antriebseinheit sowie der Batterieeinheit gewährleistet. Obwohl Batteriesysteme in der Regel keine signifikante Eigenerwärmung aufweisen, können andere Schlüsselkomponenten des Antriebsstrangs wie Inverter, Elektromotoren, Converter (beispielsweise Gleichspannungswandler) und OnBoard-Ladegeräte erhebliche Wärme erzeugen. Diese Wärme wird in das Kühlsystem eingeleitet und normalerweise durch einen Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben.
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Nachteilhaft ist, dass oftmals ein überhöhter Druckverlust aufgrund eines zu hohen Druckwiderstandes innerhalb der Kühlmittelkanäle der Kühlkreisläufe oder des Kühlkreislaufes vorliegt, was sich negativ auf die Gesamtenergieeffizienz des Kühlsystems auswirken kann. In der Logistikbranche, dem mit Abstand größten Einsatzbereich von Nutzfahrzeugen und Sattelzügen, ist man zudem dynamisch wechselnden und extremen Wetterbedingungen ausgesetzt, weshalb eine Kühlung oft nur unzureichend effizient erfolgt und mit vielen Verlusten einhergeht. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann das Temperaturdelta zwischen dem Kühlsystem und der Umgebung vor allem für die Batterieeinheit kritisch werden. Die Kühlsysteme sind oft nur unzureichend auf die tatsächlich vorliegenden Temperaturfenster der einzelnen Komponenten der Batterieeinheit und elektrischen Antriebseinheit eingestellt.
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Des Weiteren ist die Integrierbarkeit der Ventile und die Anbindung beispielsweise an bereits vorhandene Wärmepumpenanordnungen von hoher Wichtigkeit, um in verschiedenen Fahrzeugkonfigurationen möglichst einsetzbar zu sein. Insgesamt besteht daher großer Optimierungsbedarf hinsichtlich der Effizienz und Funktionalität solcher Kühlsysteme, insbesondere wenn sie für batterieelektrisch betriebene Nutzfahrzeuge oder Anhänger mit Hochvolt-Batterien eingesetzt werden sollen.
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Ziel der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein verbessertes, zuverlässiges Kühlsystem für ein Nutzfahrzeug bereitzustellen, das eine energieeffiziente Kühlung einer elektrischen Antriebs- und Batterieeinheit gewährleistet.
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Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 23.
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Bei einem Kühlsystem, insbesondere Hochvolt-Batterie-Kühlsystem für ein Nutzfahrzeug, das eine Batterieeinheit, ein OnBoard-Ladegerät zum Laden der Batterieeinheit mit extern zugeführter elektrischer Energie und eine durch die elektrische Energie der Batterieeinheit angetriebene elektrische Antriebseinheit umfasst, wobei das Kühlsystem einen primären Kühlkreislauf eines Kühlmittels zum Kühlen der elektrischen Antriebseinheit und des OnBoard-Ladegeräts und einen sekundären Kühlkreislauf des Kühlmittels zum Kühlen der Batterieeinheit aufweist, wobei der primäre Kühlkreislauf eine erste Kreislaufpumpenanordnung, einen Wärmeübertrager und einen Lüfter umfasst, wobei der sekundäre Kühlkreislauf eine zweite Kreislaufpumpenanordnung, wenigstens einen Wärmeübertrager und eine Kälteanlage umfasst, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlsystem mehrere schaltbare Mehrwegeventile zum Regulieren des Kühlmitteldurchflusses in den Kühlkreisläufen umfasst, wobei die Kühlkreisläufe über die Mehrwegeventile derart miteinander verbindbar oder voneinander trennbar sind, dass sie zur Kühlung der elektrischen Antriebseinheit und der Batterieeinheit wahlweise unabhängig voneinander und isoliert oder kombiniert in Verbindung betrieben werden können.
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Mit der Betriebsweise von elektrischen Nutzfahrzeugen bzw. elektrischen Sattelanhängern sind besondere Anforderungen hinsichtlich einer effizienten Temperaturregelung verbunden, die sich aus den besonderen thermischen Herausforderungen ergeben.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Kühlsystems und der erfindungsgemäßen Anordnung und wahlweisen Schaltmöglichkeit der Mehrwegeventile zur Regelung des Kühlsystems und der beiden Kühlkreisläufe, treten eine Reihe vorteilhafter technischer Effekte auf, die sich insgesamt positiv auf die Funktionalität, Effizienz, Kosten, Qualität und Lebensdauer des Kühlsystems und des elektrifizierten Trailers auswirken.
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Vorteilhafterweise wird dadurch ermöglicht, dass das Kühlmittel je nach Bedarf entweder isoliert durch den primären und den sekundären Kühlkreislauf zirkuliert, um die elektrische Antriebseinheit und die Batterieeinheit zu kühlen oder kombiniert in Verbindung einen gemeinsamen Kühlkreislauf zur Kühlung der elektrischen Antriebseinheit und der Batterieeinheit bildet. Damit resultiert eine intelligente und bedarfsgerechte Regelungsstrategie, die dynamisch auf unterschiedliche Betriebszustände und Umgebungssituationen reagieren kann, wodurch die Effizienz des gesamten Kühlsystems maximiert und gleichzeitig der Energiebedarf minimiert werden.
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Der primäre Kühlkreislauf allein könnte Wärmeenergie von der Batterieeinheit nur bis zu einer bestimmten Umgebungstemperatur effizient abführen. Da die Batterieeinheit im Vergleich zu Antriebskomponenten der elektrischen Antriebseinheit eine niedrigere Funktionstemperatur aufweisen, wird durch die Erfindung vorteilhafterweise ein zusätzlicher, aktiver sekundärer Kühlkreislauf bereitgestellt, um die Kühlung bei höheren Temperaturen sicherzustellen.
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Vorzugsweise kann das Kühlmittel durch die erste und zweite Kreislaufpumpenanordnung in einer ersten Strömungsrichtung den zu kühlenden Komponenten der elektrischen Antriebseinheit und der Batterieeinheit zugeführt werden. Weiter vorzugsweise kann das Kühlmittel in einer zweiten Strömungsrichtung, nachdem es die Komponenten zum Kühlen durchströmt hat, wieder in Richtung Wärmeübertrager oder Kälteanlage zurückgeführt werden. Hierdurch wird stets sichergestellt, dass beim Kühlvorgang aufgenommene Wärmeenergie stets an die Außenumgebung abgeführt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann die elektrische Antriebseinheit wenigstens einen Inverter und/oder wenigstens einen Converter aufweisen. Weiter vorzugsweise kann die elektrische Antriebseinheit einen Doppelantrieb aufweisen, wobei der Doppelantrieb zwei Elektromotoren und zwei dazugehörige Inverter umfassen kann, wobei die elektrische Antriebseinheit wenigstens einen Gleichspannungswandler aufweisen kann.
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Bevorzugterweise kann der Wärmeübertrager des primären Kühlkreislaufes als Radiator ausgebildet sein, wobei der Wärmeübertrager und der Lüfter als eine gemeinsame Radiator-Lüfter-Einheit ausgebildet sein können. Hierdurch entsteht eine einfach und kostengünstig zu fertigende, kompakte Bauteileinheit, worüber der primäre Kühlkreislauf betrieben werden kann und die Wärmeabfuhr an die Umgebung sichergestellt ist. Weiter vorzugsweise kann die erste Kreislaufpumpenanordnung als Kühlmittelpumpe ausgebildet sein kann, wobei die Kühlmittelpumpe die Radiator-Lüfter-Einheit im Betrieb als zusätzliche Hilfe für die Beförderung des Kühlmittels nutzen kann. Dies stellt insbesondere aus strömungsmechanischer und energetischer Hinsicht eine besonders effiziente Methodik dar. Hierdurch wird insgesamt die Energieeffizienz des Kühlsystems zusätzlich gesteigert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können alle Einzelkomponenten der elektrischen Antriebseinheit und das OnBoard-Ladegerät parallel zu dem Wärmeübertrager und Lüfter des primären Kühlkreislaufs angeordnet und geschaltet sein. Hierdurch kann das Kühlmittel beim Kühlvorgang des primären Kühlkreislaufes wahlweise die parallel gebildeten Kühlmittelkanäle und die daran angeknüpften Komponenten durchströmen und wieder zurück in Richtung Radiator-Lüfter-Einheit bzw. Wärmeübertrager und Lüfter strömen, um die aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebung abzugeben.
