Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren elektrischer Komponenten eines Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 5.

Elektro- bzw. Hybridfahrzeuge weisen einen Hochvoltspeicher mit einem Hochvoltspeichergehäuse auf, in dem mehrere elektrische Speicherzellen angeordnet sind. Während des Betriebs eines solchen Fahrzeugs sowie beim Laden der Speicherzellen erwärmen sich die Speicherzellen. Aus Sicherheitsgründen und um eine möglichst lange „Lebensdauer“ der Speicherzellen zu erreichen, muss die Temperatur der Speicherzellen auf einem Temperaturniveau von weniger als ca. 50° Grad gehalten werden, d. h. die Speicherzellen müssen gekühlt werden. Umgekehrt, wenn das Fahrzeug bei winterlichen Bedingungen relativ lange abgestellt wurde und die Speicherzellen kalt sind, sollten die Speicherzellen möglichst schnell ihr „Idealbetriebstemperaturniveau“ erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Temperieren elektrischer Komponenten eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug zu schaffen, das energetisch günstig ist bzw. das eine kompakte Bauweise ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Temperieren elektrischer Komponenten eines Fahrzeugs ist ein Hochvoltspeicher mit einem Hochvoltspeichergehäuse, in dem mehrere elektrische, zu beheizende oder zu kühlende Speicherzellen angeordnet sind. „Zu beheizende oder zu kühlende Speicherzellen“ ist so zu verstehen, dass die Speicherzellen in manchen Betriebszuständen beheizt werden müssen, nämlich dann, wenn diese noch relativ kalt sind, d. h. ihr Idealbetriebstemperaturniveau noch nicht erreicht haben, und in machen Betriebszuständen gekühlt werden müssen, um nicht zu überhitzen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass innerhalb des Hochvoltspeichergehäuses zusätzlich zu den elektrischen Speicherzellen mindestens eine zu kühlende elektrische Komponente angeordnet ist. Bei der mindestens zu kühlenden Komponente kann es sich z. B. um ein Ladegerät, einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), ein elektronisches Steuergerät, eine Schützanordnung o.ä. handeln.

Ferner ist ein von einem flüssigen Kühlmittel durchströmtes Kühlmittelkanalsystem vorgesehen, das eine Kühlmittelpumpe aufweist, die ebenfalls in dem Hochvoltspeichergehäuse angeordnet ist. Das Kühlmittelkanalsystem bzw. darin strömende flüssige Kühlmittel ist thermisch direkt oder indirekt mit den Speicherzellen und mit der mindestens einen zu kühlenden elektrischen Komponente gekoppelt.

Klarstellend sei erwähnt, dass es sich bei dem flüssigen Kühlmittel um ein Kühlmittel handelt, das in allen auftretenden Betriebszuständen flüssig ist. Es handelt sich also nicht etwa um ein Kältemittel (wie es z.B. bei Klimaanlagen zum Einsatz kommt), das teilweise gasförmig und flüssig oder rein gasförmig ist. Bei dem erfindungsgemäßen Kühlmittel kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, welches mit einem Frostschutzmittel versetzt ist.

