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DE102023211123B4 - Electric drive system - Google Patents

Electric drive system

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Publication number
DE102023211123B4
DE102023211123B4 DE102023211123.3A DE102023211123A DE102023211123B4 DE 102023211123 B4 DE102023211123 B4 DE 102023211123B4 DE 102023211123 A DE102023211123 A DE 102023211123A DE 102023211123 B4 DE102023211123 B4 DE 102023211123B4
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DE
Germany
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cooling
cooling circuit
battery
drive system
electric drive
Prior art date
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DE102023211123.3A
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Gerhard Eser
Sebastian Brettner
Manuel Dillinger
Markus Feulner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Abstract

Elektrisches Antriebssystem (10), wobei das elektrische Antriebssystem (10) ein Thermomanagementsystem (12) zum Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebssystems (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermomanagementsystem (12) eine Mehrzahl an Kühlkreisen (14, 30, 52) aufweist, wobei
- ein erster Kühlkreis (14) des Thermomanagementsystems (12) ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischen Kontakt mit einem Elektromotor (16) des Antriebssystems (10) ist; und
- ein zweiter Kühlkreis (30) des Thermomanagementsystems (12) ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischen Kontakt mit einer Batterie (32) des Antriebssystems (10) ist, wobei
- der erste Kühlkreis (14) und der zweite Kühlkreis (30) thermisch miteinander verbunden sind, wobei
- eine Luftkühlung (46) des Thermomanagementsystems (12) verwendend Luft als Kühlmedium in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie (32) ist, und wobei
- ein dritter Kühlkreis (52) des Thermomanagementsystems (12) in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie (32) ist, wobei der dritte Kühlkreis (52) ein aktiver Kühlkreis mit einem Heizmechanismus und einem Kühlmechanismus ist, wobei die Batterie (32) durch den dritten Kühlkreis (52) selektiv kühlbar oder heizbar ist.
Electric drive system (10), wherein the electric drive system (10) has a thermal management system (12) for cooling components of the electric drive system (10), characterized in that the thermal management system (12) has a plurality of cooling circuits (14, 30, 52), wherein
- a first cooling circuit (14) of the thermal management system (12) has a liquid coolant as a cooling medium and is in direct thermal contact with an electric motor (16) of the drive system (10); and
- a second cooling circuit (30) of the thermal management system (12) has a liquid coolant as a cooling medium and is in direct thermal contact with a battery (32) of the drive system (10), wherein
- the first cooling circuit (14) and the second cooling circuit (30) are thermally connected to one another, wherein
- an air cooling (46) of the thermal management system (12) using air as a cooling medium is in direct thermal contact with the battery (32), and wherein
- a third cooling circuit (52) of the thermal management system (12) is in direct thermal contact with the battery (32), wherein the third cooling circuit (52) is an active cooling circuit with a heating mechanism and a cooling mechanism, wherein the battery (32) can be selectively cooled or heated by the third cooling circuit (52).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einem verbesserten Thermomanagement. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein elektrisches Antriebssystem, bei dem verschiedenste Komponenten effizient gekühlt werden können.The present invention relates to an electric drive system with improved thermal management. In particular, the present invention relates to an electric drive system in which a wide variety of components can be efficiently cooled.

In modernen elektrifizierten Fahrzeugen ist ein Thermomanagement des elektrischen Antriebstranges und dessen Komponenten und vor allem der Traktionsbatterie notwendig.In modern electrified vehicles, thermal management of the electric drive train and its components, and especially the traction battery, is necessary.

Vor allem im Winter und bei kalten Temperaturen kann es notwendig werden, dass die Batterie geheizt werden muss, um einerseits die Leistungsfähigkeit der Batterie sicherzustellen und andererseits die Batterie vor Schäden, wie beispielsweis dem sogenannten Lithium Plating bei Li-Ionen Batterien, und Alterung zu bewahren. Um hohe Rekuperation zum Laden der Batterie während der Bremsvorgänge zu gewährleisten, wird die Batterie bevorzugt vorkonditioniert, damit keine Schädigung der Batterie eintritt.Especially in winter and cold temperatures, it may be necessary to heat the battery to ensure its performance and to protect it from damage, such as lithium plating in lithium-ion batteries, and aging. To ensure high recuperation for charging the battery during braking, the battery is preferably preconditioned to prevent damage.