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Vorzugsweise kann die Batterieeinheit wenigstens einen HV-Batteriestrang aufweisen, wobei der wenigstens eine HV-Batteriestrang mindestens drei Antriebsbatteriepacks umfasst. Weiter vorzugsweise kann die Batterieeinheit drei HV-Batteriestränge aufweisen, wobei die drei HV-Batteriestränge jeweils drei Antriebsbatteriepacks umfassen, die mit dem Kühlmittel des Kühlsystems durchströmt und gekühlt werden. Die zu kühlende Batterieeinheit bzw. die Antriebsbatteriepacks der Batteriestränge sind elektrisch zusammengeschaltet und können vorzugsweise eine Gesamtnennspannung von 600 V bis 800 V, weiter vorzugsweise von etwa 650 V bis 660 V, insbesondere von 655 V aufweisen. Die zu kühlende Batterieeinheit bzw. die Antriebsbatteriepacks der Batteriestränge können eine Gesamtnennenergiekapazität von etwa 300 kWh aufweisen. Die Batteriestränge oder der Batteriestrang kann auch eine geringere oder größere Gesamtnennenergiekapazität aufweisen.
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Bevorzugterweise kann im sekundären Kühlkreislauf für jeden der drei HV-Batteriestränge jeweils ein Wärmeübertrager angeordnet sein, wobei im sekundären Kühlkreislauf zwei Verteilerelemente vorgesehen sein können, die einerseits über einen Kühlmittelkanal mit dem dritten und vierten Mehrwegeventil und andererseits über drei aufgesplittete Kühlmittelkanäle mit den drei Wärmeübertragern verbunden sind.
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Vorzugsweise können die Batteriestränge jeweils an ihren Kühlmittelzufuhr- und Abfuhrseiten weitere Verteilerelemente aufweisen, wobei die Verteilerelemente der Batteriestränge einerseits über jeweils einen Kühlmittelkanal mit der zweiten Kreislaufpumpenanordnung und mit den Wärmeübertragern verbunden sein können und andererseits jeweils drei aufgesplittete Kühlmittelkanäle zum Verbinden mit den Batteriesträngen aufweisen können. Durch die Verteilerelemente kann der Kühlmittelfluss vorteilhafterweise auf kostengünstige und einfache sowie zuverlässige Weise in drei Kanäle zu den Wärmeübertragern hin aufgeteilt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Wärmeübertrager des primären und/oder sekundären Kühlkreislaufes plattenförmig als Platten-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Dies hat sich als besonders effiziente und kostengünstige Methode beim Kühlen erwiesen. Gleichzeitig wird durch die Plattenform eine in Relation große Längsfläche des Sattelanhängerrahmens genutzt, da bei der Implementierung ohnehin Bauraumknappheit herrscht, erweist sich diese Maßnahme als besonders vorteilhaft. Die Plattenform unterstützt zudem eine gleichmäßige effiziente Wärmeübertragung und ist einfach sowie kostengünstig zu Fertigen.
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Bevorzugterweise kann die zweite Kreislaufpumpenanordnung des sekundären Kühlkreislaufs eine Wärmepumpenanordnung sein, wobei die Wärmepumpenanordnung bereits im Nutzfahrzeug bzw. Sattelanhänger installiert ist. Die zweite Kreislaufpumpenanordnung bzw. Wärmepumpenanordnung lässt das Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen des sekundären Kühlkreislaufs zirkulieren und sorgt für ausreichen Strömungsdruck. Da das Kühlsystem an eine bereits vorgesehene Wärmepumpenanordnung adaptierbar ist, wird der Energieverbrauch zusätzlich gesenkt und die Gesamtenergieeffizienz gesteigert. Der sekundäre Kühlkreislauf kann in Bezug auf die Batterieeinheit damit effizient betrieben werden und wahlweise mit der Kälteanlage in Verbindung gebracht werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Kühlmittel ein Wasser-Glykol-Gemisch sein. Das Kühlmittel bzw. das Wasser-Glykol-Gemisch kann derart zusammengesetzt sein, dass es sowohl im primären als auch im sekundären Kühlkreislauf zum Kühlen der einzelnen Komponenten einsetzbar ist. Hierdurch wird vorteilhafterweise ein einziges Kühlmittel bereitgestellt, das für die Kühlung in beiden Kühlkreisläufe effektiv genutzt werden kann und eine zuverlässige Verbindung der Kühlkreisläufe ermöglicht.
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Bevorzugterweise kann eine automatische und adaptive Regelung mittels des Kühlsystems und der Mehrwegeventile umgesetzt werden, die durch Nutzung von speziellen Algorithmen und Zustandsparametern eine automatische Anpassung des Kühlsystems bereitstellt. Damit erfolgt vorteilhafterweise eine automatisierte Anpassung an unterschiedliche Kühlbedürfnisse. Weiter vorzugsweise können adaptive Regelalgorithmen implementiert sein, die nicht nur auf festen Grenzwerten basieren, sondern dynamisch auf Veränderungen im Betriebszustand des Sattelanhängers und der Umgebung reagieren. Damit kann die Effizienz des Kühlsystems weiter verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können wenigstens vier Mehrwegeventile vorgesehen sein, wobei der primäre Kühlkreislauf ein erstes und ein zweites Mehrwegeventil umfasst, und wobei der sekundäre Kühlkreislauf ein drittes und ein viertes Mehrwegeventil umfasst. Dadurch, dass in jedem Kühlkreislauf jeweils zwei schaltbare Mehrwegeventile vorgesehen sind, eröffnen sich mehrere Kanalverbindungs- und Schaltmöglichkeiten, um die gewünschten Kreisläufe abzubilden. Durch eine intelligente Steuerung dieser vier Mehrwegeventile, das bedeutet durch ein gezieltes Öffnen oder Schließen von Kühlmittelkanälen innerhalb der Kühlkreisläufe, wird der energieintensivere sekundäre aktive Kühlkreislauf nur bei Bedarf eingesetzt, insbesondere für die Kühlung der Batterieeinheit. In anderen Betriebszuständen reicht auch der passive primäre Kühlkreislauf aus. Durch diese bedarfsgerechte Aktivierung und Schaltung der Kühlkreisläufe, wird der elektrische Energieverbrauch signifikant reduziert und die Reichweite des elektrifizierten Sattelanhängers wird erhöht. Neben der Reduzierung der Betriebskosten führen geringerer Verschleiß und längere Wartungsintervalle auch zu niedrigeren Wartungskosten. Dies wirkt sich insgesamt auch positiv auf die Gesamtbetriebskosten des elektrifizierten Trailers aus.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das zweite Mehrwegeventil wahlweise das OnBoard-Ladegerät parallel zur elektrischen Antriebseinheit mit dem primären Kühlkreislauf verbinden, wobei das erste Mehrwegeventil wahlweise den primären Kühlkreislauf mit dem sekundären Kühlkreislauf verbinden kann. Die parallele Schaltung und Anordnung des OnBoard-Ladegeräts eignet sich besonders gut für die gezielte Einbindung des Ladegeräts in den primären Kühlkreis oder für die gezielte Isolierung vom primären Kühlkreislauf beispielsweise über eine Bypass-Schaltung. Durch die wahlweise Verbindungsmöglichkeit der beiden Kühlkreisläufe je nach Bedarf über das erste Mehrwegeventil, kann die Kühlung der Batterieeinheit von den anderen Komponenten der elektrischen Antriebseinheit vorteilhafterweise entkoppelt werden, wodurch eine bedarfsgerechte Temperaturregelung umsetzbar ist. Der damit erzielte geringere Betrieb des sekundären Kühlkreislaufs führt zu weniger Verschleiß und verlängert somit die Wartungsintervalle des Systems bzw. der Mehrwegeventile und der weiteren Komponenten des Systems. Dadurch wird wiederum die Lebensdauer des Gesamtsystems gesteigert.