Ein zentraler Gedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in einem ersten Betriebszustand, in dem die Speicherzellen eine Temperatur haben, die kleiner als eine vorgegebene erste Temperatur ist, von der mindestens einen zu kühlenden elektrischen Komponente abgegebene Wärme über das Kühlmittel an die Speicherzellen abgegeben wird. Wenn sich also das Fahrzeug bzw. der Hochvoltspeicher bzw. die darin angeordneten elektrischen Speicherzellen in einem„kalten Zustand“ befinden, müssen die Speicherzellen möglichst schnell auf ein Idealbetriebstemperaturniveau erwärmt werden, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug bzw. der elektrische Antrieb optimal leistungsfähig ist.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zum Aufwärmen der Speicherzellen Wärme, die von der mindestens einen zu kühlenden elektrischen Komponente bereits unmittelbar nach dem „Starten“ abgegeben wird, zu nutzen, um damit die Speicherzellen möglichst schnell aufzuheizen, d.h. möglichst schnell auf ihr Idealbetriebstemperaturniveau zu bringen. Die Wärmeenergie wird dabei über das flüssige Kühlmittel von der mindestens einen elektrischen Komponente zu den Speicherzellen übertragen. Eine derartige elektrische Komponente, bei der sich z. B. um ein Ladegerät, einen Gleichspannungswandler, um ein elektronisches Steuergerät, eine Schutzanordnung o.ä. handeln kann, können relativ hohe Temperaturniveaus, z. B. bis zu 90°C oder mehr, erreichen. Dadurch können beträchtliche Wärmeleistungen entstehen, die zum Aufheizen der Speicherzellen verwendet können.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Betriebszustand, der auch als„Aufheizzustand“ der Speicherzellen bezeichnet werden kann, Kühlmittel ausschließlich innerhalb des im Hochvoltspeichergehäuse vorgesehenen Kühlmittelkanalsystems umgepumpt bzw. umgewälzt wird. Der hierfür erforderliche Kühlmittevolumenstrom wird durch die innerhalb des Hochvoltspeichergehäuses angeordnete Kühlmittelpumpe erzeugt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird in einem zweiten Betriebszustand, in dem die Speicherzellen eine Temperatur haben, die größer als eine vorgegebene zweite Temperatur ist, Wärme, die von der mindestens einen zu kühlenden elektrischen Komponente und von den Speicherzellen an das Kühlmittel abgegeben wird, mittels des Kühlmittels aus dem Hochvoltspeichergehäuse heraus transportiert und dort über einen Wärmetaucher abgegeben. Der zweite Betriebszustand ist also ein Betriebszustand, in dem sowohl die mindestens eine elektrische Komponente als auch die Speicherzellen gekühlt werden müssen. Im zweiten Betriebszustand haben die Speicherzellen also eine Temperatur, die im oberen Bereich des Idealbetriebstemperaturbereichs liegt oder die genau der oberen Idealbetriebstemperatur entspricht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem zweiten Betriebszustand Wärme, die von der mindestens einen elektrischen Komponente und den Speicherzellen an das Kühlmittel abgegeben wird, mittels des Kühlmittels aus dem Hochvoltspeichergehäuse heraus transportiert wird und dort über einen Wärmetauscher entweder an die Umgebung oder an einen anderen „Wärmekreislauf des Fahrzeugs oder unmittelbar an eine andere Komponente des Fahrzeugs abgegeben wird. Der hierfür erforderliche Kühlmittelvolumenstrom in das im Inneren des Hochvoltspeichergehäuses befindliche Kühlmittelkanalsystem hinein und aus dem Kühlmittelkanalsystem heraus wird durch eine weitere Kühlmittelpumpe erzeugt, die außerhalb des Hochvoltspeichergehäuses angeordnet ist.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung in schematischer Darstellung. Figur 1 zeigt ein Hochvoltspeichergehäuse 1 eines hier nicht näher dargestellten Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs. In dem Hochvoltspeichergehäuse 1 sind eine Vielzahl elektrischer Speicherzellen angeordnet, die hier gesamthaft durch ein Rechteck 2 angedeutet sind, d. h. die einzelnen Speicherzellen sind hier nicht näher dargestellt. Die Speicherzellen können „paketweise“ angeordnet sein, d. h sie können zu sogenannten Zellmodulen, die jeweils aus mehreren elektrisch miteinander verschalteten Speicherzellen bestehen, zusammengefasst sein.

In dem Hochvoltspeichergehäuse 1 ist zusätzlich mindestens eine zu kühlende elektrische Komponente 3 angeordnet. Die zu kühlende elektrische Komponente 3 kann entweder unmittelbar von einem Kühlfluid durchströmt werden oder auf einem Kühlkörper oder an einem Kühlkörper angeordnet sein, der von einem Kühlfluid durchströmt ist.

Ebenfalls innerhalb des Hochvoltspeichergehäuses 1 ist eine Kühlmittelpumpe 4 angeordnet, die flüssiges Kühlmittel über einen Kühlkanal 5 zu der elektrischen Komponente 3 pumpt bzw. durch die elektrische Komponente 3 oder durch einen der elektrischen Komponente 3 zugeordneten Kühlkörper hindurch.