Bisherige Heiz- und Kühlsysteme für die Batteriezellen sind außen an die Batteriezelle angebunden. Die Wärme wird dann über ein Wärmeleitmaterial, das sogenannte TIM (thermal interface material), an das Kühlmedium abgeführt.Previous heating and cooling systems for battery cells are connected to the outside of the battery cell. The heat is then dissipated to the cooling medium via a thermal interface material (TIM).

Beispielhaft kann die Kühlung einer Batterie als Bodenkühlung mit einer Kühlplatte realisiert werden. Alternativ kann auch eine Kühlung von oben oder von der Seite, wie etwa durch Kühlschlangen erfolgen. Prinzipbedingt ist dabei immer nur ein Kühlmedium möglich.For example, a battery can be cooled from the bottom using a cooling plate. Alternatively, cooling can also be achieved from the top or side, such as with cooling coils. Due to the inherent design principle, only one cooling medium is possible at a time.

Die DE 10 2019 132 309 A1 und DE 10 2010 019 187 B4 zeigen jeweils ein Thermomanagementsystem mit einer Mehrzahl an Kühlkreisen. Die DE 10 2017 128 318 A1 und die DE 102019 109 750 A1 zeigen jeweils ein Thermomanagementsystem mit einem Batteriekühlkreis und einer direkten Luftkühlung.The DE 10 2019 132 309 A1 and DE 10 2010 019 187 B4 each show a thermal management system with a number of cooling circuits. DE 10 2017 128 318 A1 and the DE 102019 109 750 A1 each show a thermal management system with a battery cooling circuit and direct air cooling.

Die Lösungen aus dem Stand der Technik können somit noch weiter verbessert werden, insbesondere hinsichtlich eines effizienten Thermomanagements eines batteriebasierten Antriebssystems.The state-of-the-art solutions can thus be further improved, especially with regard to efficient thermal management of a battery-based drive system.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wenigstens einen Nachteil des Stands der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lösung bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein effizientes Thermomanagement eines batteriebetriebenen Antriebssystems möglich wird.The object of the present invention is to at least partially overcome at least one disadvantage of the prior art. In particular, the object of the present invention is to provide a solution that enables efficient thermal management of a battery-powered drive system.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The object is achieved by an electric drive system having the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are described in the subclaims, in the description or the figures, wherein further features described or shown in the subclaims or in the description or the figures may individually or in any combination constitute an object of the invention, unless the context clearly indicates the opposite.

Beschrieben wird ein elektrisches Antriebssystem, wobei das elektrische Antriebssystem ein Thermomanagementsystem zum Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebssystems aufweist, wobei das Thermomanagementsystem eine Mehrzahl an Kühlkreisen aufweist, wobei

  • - ein erster Kühlkreis des Thermomanagementsystems ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischen Kontakt mit einem Elektromotor des Antriebssystems ist; und
  • - ein zweiter Kühlkreis des Thermomanagementsystems ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischen Kontakt mit einer Batterie des Antriebssystems ist, wobei
  • - der erste Kühlkreis und der zweite Kühlkreis thermisch miteinander verbunden sind, wobei
  • - eine Luftkühlung des Thermomanagementsystems verwendend Luft als Kühlmedium in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie des Antriebssystems ist, und wobei
  • - ein dritter Kühlkreis des Thermomanagementsystems in direktem thermischen Kontakt mit einer Batterie ist, wobei der dritte Kühlkreis ein aktiver Kühlkreis mit einem Heizmechanismus und einem Kühlmechanismus ist, wobei die Batterie durch den dritten Kühlkreis durch einen selektiv kühlbar oder heizbar ist.
An electric drive system is described, wherein the electric drive system has a thermal management system for cooling components of the electric drive system, wherein the thermal management system has a plurality of cooling circuits, wherein
  • - a first cooling circuit of the thermal management system has a liquid coolant as the cooling medium and is in direct thermal contact with an electric motor of the drive system; and
  • - a second cooling circuit of the thermal management system has a liquid coolant as the cooling medium and is in direct thermal contact with a battery of the drive system, wherein
  • - the first cooling circuit and the second cooling circuit are thermally connected to each other, whereby
  • - an air cooling of the thermal management system using air as a cooling medium is in direct thermal contact with the battery of the drive system, and wherein
  • - a third cooling circuit of the thermal management system is in direct thermal contact with a battery, wherein the third cooling circuit is an active cooling circuit with a heating mechanism and a cooling mechanism, wherein the battery can be selectively cooled or heated by the third cooling circuit.

Ein derartiges Antriebssystem erlaubt eine besonders effiziente Kühlung von Komponenten des Antriebssystems.Such a drive system allows particularly efficient cooling of the drive system components.