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Bevorzugterweise können die Mehrwegeventile als 3/2-Wege-Ventile ausgebildet sein, wobei die Mehrwegeventile über eine gemeinsame Steuereinheit gesteuert und geschaltet werden können. Die 3/2-Wege-Ventile eignen sich besonders gut für die gewünschten Schaltungen und Betriebsmodi, weil die Ventile drei Wege und zwei Schaltstellungen umfassen. Damit können alle vorgesehenen Kreisläufe oder Teilkreisläufe und Kombinationen beim Kühlen umgesetzt werden. Die Ausbildung als gemeinsame Steuereinheit vereinfacht zudem die Steuerung softwareseitig und stellt eine einfache Implementierungsschnittstelle für Algorithmen und Funktionen bereit. Durch die vier hochintegrierten 3/2-Wege-Ventile bildet sich ein Konvolut an Mehrwegeventilen, das eine flexible und intelligente Steuerung der Kühlkreisläufe zusätzlich unterstützt. Durch die Integration können die Kühlkreisläufe je nach Bedarf kombiniert oder isoliert werden, was eine effizientere Kühlung ermöglicht und den Energiebedarf des Gesamtsystems reduziert.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können separate Steuereinheiten vorgesehen sein, wobei die zwei Steuereinheiten des primären und sekundären Kühlkreislaufes signalverbunden sind und im Rahmen des Kühlsystem gemeinsam und aufeinander abgestimmt agieren und betrieben werden können. Hierdurch können Flexibilität und Effizienz gesteigert werden, mit der die Temperaturkontrolle für die elektrische Antriebseinheit und die Batterieeinheit gehandhabt wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante können die Mehrwegeventile separat ausgebildet und an verschiedenen Positionen im Kühlsystem angeordnet sein, wobei die Mehrwegeventile derart ausgebildet sind, dass sie modular in verschiedene Positionen des Kühlsystems integriert werden können. Diese Flexibilität ermöglicht vorteilhafterweise eine breitere Anwendbarkeit des Konvoluts von Mehrwegeventilen in verschiedenen Fahrzeugkonfigurationen und erleichtert zudem die Anpassung an spezifische Designanforderungen. Aufgrund der dadurch geschaffenen, modularen Integrierbarkeit, resultiert eine einfachere Installation und Wartung des Systems, was gleichzeitig zu einer verbesserten Anpassungsfähigkeit des Kühlsystems führt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann Das Konvolut von Mehrwegeventilen, bzw. können die vier Mehrwegeventile, einteilig und stoffeinheitlich ausgebildet sein, wobei die einzelnen Wege der vier Mehrwegeventile an einem gemeinsamen Grundkörper ausgebildet sein könne. Hierdurch wird vorteilhafterweise Bauraum eingespart. Vorzugsweise können die Wege derart angeordnet sein am Grundkörper, dass eine fluiddichte Anbindung der Leitungen bzw. Kühlmittelkanäle an die Ventile über Schellen problemlos realisierbar ist. Weiter vorzugsweise kann der gemeinsame Grundkörper, der alle vier Mehrwegeventile umfasst, hohlzylindrisch ausgebildet sein. Dies bietet eine besonders kompakte Lösung, die kostengünstig und einfach in der Fertigung ist und gleichzeitig Bauraum einspart. Ein Nachteil des Ventilvorrichtungskonvoluts kann nämlich der zusätzliche Raum sein, der für die Installation benötigt wird. Im Vergleich zu einem klassischen Kühlsystem, das ohne ein Konvolut aus vier Mehrwegeventilen auskommt, benötigen die Ventilpositionen im Ventilvorrichtungskonvolut mehr Platz. Dies kann insbesondere in Fahrzeugkonstruktionen, bei denen der verfügbare Raum ohnehin begrenzt ist, zu Schwierigkeiten führen. Dem wird durch die genannten Maßnahmen signifikant entgegengewirkt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der primäre Kühlkreislauf wenigstens zwei parallele Kühlmittelkanäle aufweisen, wobei der primäre Kühlkreislauf über die wenigstens zwei Kühlmittelkanäle mit dem sekundären Kühlkreislauf verbindbar sein kann, und wobei die zwei Kühlmittelkanäle nach der ersten Kreislaufpumpenanordnung des primären Kühlkreislaufs angeordnet sein können. Die Kühlmittelkanäle stellen eine einfache Verbindungsmöglichkeit dar und werden vorteilhafterweise zum Verbinden und kombinierten Betrieb beider Kühlkreisläufe genutzt. Das Kühlmittel kann dadurch wahlweise je nach Betriebszustand und Temperaturanforderungen der verschiedenen Komponenten optimal verteilt werden. Dies führt zu einer signifikanten Effizienzsteigerung des gesamten Kühlsystems, indem es die Kühlkapazität innerhalb des Kühlsystems immer dort konzentriert, wo sie am dringendsten benötigt wird, und gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch für die Kühlung minimiert.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann ein erster der zwei Kühlmittelkanäle über das erste Mehrwegeventil mit dem primären Kühlkreislauf verbindbar sein, wobei ein zweiter der zwei Kühlmittelkanäle über ein T-Element mit dem primären Kühlkreislauf verbunden sein kann. Hierdurch können die Mehrwegeventile je nach Bedarf und gewünschtem Betriebsmodus des Kühlungssystems, gezielt an Verbindungspositionen der Kühlmittelkanäle des Kühlungssystems agieren und die Kanäle Öffnen oder Verschließen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die zwei Kühlmittelkanäle über das dritte und das vierte Mehrwegeventil einerseits mit der Kälteanlage und andererseits mit dem wenigstens einen Wärmeübertrager des sekundären Kühlkreislaufs verbunden sein. Hierdurch kann die Kälteanlage innerhalb des sekundären Kühlkreislaufes je nach Wunsch dazugeschaltet oder isoliert werden. Dies führt in der Gesamtbetrachtung zu einer zusätzlichen Verbesserung der Energieeffizienz des Kühlungssystems bzw. der Mehrwegeventile.
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Bevorzugterweise kann der primäre Kühlkreislauf an jedem Kühlmittelkanal einer Komponente der elektrischen Antriebseinheit einen Durchflusssensor aufweisen. Weiter vorzugsweise können beide Kühlkreisläufe einen oder mehrere Drucksensoren zur Druckmessung in den jeweiligen Kühlmittelkanälen aufweisen. Hierdurch kann vorteilhafterweise während der Kühlung stets kontrolliert werden, ob ausreichend Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen fließt und es können Druckwerte für die Steuerung der Kühlkreisläufe abgeleitet werden.
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Die erste Kreislaufpumpenanordnung des primären Kühlkreislaufs kann vorzugsweise kühlmittelzufuhr- und abfuhrseitig jeweils über einen Verdichter abgebildet sein. Die erste Kreislaufpumpenanordnung kann vorzugsweise kühlmittelzufuhr- und abfuhrseitig entsprechend mit jeweils einem Drucksensor ausgestattet sein, wobei ein erster Drucksensor kühlmittelzufuhrseitig an einer Ausgangsseite des ersten Verdichters angeordnet sein kann, und wobei ein zweiter Drucksensor kühlmittelabfuhrseitig an einer Eingangsseite des zweiten Verdichters der ersten Kreislaufpumpenanordnung angeordnet sein kann. Dadurch werden stets ein Druckverhältnis und eine mögliche Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang ermittelt, um eventuellen Druckverlusten zeitnah und lokal entgegenwirken zu können.
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Bevorzugterweise können fortschrittliche, moderne Sensoren zur präzisen Messung von Drücken, Temperaturen und Durchflussraten vorgesehen sein. Damit kann die Genauigkeit der Steuerung zusätzlich verbessert werden. Zudem kann die Nutzung von Datenanalysemethoden und maschinellem Lernen zur Vorhersage und Anpassung der Kühlanforderungen in Echtzeit vorgesehen sein, um die Reaktionsfähigkeit und Effizienz des Systems noch weiter zu erhöhen.
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Vorzugsweise kann der primäre Kühlkreislauf wenigstens einen Ausgleichsbehälter bzw. Ausdehnungsbehälter umfassen, wobei der Ausgleichsbehälter parallel zu dem Wärmeübertrager und zwischen der ersten Kreislaufpumpenanordnung und dem Wärmeübertrager am primären Kühlkreislauf angeordnet sein kann. Weiter vorzugsweise kann der sekundäre Kühlkreislauf für jeden der drei Batteriestränge jeweils einen weiteren Ausgleichsbehälter aufweisen, wobei die Ausgleichsbehälter des sekundären Kühlkreislaufes zwischen der Batterieeinheit, das bedeutet den drei Batteriesträngen und den sechs eingangs- und ausgangsseitig angeordneten Verteilerelementen, und der zweiten Kreislaufpumpenanordnung angeordnet sein können. Die Ausgleichsbehälter (auch Ausdehnungsgefäße genannt) des Kühlsystems sorgen für einen konstanten Druck in der Gesamtanlage. Der Ausgleichsbehälter nimmt überschüssiges Kühlmittel auf und minimiert den Überdruck im Kühlsystem. Ein Ausgleichsbehälter trägt vorteilhafterweise dazu bei, dass der Druckanstieg während der Ausdehnung der erhitzten Kühlflüssigkeit minimal bleibt. Er hilft dabei, die elektrische Antriebseinheit und die Batterieeinheit genau mit der richtigen Temperatur zu betreiben bzw. zu temperieren.