In einem ersten Betriebszustand, in dem die elektrischen Speicherzellen 2 noch „kalt“ sind, wird Wärme von der mindestens einen elektrischen Komponente 3 an das von der Kühlmittelpumpe 4 umgewälzte bzw. umgepumpte Kühlmittel abgegeben. Das erwärmte Kühlmittel wird über Kühlmittelleitungen 6, 7 zu den Speicherzellen 2 bzw. durch Kühlkörper hindurchgepumpt, die thermisch mit den Speicherzellen 2 gekoppelt sind. Das Kühlmittel gibt dabei Wärme an die Speicherzellen 2 ab, so dass diese möglichst schnell auf ein Idealbetriebstemperaturniveau erwärmt werden. Das von den Speicherzellen 2 abgekühlte Kühlmittel strömt dann über Kühlkanäle 8, 9 zurück zur Kühlmittelpumpe 4. Wenn die Speicherzellen 2 eine bestimmte Betriebstemperatur von z. B. 40°C, 45°C, 50°C o.ä. erreicht haben, müssen die Speicherzellen 2 und die mindestens eine elektrische Komponente 3 gekühlt werden. Dieser Betriebszustand wird als „zweiter“ Betriebszustand bezeichnet. Im zweiten Betriebszustand wird mittels einer weiteren Kühlmittelpumpe 10, die außerhalb des Hochvoltspeichergehäuses 1 angeordnet ist, Kühlmittel über die Kühlkanäle 9, 5 zu der elektrischen Komponente 3 und über den Kühlkanal 8 zu den Speicherzellen gepumpt. Von den Speicherzellen 2 bzw. der zu kühlenden elektrischen Komponente 3 erhitztes Kühlmittel wird über den Kühlkanal 6 zu einem Wärmetauscher 1 1 gepumpt, der außerhalb des Hochvoltspeichergehäuses angeordnet ist. Dort kann das Kühlmittel Wärme an die Umgebungsluft, an einen anderen Fluidkreislauf des Fahrzeugs oder unmittelbar an eine andere Komponente des Fahrzeugs abgeben. Vom Wärmetauscher 1 1 strömt das Kühlmittel zurück zu der weiteren Kühlmittelpumpe 10.

Den durch die Kühlkanäle 8, 9, den bzw. die Speicherzellenkühler und die Kühlkanäle 6, 7 sowie den Wärmetauscher 1 1 und die Pumpe 10 gebildeten „Kühlkreis“ kann man als Hauptkühlkreis bezeichnen. Parallel zu dem Hauptkühlkreis geschaltet ist der durch die Kühlmittelpumpe 4 und die mindestens eine zu kühlende elektrische Komponente gebildete Kühlsystemast. Wenn der Hauptkühlkreis noch außer Betrieb ist, weil die Speicherzellen 2 „noch kalt“ sind (erster Betriebszustand), wird das Kühlmittel also lediglich innerhalb des Hochvoltspeichers 1 umgewälzt. Die Soll-Temperatur der mindestens einen elektrischen Komponente 3 kann dabei über die Durchflussrate, d. h. durch eine zeitliche Taktung der Kühlmittelpumpe 4, eingestellt werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der Erfindung eine oder mehrere zu kühlende elektrische Komponenten in das Hochvoltspeichergehäuse 1 integriert werden können, ohne dass hierfür ein separater Kühlmitteleingang und/oder ein separater Kühlmittelausgang am Hochvoltspeichergehäuse vorgesehen werden muss, was sowohl unter Gewichts- als auch unter Kostenaspekten sinnvoll ist. Für die mindestens eine im Hochvoltspeichergehäuse angeordnete elektrische Komponente ist somit auch außerhalb des Hochvoltspeichergehäuses keine zusätzliche „Kühlungsverschlauchung“ erforderlich. Zu dem kann, wenn die Speicherzellen kalt sind, die Abwärme der mindestens einen elektrischen Komponente zur schnelleren Aufheizung der Speicherzellen verwendet werden.