Beschrieben wird somit ein elektrisches Antriebssystem. Ein elektrisches Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise in einem Fahrzeug, wie etwa in einem Kraftfahrzeug, oder auch in stationären Anwendungen verwendet werden und weist somit eine sehr breite Anwendungsvielfalt auf. Beispielsweise umfasst das Antriebssystem eine HV-Batterie für Elektrofahrzeuge.Thus, an electric drive system is described. An electric drive system according to the present invention can be used, for example, in a vehicle, such as a motor vehicle, or in stationary applications, and thus has a very wide range of applications. For example, the drive system comprises an HV battery for electric vehicles.

Es ist bekannt, dass elektrische Antriebssysteme, beispielsweise deren Motoren oder deren Batterien, gekühlt werden müssen, um einen langzeitstabilen Betrieb mit einem hohen Maß an Sicherheit zu gewährleisten. Um eine entsprechende Kühlung der Komponenten des elektrischen Antriebssystems sicherstellen zu können, umfasst das elektrische Antriebssystem ein Thermomanagementsystem. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass ein Thermomanagementsystem wie auch die später diskutierten Kühlkreise zum Kühlen geeignet sind, es jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen ist, dass hierdurch ein Heizen erfolgen kann.It is known that electric drive systems, for example their motors or their batteries Batteries must be cooled to ensure long-term, stable operation with a high degree of safety. To ensure appropriate cooling of the components of the electric drive system, the electric drive system includes a thermal management system. It should be noted, however, that a thermal management system, like the cooling circuits discussed later, is suitable for cooling; however, within the scope of the present invention, it is not excluded that heating may occur as a result.

Das Thermomanagementsystem weist eine Mehrzahl an Kühlkreisen auf, wie diese nachstehend im Detail beschrieben sind.The thermal management system comprises a plurality of cooling circuits, as described in detail below.

Ein erster Kühlkreis des Thermomanagementsystems weist ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium auf und ist in direktem thermischen Kontakt mit einem Elektromotor. Entsprechend kühlt der erste Kühlkreis den Elektromotor direkt und ist somit in direktem thermischen Kontakt mit dem Elektromotor. Das soll im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass der Elektromotor direkt von dem Kühlmittel, also der Kühlflüssigkeit, des ersten Kühlkreises durchströmt wird oder dass die Kühlflüssigkeit den Elektromotor oder ein thermisch an dem Elektromotor angeordnetes Bauteil durchströmt oder hieran entlangströmt.A first cooling circuit of the thermal management system has a liquid coolant as the cooling medium and is in direct thermal contact with an electric motor. Accordingly, the first cooling circuit directly cools the electric motor and is thus in direct thermal contact with the electric motor. In the context of the present invention, this should mean, in particular, that the coolant, i.e., the cooling liquid, of the first cooling circuit flows directly through the electric motor, or that the cooling liquid flows through or along the electric motor or a component thermally arranged on the electric motor.

Als Kühlmittel beziehungsweise Kühlflüssigkeit können grundsätzlich jegliche bekannten flüssigen Kühlmittel verwendet werden. Nicht beschränkende Beispiele umfassen etwa Öle, Wasser, Glykol oder Mischungen etwa umfassend wenigstens eins der vorgenannten Beispiele.In principle, any known liquid coolant can be used as the coolant or cooling fluid. Non-limiting examples include oils, water, glycol, or mixtures comprising at least one of the aforementioned examples.

Ein zweiter Kühlkreis des Thermomanagementsystems weist ebenfalls ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium auf und ist in direktem thermischen Kontakt mit einer Batterie. Entsprechend kühlt der zweite Kühlkreis die Batterie direkt und ist somit in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie. Das soll im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass eine Kühlstruktur der Batterie wie nachfolgend beschrieben direkt von dem Kühlmittel, also der Kühlflüssigkeit, des zweiten Kühlkreises durchströmt wird oder dass die Kühlflüssigkeit die Batterie oder ein thermisch an die Batterie gekoppeltes Bauteil durchströmt oder an diesem entlangströmt.A second cooling circuit of the thermal management system also has a liquid coolant as the cooling medium and is in direct thermal contact with a battery. Accordingly, the second cooling circuit cools the battery directly and is thus in direct thermal contact with the battery. In the context of the present invention, this should mean, in particular, that a cooling structure of the battery, as described below, is directly flowed through by the coolant, i.e., the cooling liquid, of the second cooling circuit, or that the cooling liquid flows through or along the battery or a component thermally coupled to the battery.