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Weiter vorzugsweise kann jeder der drei Batteriestränge innerhalb des sekundären Kühlkreislaufs einen eigenen inneren Teilkreislauf mit seinem zugeordneten Wärmeübertrager ausbilden, so dass die Ausgleichsbehälter gleichzeitig jeweils zwischen einem Kühlmittelzufuhrkanal und einem Kühlmittelabfuhrkanal eines Teilkreislaufes eines Batteriestranges angeordnet sein kann.
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Die nachstehenden zusätzlichen Maßnahmen und Ausführungsformen zielen hauptsächlich darauf ab, die Mehrwegeventile nicht nur in ihrer unmittelbaren Funktion zu verbessern, sondern gleichzeitig auch die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Kühlsystems in elektrifizierten Sattelanhängern zu erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Mehrwegeventile energieeffiziente, moderne Antriebe aufweisen, wobei die Mehrwegeventile eine zusätzliche Rückgewinnungseinrichtung umfassen können. Vorteilhafterweise wird damit eine Reduktion des Energieverbrauchs der Ventilsteuerung selbst bewirkt. In der Gesamtbetrachtung kann damit die Gesamtenergieeffizienz des elektrifizierten Sattelanhängers und des Kühlsystems zusätzlich verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Mehrwegeventile als proportional steuerbare Ventile ausgebildet sein. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine feinere Abstimmung der Durchflussraten erzielt werden, welche in bestimmten Betriebszuständen Vorteile bieten kann.
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Weiter vorzugsweise kann die Regelung der Kühlung der elektrischen Antriebseinheit und der Batterieeinheit sowie die Schaltung der Mehrwegeventile des primären und sekundären Kühlkreislaufs in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur und eines Betriebszustands der Batterieeinheit erfolgen, wobei die Batterieeinheit in einem Entladebetrieb betrieben werden kann, wenn die elektrische Antriebseinheit antreibend wirkt, und wobei die Batterieeinheit in einem Ladebetrieb betrieben werden kann, wenn das OnBoard-Ladegerät angeschlossen ist oder wenn die elektrische Antriebseinheit bremsend wirkt.
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Bevorzugterweise kann der primäre Kühlkreislauf passiv ausgebildet sein. Dieser Kühlkreislauf kann vorzugsweise aus einem herkömmlichen Kühlwassersystem gebildet sein, in dem die durch das Kühlwasser aufgenommene Energie durch die Radiator-Lüfter-Einheit an die Umgebung abgegeben werden kann. Der primäre Kühlkreislauf ist für die Kühlung der elektrischen Antriebseinheit und des OnBoard-Ladegeräts zuständig. Diese Komponenten operieren in einem vergleichsweise hohen Temperaturbereich, weshalb eine passive Kühlung, die von der Umgebungstemperatur abhängig ist, ausreichend effektiv ist. Damit wird eine Überdimensionierung vermieden und der Energieverbrauch wird weiter reduziert.
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Im Gegensatz dazu kann der sekundäre Kühlkreislauf aktiver Natur sein. Hier wird die im Kühlwasser gespeicherte Energie durch einen Wärmeübertrager, der in der Kälteanlage integriert ist, an die Umgebung abgegeben. Dies geschieht vorzugsweise durch einen Phasenübergang des Kühlmittels von gasförmig zu flüssig. Dieser Kreislauf ist speziell für die Kühlung der Batterieeinheit konzipiert, da diese einen niedrigeren thermischen Betriebsbereich als die übrigen Komponenten aufweist und auch bei hohen Umgebungstemperaturen effektiv gekühlt werden muss.
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Durch die intelligente Steuerung der Mehrwegeventile in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur und eines Betriebszustands der Batterieeinheit, wird der energieintensivere sekundäre aktive Kühlkreislauf nur bei Bedarf aktiviert, speziell für die Kühlung der Batteriestränge der Batterieeinheit. In anderen Betriebszuständen reicht der passive primäre Kühlkreislauf aus, was den elektrischen Energieverbrauch noch weiter reduziert und somit die Reichweite des elektrifizierten Sattelanhängers zusätzlich erhöht. Insgesamt wird damit eine intelligente Steuerungsfähigkeit bereitgestellt, die es ermöglicht, den Kühlbedarf dynamisch an die jeweiligen Umgebungsbedingungen anzupassen. Dies bedeutet, dass das System in der Lage ist, die Kühlleistung basierend auf der aktuellen Umgebungstemperatur und den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs automatisch zu regulieren. Dies trägt positiverweise wesentlich zur Energieeffizienz und zur Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen für die Komponenten der Batterieeinheit und elektrischen Antriebseinheit bei.
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Vorzugsweise kann die Batterieeinheit bzw. können die einzelnen Batteriestränge und Antriebsbatteriepacks der Batterieeinheit im Ladebetrieb eine Einsatz- und Betriebstemperatur von 0 °C bis 60 °C aufweisen. Weiter vorzugsweise kann die Batterieeinheit bzw. können die einzelnen Batteriestränge und Antriebsbatteriepacks der Batterieeinheit im Entladebetrieb eine Einsatz- und Betriebstemperatur von -30 °C bis 60 °C aufweisen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mehrwegeventile in einem ersten Betriebsmodus, bei dem die Umgebungstemperatur mindestens 15° C beträgt und die Batterieeinheit im Entladebetrieb betrieben wird, derart geschaltet sind, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf unabhängig voneinander und isoliert betrieben werden, wobei der primäre Kühlkreislauf beim Kühlen alle Einzelkomponenten der elektrischen Antriebseinheit und den Wärmeübertrager durchströmt, und wobei der sekundäre Kühlkreislauf beim Kühlen die Kälteanlage, die Verteilerelemente, die Wärmeübertrager und die Batterieeinheit durchströmt. Durch diese intelligente Schaltung und Nutzung der Mehrwegeventile wird eine optimale Kühlung der verschiedenen Komponenten gewährleistet, während gleichzeitig die Energieeffizienz des Gesamtsystems maximiert wird. Diese differenzierte und unabhängige Steuerung der Kühlkreisläufe trägt wesentlich zur Leistungssteigerung und zur Reduzierung des Energieverbrauchs des elektrifizierten Sattelanhängers bei. Dieser Modus betrifft insbesondere Fahrten mit dem Sattelanhänger und dem Kühlsystem bei hohen Umgebungstemperaturen, wenn die Batterieeinheit entladen wird und die Elektromotoren den Sattelanhänger antreiben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mehrwegeventile in einem zweiten Betriebsmodus, bei dem die Umgebungstemperatur weniger als 15° C beträgt und die Batterieeinheit im Entladebetrieb betrieben wird, derart geschaltet sind, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf kombiniert in Verbindung miteinander betrieben werden, wobei der kombinierte Kühlkreislauf beim Kühlen alle Einzelkomponenten der elektrischen Antriebseinheit und den Wärmeübertrager des primären Kühlkreislaufes sowie die Verteilerelemente, die Wärmeübertrager und die Batterieeinheit des sekundäre Kühlkreislaufes durchströmt. Durch diese gezielte Schaltung der Mehrwegeventile wird im zweiten Betriebsmodus vorteilhafterweise eine optimale Nutzung der Kühlressourcen erreicht. Dies ermöglicht eine effiziente Kühlung der Antriebsbatteriepacks der Batterieeinheit und der Antriebskomponenten der elektrischen Antriebseinheit, selbst bei niedrigeren Umgebungstemperaturen, und trägt gleichzeitig erheblich zur Energieeffizienz des gesamten Kühlsystems bei. Dieser Modus betrifft insbesondere Fahrten mit dem Sattelanhänger und dem Kühlsystem bei niedrigen Umgebungstemperaturen, wenn die Batterieeinheit entladen wird und die Elektromotoren den Sattelanhänger antreiben.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Mehrwegeventile in einem dritten Betriebsmodus, bei dem die Umgebungstemperatur mindestens 20° C beträgt und die Batterieeinheit im Ladebetrieb betrieben wird, derart geschaltet sind, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf unabhängig voneinander und isoliert betrieben werden, wobei der primäre Kühlkreislauf beim Kühlen das OnBoard-Ladegerät und den Wärmeübertrager durchströmt, und wobei der sekundäre Kühlkreislauf beim Kühlen die Kälteanlage, die Verteilerelemente, die Wärmeübertrager und die Batterieeinheit durchströmt. Diese isolierte Betriebsstrategie maximiert die Effizienz des Kühlsystems, indem sie die Anforderungen an das Kühlmittel und den Energieverbrauch je nach Betriebszustand des Trailers optimal anpasst. Dieser Modus betrifft insbesondere Ladesituationen des elektrifizierten Sattelanhängers (Ruhelage), wenn ein entsprechender Ladestecker an das OnBoard-Ladegerät angeschlossen ist und die Batterieeinheit mit externer Energie auflädt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Mehrwegeventile in einem vierten Betriebsmodus, bei dem die Umgebungstemperatur weniger als 20° C beträgt und die Batterieeinheit im Ladebetrieb betrieben wird, derart geschaltet sind, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf kombiniert in Verbindung miteinander betrieben werden, wobei der kombinierte Kühlkreislauf beim Kühlen das OnBoard-Ladegerät und den Wärmeübertrager des primären Kühlkreislaufes sowie die Verteilerelemente, die Wärmeübertrager und die Batterieeinheit des sekundären Kühlkreislaufes durchströmt. Insgesamt bietet dieser Betriebsfall eine optimierte Lösung zur effizienten Kühlung der Batterieeinheit beim Laden unter niedrigen Umgebungstemperaturen und trägt damit zur Gesamteffizienz und Kosteneffektivität des elektrifizierten Sattelanhängers und des Kühlsystems bei.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Kälteanlage ein PTC-Heizelement zur Vorkonditionierung der Batterieeinheit umfassen, wobei die Batterieeinheit durch das PTC-Heizelement im sekundären Kühlkreislauf auf eine Betriebstemperatur oberhalb von 0° C temperiert werden kann, wenn die Umgebungstemperatur des Kühlsystems vor Beginn eines Ladebetriebs der Batterieeinheit weniger als 0° C beträgt. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann das Temperaturdelta zwischen dem Kühlsystem und der Umgebung vor allem für die Batterieeinheit kritisch werden. Ein zu hohes Delta kann die thermische Integrität der Batteriezellen beeinträchtigen, was zu reduzierter Lebensdauer, Leistungsminderung oder sogar Schäden der Batterieeinheit führen kann. Das Vorkonditionieren mittels des PTC-Heizelements der Kälteanlage wirkt dem signifikant entgegen.
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Das Kühlsystem kann im Vorkonditionierungsmodus vorzugsweise analog zum dritten Betriebsmodus geschaltet und geregelt sein. Im Fall der Vorkonditionierung der Batteriestränge der Batterieeinheit zur Erreichung eines optimalen thermischen Betriebsfensters, sorgen die vier Mehrwegeventile dafür, dass das durch das PTC-Element erwärmte Kühlmittel ausschließlich die Antriebsbatterien erwärmt, ohne andere, weniger temperaturempfindliche Antriebskomponenten zu beeinflussen. Dies verbessert die Gesamtenergieeffizienz des Kühlsystems sowie die Effizienz und Langlebigkeit des elektrifizierten Sattelanhängers zusätzlich. Andererseits kann in kälteren Klimazonen, wo Temperaturen unter 10°C, insbesondere unter 0°C für die Batteriesysteme sehr schädlich sein können, ein Bedarf an einer effizienten Erwärmung bzw. Vortemperierung des Systems bestehen. Solche niedrigen Temperaturen können die Leistung und Lebensdauer der Batterien erheblich beeinträchtigen, weshalb die Maßnahme des integrierten PTC-Heizelements eine besonders vorteilhafte Lösung darstellt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann das zweite Mehrwegeventil des primären Kühlkreislaufs im Entladebetrieb der Batterieeinheit derart geschaltet sein, dass es eine Bypass-Schaltung für das OnBoard-Ladegerät bildet und eine Strömung des Kühlmittels in den Kühlmittelkanal des OnBoard-Ladegeräts verhindert. Damit wird vorteilhafterweise eine effektive Reduzierung des Druckwiderstands innerhalb der Kühlkreisläufe und Mehrwegeventile erzielt. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die durch das verbesserte Kühlsystem erzielte Effizienz nicht durch erhöhten Druckverlust in den Kühlmittelkanälen neutralisiert wird. Ein geringer Druckwiderstand gewährleistet eine effiziente Durchflussrate des Kühlmittels, was wiederum die Gesamtleistung des Kühlsystems weiter verbessern kann. Mittels der durch die Mehrwegeventile umsetzbaren Bypass-Schaltungen eröffnet sich positiverweise die Möglichkeit, verschiedene Nebenaggregate des Systems bewusst zu umgehen, wenn ein Durchströmen unnötig und verlustbehaftet ist. Dadurch werden nur die Komponenten mit dem Kühlmittel versorgt, die je nach aktuellem Zustand der elektrischen Antriebseinheit und Batterieeinheit Kühlung benötigen. Diese Anpassung reduziert den entstehenden Gegendruck im Kühlsystem auf ein Minimum, was die Gesamteffizienz des Thermomanagements noch weiter steigert. Da das OnBoard-Ladegerät während der Fahrt ohnehin nicht benötigt wird (weil die Antriebsbatteriepacks nicht geladen werden), kann der Gegendruck in der Leitung und insbesondere in dem Kühlmittelkanal des OnBoard-Ladegeräts umgangen werden. Diese Maßnahme reduziert die benötigte Pumpenleistung und somit den Energieverbrauch des Kühlsystems.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform können das zweite Mehrwegeventil des primären Kühlkreislaufs und ein zusätzliches Rückschlagventil im Ladebetrieb der Batterieeinheit derart geschaltet sein, dass die elektrische Antriebseinheit von dem primären Kühlkreislauf isoliert ist und nicht von dem Kühlmittel durchströmt wird. Damit wird der Energieverbrauch weiter gesenkt, weil die Komponenten der elektrischen Antriebseinheit im Ladebetrieb der Batterieeinheit nicht aktiv sind und entsprechend wenig bis keine Wärmeenergie erzeugen. Durch die gezielte Isolation der elektrischen Antriebseinheit, kann das Kühlmittel das OnBoard-Ladegerät effektiver kühlen und es muss Rückführen durch den Wärmeübertrager weniger Wärmeenergie an die Umgebung abgeleitet werden. Dies verbessert die Effizienz des Kühlsystems weiterhin.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Kühlsystem einen Notfallkreislauf für einen Notbetrieb aufweisen, wobei der Notfallkreislauf einen Teilkreislauf des primären Kühlkreislaufes bilden kann. Der Notfallkreislauf kann zu Pumpzwecken wenigstens einen Verdichter und zwei Rückschlagventile aufweisen, die im Notbetrieb eingeschaltet werden bzw. derart geschaltet werden, dass der Notbetrieb weiterhin die gewünschten Komponenten bzw. das zirkulierende Kühlmittel sicher kühlt. Hierdurch können die Batterieeinheit und die Komponenten der elektrischen Antriebseinheit trotzt eines Notbetriebs weiterhin effektiv und sicher gekühlt werden. Dies führt zu einer Optimierung der Einsatzfähigkeit und Robustheit des Kühlsystems.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann das Nutzfahrzeug durch ein Gespann aus einer Zugmaschine und einem daran angekoppelten Anhänger mit wenigstens einer, vorzugsweise mit drei Anhängerachsen, gebildet sein, wobei der Anhänger die elektrische Antriebseinheit und die Batterieeinheit aufweisen kann, und wobei das Kühlsystem an dem elektrifizierten Anhänger vorgesehen sein kann.
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Weiter vorzugsweise kann das Nutzfahrzeug ein Sattelzug sein und durch ein Gespann aus einer herkömmlichen, dieselmotorisch angetriebenen Sattelzugmaschine und einem daran angekoppelten Sattelanhänger mit drei Anhängerachsen gebildet sein, wobei der Sattelanhänger die elektrische Antriebseinheit und die Batterieeinheit aufweisen kann, und wobei das Kühlsystem an dem elektrifizierten Sattelanhänger vorgesehen sein kann.
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Noch weiter vorzugsweise kann die elektrische Antriebseinheit an einer mittleren der drei Anhängerachsen des Sattelanhängers angeordnet sein, wobei die Batterieeinheit an einer Unterseite eines Sattelanhängerrahmens gelagert sein kann.
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In der Gesamtbetrachtung bieten die erfindungsgemäßen Mehrwegeventile und das erfindungsgemäße Kühlsystem insgesamt eine flexiblere und effizientere Lösung, um die unterschiedlichen Kühlbedürfnisse eines elektrifizierten Nutzfahrzeugs bzw. Sattelanhängers zu erfüllen und tragen wesentlich zur Leistungssteigerung bei.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Kühlsystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Kühlsystems,
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Kühlsystems,
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
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Das allgemein in 1 bis 4 mit 10 bezeichnete Kühlsystem ist ein Hochvolt-Batterie-Kühlsystem und ist an einem elektrifizierten Sattelanhänger (nicht dargestellt) eines Nutzfahrzeugs implementiert. Insbesondere unterstützt der elektrifizierte Sattelanhänger dabei mit einem Elektroantrieb einen verbrennungsmotorischen Hauptantrieb einer Zugmaschine, an welche der Sattelanhänger angekoppelt ist.
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Das Kühlsystem 10 umfasst eine Batterieeinheit 5', ein OnBoard-Ladegerät 14 zum Laden der Batterieeinheit 5' mit extern zugeführter elektrischer Energie und eine durch die elektrische Energie der Batterieeinheit 5' angetriebene bzw. antreibbare elektrische Antriebseinheit 5. Zum Aufladen der Batterieeinheit 5' kein ein zu dem OnBoard-Ladegerät 14 korrespondierender Ladestecker eingesteckt werden.
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Die elektrische Antriebseinheit 5 weist einen Doppelantrieb auf, welcher durch zwei Elektromotoren 12 und zwei dazugehörigen Invertern 12' gebildet ist. Zudem weist die elektrische Antriebseinheit 5 einen Gleichspannungswandler 13 (DCDC-Wandler) auf. Die Elektromotoren 12 treiben dabei eine Achse des Sattelanhängers an oder bremsen den elektrifizierten Sattelanhänger im Generatorbetrieb ab.
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Die Batterieeinheit 5' umfasst drei HV-Batteriestränge 15, wobei die drei HV-Batteriestränge 15 jeweils drei Antriebsbatteriepacks umfassen, die mit dem Kühlmittel des Kühlsystems durchströmt und gekühlt werden.
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Das Kühlsystem 10 umfasst einen primären Kühlkreislauf 2 eines Kühlmittels zum Kühlen der elektrischen Antriebseinheit 5 und des OnBoard-Ladegeräts 14. Das Kühlsystem 10 umfasst zudem einen sekundären Kühlkreislauf 4 zum Kühlen der Batterieeinheit 5'. Der primäre Kühlkreislauf 2 weist eine erste Kreislaufpumpenanordnung 7 sowie einen als Radiator-Lüfter-Einheit ausgebildeten Wärmeübertrager 17 und Lüfter 18 auf, durch die die in dem Kühlmittel beim Kühlen aufgenommene Wärmeenergie an die Außenumgebung abgeführt wird. Der primäre Kühlkreislauf 2 ist indirekt bzw. passiv ausgebildet, wobei die erste Kreislaufpumpenanordnung 7 eine Kühlmittelpumpenanordnung ist.
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Der sekundäre Kühlkreislauf 4 umfasst eine zweite Kreislaufpumpenanordnung 7', drei Wärmeübertrager 16 und eine Kälteanlage 19. Die drei Wärmeübertrager 16 sind plattenförmig ausgebildet. In die Kälteanlage 19 ist ein PTC-Heizelement zum Vorwärmen bzw. Vorkonditionieren der Batterieeinheit 5' für den Ladebetrieb integriert. Die Batterieeinheit 5' kann durch das PTC-Heizelement im sekundären Kühlkreislauf 4 auf eine Betriebstemperatur oberhalb von 0° C temperiert werden, wenn die Umgebungstemperatur des Kühlsystems vor Beginn eines gewünschten Ladebetriebs der Batterieeinheit 5' weniger als 0° C beträgt.
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Die zweite Kreislaufpumpenanordnung 7' des sekundären Kühlkreislaufs 4 ist eine Wärmepumpenanordnung, die bereits an dem Nutzfahrzeug vorinstalliert ist. Die Wärmepumpenanordnung lässt das Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen des sekundären Kühlkreislaufs 4 zirkulieren.
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Im Gegensatz zum primären Kühlkreislauf 2, ist der sekundäre Kühlkreislauf 4 aktiver Natur. Die Kälteanlage 19 ist als Kompressionskälteaggregat ausgebildet und die im Kühlmittel gespeicherte Energie wird durch einen Wärmeübertrager in der Kälteanlage an die Umgebung abgegeben. Dies geschieht im sekundären Kühlkreislauf 4 vermittels der Kälteanlage 19 durch einen gezielt hervorgerufenen Phasenübergang des Kühlmittels von gasförmig zu flüssig.
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Im sekundären Kühlkreislauf 4 ist für jeden der drei HV-Batteriestränge 15 der Batterieeinheit 5' jeweils ein Wärmeübertrager 16 angeordnet, wobei im sekundären Kühlkreislauf 4 zwei Verteilerelemente 11 vorgesehen sind, die einerseits über einen Kühlmittelkanal mit dem dritten und vierten Mehrwegeventil 23, 24 und andererseits über drei aufgesplittete Kühlmittelkanäle mit den drei Wärmeübertragern 16 verbunden sind.
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Des Weiteren umfasst das Kühlsystem 10 vier schaltbare 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 zum Regulieren des Kühlmitteldurchflusses in den beiden Kühlkreisläufen 2, 4. Der primäre Kühlkreislauf 2 umfasst dabei ein erstes und ein zweites 3/2-Wege-Ventil 21, 22, wobei der sekundäre Kühlkreislauf 4 ein drittes und ein viertes 3/2-Wege-Ventil 23, 24 aufweist.
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Die Kühlkreisläufe 2, 4 sind über die vier 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 derart miteinander verbindbar oder voneinander trennbar, dass sie zur Kühlung der elektrischen Antriebseinheit 5 und der Batterieeinheit 5' wahlweise je nach Betriebsmodus unabhängig voneinander und isoliert oder kombiniert in Verbindung betrieben werden können. Die Kühlkreisläufe 2, 4 und die 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 werden über eine gemeinsame Steuereinheit gesteuert und geschaltet.
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Wie man erkennt, sind alle Einzelkomponenten der elektrischen Antriebseinheit 5 und das OnBoard-Ladegerät 14 parallel zu dem Wärmeübertrager 17 und Lüfter 18 bzw. zu der Radiator-Lüfter-Einheit des primären Kühlkreislaufs 2 angeordnet und geschaltet.
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Das zweite Mehrwegeventil 22 des primären Kühlkreislaufes 2 kann wahlweise das OnBoard-Ladegerät 14 parallel zur elektrischen Antriebseinheit 5 mit dem primären Kühlkreislauf 2 verbinden, wobei das erste Mehrwegeventil 21 wahlweise den primären Kühlkreislauf 2 mit dem sekundären Kühlkreislauf 4 verbinden kann.
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Dazu weist der primäre Kühlkreislauf 2 wenigstens zwei parallele Kühlmittelkanäle 8 auf, die mit dem sekundären Kühlkreislauf 4 verbindbar sind, wobei die zwei Kühlmittelkanäle 8 nach der ersten Kreislaufpumpenanordnung 7 des primären Kühlkreislaufs 2 angeordnet sind.
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Ein erster der zwei Kühlmittelkanäle 8 ist dabei über das erste Mehrwegeventil 21 mit dem primären Kühlkreislauf 2 verbindbar und leitet wahlweise das Kühlmittel aus dem primären Kühlkreislauf 2 in den sekundären Kühlkreislauf 4.
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Ein zweiter der zwei Kühlmittelkanäle 8 ist über ein T-Element mit dem primären Kühlkreislauf 2 verbunden und kann wahlweise für eine Rückführung des Kühlmittels aus dem sekundären Kühlkreislauf 4 in den primären Kühlkreislauf 2 sorgen.
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Der zweite Kühlmittelkanal 8 weist zudem ein Rückschlagventil 6 auf, wobei der primäre Kühlkreislauf 2 weitere Rückschlagventile umfasst, welche wahlweise eingesetzt werden können, um eine bedarfsgerechte Kühlung der elektrischen Antriebseinheit 5 und der Batterieeinheit 5' zu erzielen. Die Kühlmittelkanäle 8 sind über das dritte und vierte Mehrwegeventil 23, 24 einerseits mit der Kälteanlage 19 und andererseits mit den drei Wärmeübertragern 16 des sekundären Kühlkreislaufs 4 verbunden.
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Jede der drei vorgesehenen Batteriestränge 15 weist an ihrer Kühlmittelzufuhr- und Abfuhrseite (Eingangs- und Ausgangsseite) ein weiteres Verteilerelement 11 auf, wobei die Verteilerelemente 11 der Batteriestränge 15 einerseits über jeweils einen Kühlmittelkanal mit der zweiten Kreislaufpumpenanordnung 7' und mit den Wärmeübertragern 16 verbunden sind und andererseits jeweils drei aufgesplittete Kühlmittelkanäle zum Verbinden mit den Batteriesträngen 15 aufweisen.
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Der primäre Kühlkreislauf 2 weist an jedem Kühlmittelkanal einer Komponente der elektrischen Antriebseinheit 5 einen Durchflusssensor 3 auf. Die erste und die zweite Kreislaufpumpenanordnung 7, 7' sind symbolisch als Verdichter dargestellt. Das Kühlmittel wird durch die Kreislaufpumpenanordnungen 7, 7' in einer ersten Strömungsrichtung S den zu kühlenden Komponenten der elektrischen Antriebseinheit 5 und der Batterieeinheit 5' zugeführt und in einer zweiten Strömungsrichtung S' von diesen wieder in Richtung Wärmeübertrager 17 oder Kälteanlage 19 zurückgeführt, um dort die beim Kühlvorgang aufgenommene Wärmeenergie an die Außenumgebung abzuführen. Für jeden Batteriestrang 15 ist kühlmittelzufuhrseitig ein Verdichter der zweiten Kreislaufpumpenanordnung 7' bzw. Wärmepumpenanordnung vorgesehen, der in erster Strömungsrichtung S ausgerichtet ist und wirkt.
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Beide Kühlkreisläufe 2, 4 weisen zudem mehrere Drucksensoren 3' zur Druckmessung in den jeweilig durchströmten Kühlmittelkanälen auf. Der primäre Kühlkreislauf 2 ist hierzu benachbart zu den zwei dargestellten Verdichtern der ersten Kreislaufpumpenanordnung 7 mit jeweils einem Drucksensor 3' ausgestattet, wobei ein erster Drucksensor 3' kühlmittelzufuhrseitig an einer Ausgangsseite des ersten Verdichters angeordnet ist, und wobei ein zweiter Drucksensor 3' kühlmittelabfuhrseitig an einer Eingangsseite des zweiten Verdichters der ersten Kreislaufpumpenanordnung 7 angeordnet ist.
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Im sekundären Kühlkreislauf 4 sind alle dargestellten drei Verdichter der drei Batteriestränge 15 an der Eingangs- und Ausgangsseite jeweils mit einem Drucksensor 3' ausgestattet, wobei zwischen dem dritten und vierten 3/2-Wege-Ventil 23, 24 und der Kälteanlage 19 weitere Drucksensoren 3' angeordnet sind.
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Der primäre Kühlkreislauf 2 umfasst weiter einen Ausgleichsbehälter 9 bzw. Ausdehnungsbehälter, wobei der Ausgleichsbehälter 9 parallel zum Wärmeübertrager 17 und zwischen der ersten Kreislaufpumpenanordnung 7 und dem Wärmeübertrager 17 am primären Kühlkreislauf 2 angeordnet ist. Der sekundäre Kühlkreislauf 4 sieht für jeden der drei Batteriestränge 15 jeweils einen weiteren Ausgleichsbehälter 9 vor, wobei die Ausgleichsbehälter 9 des sekundären Kühlkreislaufes 4 zwischen der Batterieeinheit 5', das bedeutet den drei Batteriesträngen 15 und den sechs eingangs- und ausgangsseitig angeordneten Verteilerelementen 11, und der zweiten Kreislaufpumpenanordnung 7' angeordnet sind.
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Jede der drei Batteriestränge 15 bildet innerhalb des sekundären Kühlkreislaufs 4 einen eigenen inneren Teilkreislauf mit ihren zugeordneten Wärmeübertragern 16 aus, so dass die Ausgleichsbehälter 9 gleichzeitig jeweils zwischen einem Kühlmittelzufuhrkanal und einem Kühlmittelabfuhrkanal eines Teilkreislaufes eines Batteriestranges 15 angeordnet sind.
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Das Kühlsystem weist einen Notfallkreislauf 20 für einen Notbetrieb auf, wobei der Notfallkreislauf 20 einen Teilkreislauf des primären Kühlkreislaufes bildet. Der Notfallkreislauf 20 weist wenigstens einen Verdichter und zwei Rückschlagventile 6 auf, die im Notbetrieb eingeschaltet werden bzw. derart geschaltet werden, dass der Notbetrieb weiterhin die gewünschten Komponenten bzw. das zirkulierende Kühlmittel sicher kühlt.
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Das im Kühlsystem 10 eingesetzte Kühlmittel, das den primären und den sekundären Kühlkreislauf 2, 4 durchströmt, ist ein Wasser-Glykol-Gemisch ist, wobei das Kühlmittelgemisch derart zusammengesetzt ist, dass es sowohl im primären als auch im sekundären Kühlkreislauf 2, 4 zum Kühlen der einzelnen Komponenten einsetzbar ist.
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Die Regelung der Kühlung der elektrischen Antriebseinheit 5 und der Batterieeinheit 5' sowie die Schaltung der 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 des primären und sekundären Kühlkreislaufs 2, 4 erfolgen in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur und eines Betriebszustands der Batterieeinheit 5'. Die Batterieeinheit 5' wird in einem Entladebetrieb betrieben, wenn die elektrische Antriebseinheit 5 motorisch betrieben wird und antreibend wirkt. Die Batterieeinheit 5' wird in einem Ladebetrieb betrieben, wenn das OnBoard-Ladegerät 14 angeschlossen ist oder wenn die elektrische Antriebseinheit 5 im Generatorbetrieb bremsend wirkt.
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1 stellt schematisch einen ersten Betriebsmodus des Kühlsystems 10 dar. Im ersten Betriebsmodus beträgt die Umgebungstemperatur mindestens 15° C und die Batterieeinheit 5' wird im Entladebetrieb betrieben. Der mit dem Kühlsystem 10 ausgestattete Sattelanhänger befindet sich hier im Fahrbetrieb und wird über die Elektromotoren 12 der elektrischen Antriebseinheit 5 angetrieben. Die Antriebsbatteriepacks der Batteriestränge 15 werden dabei entladen.
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Die 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 sind derart geschaltet, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf 2, 4 unabhängig voneinander und isoliert betrieben werden, wobei der primäre Kühlkreislauf 2 beim Kühlen alle Einzelkomponenten der elektrischen Antriebseinheit 5 und den Wärmeübertrager 17 durchströmt, und wobei der sekundäre Kühlkreislauf 4 beim Kühlen die Kälteanlage 19, die Verteilerelemente 11, die Wärmeübertrager 16 und die Batterieeinheit 5' durchströmt.
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Das erste und zweite 3/2-Wege-Ventil 21, 22 verschließen die parallelen Kühlmittelkanäle zum sekundären Kühlkreislauf 4 und zu dem OnBoard-Ladegerät 14, so dass das Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf durch den bzw. im primären Kühlkreislauf 2 zirkuliert.
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Das dritte und vierte 3/2-Wege-Ventil 23, 24 verschließen auf Seiten des sekundären Kühlkreislaufes 4 ebenfalls die Kanalverbindung zum primären Kühlkreislauf 2 über die Kühlmittelkanäle 8, so dass das Kühlmittel nur im sekundären Kühlkreislauf 4 zirkuliert und beide Kühlkreisläufe 2, 4 isoliert sind.
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2 beleuchtet einen zweiten Betriebsmodus des Kühlsystems 10. Im zweiten Betriebsmodus beträgt die Umgebungstemperatur weniger als 15° C und die Batterieeinheit 5' wird im Entladebetrieb betrieben. Der mit dem Kühlsystem 10 ausgestattete Sattelanhänger wird analog zum ersten Betriebsmodus über die Elektromotoren 12 der elektrischen Antriebseinheit 5 angetrieben und die Antriebsbatteriepacks der Batteriestränge 15 werden entladen.
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Die 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 sind derart geschaltet, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf 2, 4 kombiniert in Verbindung miteinander betrieben werden, wobei der kombinierte und verbundene Kühlkreislauf 2, 4 beim Kühlen alle Einzelkomponenten der elektrischen Antriebseinheit 5 und den Wärmeübertrager 17 des primären Kühlkreislaufes 2 sowie die Verteilerelemente 11, die Wärmeübertrager 16 und die Batterieeinheit 5' des sekundären Kühlkreislaufes 4 durchströmt. Die Kälteanlage 19 wird im zweiten Betriebsmodus von dem Kältemittel nicht durchströmt.
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Das erste 3/2-Wege-Ventil 21 öffnet den ersten parallelen Kühlmittelkanal 8 zum sekundären Kühlkreislauf 4 und verschließt den Kühlmittelkanal gleichzeitig in erster Strömungsrichtung S. Das Kühlmittel strömt in und durch den sekundären Kühlkreislauf 4 und wird dann über den zweiten Kühlmittelkanal 8 wieder in den primären Kühlkreislauf 2 geleitet. Das zweite 3/2-Wege-Ventil 22 ist analog zum ersten Betriebsmodus geschaltet und schaltet einen Bypass, um den parallelen Kühlmittelkanal für das OnBoard-Ladegerät 14 zu umgehen.
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Das dritte und vierte 3/2-Wege-Ventil 23, 24 verschließen auf Seiten des sekundären Kühlkreislaufes 4 die Kanalverbindung zur Kälteanlage 19 und öffnen gleichzeitig die Kühlmittelkanäle zu den Verteilern 11 und zum primären Kühlkreislauf 2 über die Kühlmittelkanäle 8 hin, so dass das Kühlmittel im ersten und im sekundären Kühlkreislauf 2, 4 zirkuliert und beide Kühlkreisläufe 2, 4 miteinander kombiniert betrieben werden.
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3 betrifft einen dritten Betriebsmodus des Kühlsystems 10. Im dritten Betriebsmodus beträgt die Umgebungstemperatur mindestens 20° C und die Batterieeinheit 5' wird im Ladebetrieb betrieben. Der mit dem Kühlsystem 10 ausgestattete Sattelanhänger wird dabei an einer geeigneten Ladestation über das OnBoard-Ladegerät 14 aufgeladen.
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Dabei sind die 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24, derart geschaltet, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf 2, 4 unabhängig voneinander und isoliert betrieben werden, wobei der primäre Kühlkreislauf 2 beim Kühlen nur das OnBoard-Ladegerät 14 und den Wärmeübertrager 17 durchströmt, und wobei der sekundäre Kühlkreislauf 4 beim Kühlen die Kälteanlage 19, die Verteilerelemente 11, die Wärmeübertrager 16 und die Batterieeinheit 5' durchströmt.
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Das erste 3/2-Wege-Ventil 21 verschließt analog zum ersten Betriebsmodus die parallelen Kühlmittelkanäle 8 zum sekundären Kühlkreislauf 4. Das zweite 3/2-Wege-Ventil 22 öffnet hingegen den parallelen Kühlmittelkanal zum OnBoard-Ladegerät 14 und verschließt gleichzeitig den weiterführenden Kühlmittelkanal in erster Strömungsrichtung S, so dass das Kühlmittel nicht zu der elektrischen Antriebseinheit 5 gelangen kann. Dazu ist gleichzeitig ein Rückschlagventil 6 vorgesehen, der diese Teilkreisschaltung des OnBoard-Ladegeräts 14 zulässt und die elektrische Antriebseinheit 5 isoliert, in dem es kühlmittelabfuhrseitig eine analoge Blockadefunktion wie das zweite, kühlmittelzufuhrseitige 3/2-Wege-Ventil 22, erfüllt.
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Das dritte und vierte 3/2-Wege-Ventil 23, 24 verschließen auf Seiten des sekundären Kühlkreislaufes 4 ebenfalls die Kanalverbindung zum primären Kühlkreislauf 2 über die Kühlmittelkanäle 8, so dass das Kühlmittel analog zum ersten Betriebsmodus nur im sekundären Kühlkreislauf 4 zirkuliert und beide Kühlkreisläufe 2, 4 isoliert sind.
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4 zeigt einen vierten Betriebsmodus des Kühlsystems 10. Im vierten Betriebsmodus beträgt die Umgebungstemperatur weniger als 20° C und die Batterieeinheit 5' wird im Ladebetrieb betrieben. Der mit dem Kühlsystem 10 ausgestattete Sattelanhänger wird dabei an einer geeigneten Ladestation über das OnBoard-Ladegerät 14 aufgeladen.
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Die 3/2-Wege-Ventile 21, 22, 23, 24 sind derart geschaltet, dass der primäre und der sekundäre Kühlkreislauf 2, 4 kombiniert in Verbindung miteinander betrieben werden, wobei der kombinierte und verbundene Kühlkreislauf 2, 4 beim Kühlen das OnBoard-Ladegerät 14 und den Wärmeübertrager 17 durchströmt, und wobei der sekundäre Kühlkreislauf 4 beim Kühlen die Verteilerelemente 11, die Wärmeübertrager 16 und die Batterieeinheit 5' durchströmt. Die Kälteanlage 19 wird im vierten Betriebsmodus analog zum zweiten Betriebsmodus von dem Kältemittel nicht durchströmt.
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Das erste 3/2-Wege-Ventil 21 öffnet den ersten parallelen Kühlmittelkanal 8 zum sekundären Kühlkreislauf 4 und verschließt analog zum zweiten Betriebsmodus den auf Linie weiterführenden Kühlmittelkanal in erster Strömungsrichtung S. Das Kühlmittel strömt dadurch in und durch den sekundären Kühlkreislauf 4 und wird dann über den zweiten Kühlmittelkanal 8 wieder in den primären Kühlkreislauf 2 geleitet. Das zweite 3/2-Wege-Ventil 22 ist analog zum dritten Betriebsmodus geschaltet, das bedeutet es öffnet den parallelen Kühlmittelkanal zum OnBoard-Ladegerät 14 und verschließt gleichzeitig den weiterführenden Kühlmittelkanal in erster Strömungsrichtung S, so dass das Kühlmittel auch im vierten Betriebsmodus nicht zu der elektrischen Antriebseinheit 5 gelangen kann.
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Das dritte und vierte 3/2-Wege-Ventil 23, 24 verschließen analog zum zweiten Betriebsmodus auf Seiten des sekundären Kühlkreislaufes 4 die Kanalverbindung zur Kälteanlage 19 und öffnen gleichzeitig die Kühlmittelkanäle zu den Verteilern 11 und zum primären Kühlkreislauf 2 über die Kühlmittelkanäle 8 hin, so dass das Kühlmittel im ersten und im sekundären Kühlkreislauf 2, 4 zirkuliert und beide Kühlkreisläufe 2, 4 miteinander kombiniert betrieben werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Allgemein eignet sich das dynamische und intelligente Kühlsystem und die erfindungsgemäße Mehrwegeventilanordnung für moderne batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge.
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Insbesondere kann das Kühlsystem bei elektrifizierten Sattelanhängern eingesetzt werden, die mit Hochleistungsmotoren und HV-Batterien angetrieben werden. Auch andere Anhängertypen sowie Zugmaschinenkonstellationen können vermittels des erfindungsgemäßen Kühlsystems temperiert werden. Die genaue Anordnung und Dimensionierung kann insofern variieren, dass die beschriebenen Schaltstellungen und Strömungskreisläufe sowie Funktionalitäten eingehalten werden.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- S
- erste Strömungsrichtung (Kühlmittelzufuhr)
- S'
- zweite Strömungsrichtung (Kühlmittelrückfuhr)
- 2
- primärer Kühlkreislauf (passiv)
- 3
- Durchflusssensor
- 3'
- Drucksensor
- 4
- sekundärer Kühlkreislauf (aktiv)
- 5
- Elektrische Antriebseinheit
- 5'
- Batterieeinheit
- 6
- Rückschlagventil
- 7
- erste Kreislaufpumpenanordnung (primärer Kühlkreislauf)
- 7'
- zweite Kreislaufpumpenanordnung (sekundärer Kühlkreislauf)
- 8
- Erster und zweiter Kühlmittelkanal
- 9
- Ausgleichsbehälter (Ausdehnungsbehälter)
- 10
- Kühlsystem (HV-Batterie-Kühlsystem)
- 11
- Verteilerelement (Splitter)
- 12
- Elektromotor
- 12'
- Inverter
- 13
- Gleichspannungswandler
- 14
- OnBoard-Ladegerät (OBC)
- 15
- HV-Batteriestrang (jeweils drei Antriebsbatteriepacks)
- 16
- Wärmeübertrager (sekundärer Kühlkreislauf)
- 17
- Wärmeübertrager (primärer Kühlkreislauf)
- 18
- Lüfter (Radiator-Lüfter-Einheit)
- 19
- Kälteanlage (Kompressionskälteaggregat)
- 20
- Notfallkreislauf (Teilkreislauf)
- 21
- erstes Mehrwegeventil (3/2 Wege-Ventil)
- 22
- zweites Mehrwegeventil (3/2 Wege-Ventil)
- 23
- drittes Mehrwegeventil (3/2 Wege-Ventil)
- 24
- viertes Mehrwegeventil (3/2 Wege-Ventil)