Unter Batterie soll im Sinne der vorliegenden Erfindung eine einzige Batteriezelle oder eine Anordnung umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen verstanden werden, die etwa in sogenannte Stacks aufgeteilt sein können und/oder in Serie oder in Reihe geschaltet sein können.For the purposes of the present invention, a battery is to be understood as a single battery cell or an arrangement comprising a plurality of battery cells, which may be divided into so-called stacks and/or connected in series or in series.

Als Kühlmittel beziehungsweise Kühlflüssigkeit des zweiten Kühlkreises können wiederum grundsätzlich jegliche bekannten flüssigen Kühlmittel verwendet werden. Nicht beschränkende Beispiele umfassen etwa Öle, Wasser, Glykol oder Mischungen etwa umfassend wenigstens eins der vorgenannten Beispiele.In principle, any known liquid coolant can be used as the coolant or cooling fluid of the second cooling circuit. Non-limiting examples include oils, water, glycol, or mixtures comprising at least one of the aforementioned examples.

Bei dem elektrischen Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung beziehungsweise bei dessen Thermomanagementsystems ist es ferner vorgesehen, dass der erste Kühlkreis und der zweite Kühlkreis thermisch miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch einen Wärmetauscher erfolgen, der mit der Kühlflüssigkeit des ersten Kühlkreises und mit der Kühlflüssigkeit des zweiten Kühlkreises thermisch verbunden ist. Insbesondere wird der Wärmetauscher von der Kühlflüssigkeit des ersten Kühlkreises und der Kühlflüssigkeit des zweiten Kühlkreises durchströmt.In the electric drive system according to the present invention, or in its thermal management system, it is further provided that the first cooling circuit and the second cooling circuit are thermally connected to one another. This can be achieved, for example, by a heat exchanger that is thermally connected to the cooling fluid of the first cooling circuit and to the cooling fluid of the second cooling circuit. In particular, the cooling fluid of the first cooling circuit and the cooling fluid of the second cooling circuit flow through the heat exchanger.

Das Thermomanagementsystem umfasst ferner eine Luftkühlung, welche Luft als Kühlmedium verwendet, die in direktem thermischem Kontakt mit der Batterie ist. Entsprechend kühlt die Luftkühlung die Batterie direkt und ist somit in direktem thermischem Kontakt mit der Batterie. Das soll im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass eine Kühlstruktur der Batterie wie nachfolgend beschrieben direkt von dem Kühlmittel, also der Luft, der Luftkühlung durchströmt wird oder dass die Luft die Batterie oder ein thermisch an die Batterie gekoppeltes Bauteil durchströmt oder an diesem entlangströmt.The thermal management system further comprises an air cooling system, which uses air as the cooling medium and is in direct thermal contact with the battery. Accordingly, the air cooling system cools the battery directly and is thus in direct thermal contact with the battery. In the context of the present invention, this should mean, in particular, that a cooling structure of the battery, as described below, is directly flowed through by the coolant, i.e., the air of the air cooling system, or that the air flows through or along the battery or a component thermally coupled to the battery.

Die Luftkühlung kann beispielsweise einen Kühlkreis ausbilden, jedoch ist es auch möglich, dass die Luft lediglich die Batterie aktiv kühlt, ohne jedoch einen geschlossenen Kreis ausbilden zu müssen.For example, air cooling can form a cooling circuit, but it is also possible for the air to only actively cool the battery without having to form a closed circuit.

Das Thermomanagementsystem weist ferner einen dritten Kühlkreis auf der ein aktiver Kühlkreis mit einem Heizmechanismus und einem Kühlmechanismus ist, wobei die Batterie durch den dritten Kühlkreis selektiv kühlbar oder heizbar ist.The thermal management system further comprises a third cooling circuit which is an active cooling circuit with a heating mechanism and a cooling mechanism, wherein the battery can be selectively cooled or heated by the third cooling circuit.

Grundsätzlich kann eine aktive Temperierung, also Kühlung und Heizung, der Batterie durch den dritten Kühlkreis von besonderem Vorteil sein, da insbesondere die Batterie effizient gekühlt werden muss, da so nicht nur die Verlässlichkeit gesteigert werden kann, sondern gerade bei der Kühlung der Batterie aufgrund deren Gefährdungspotenzial bei heißen Temperaturen ein signifikanter Sicherheitsgewinn möglich ist. Ferner ist dies von Vorteil, da speziell die Kühlung der Batterie ein relativ enges Temperaturfenster beachten muss, was erfindungsgemäß sichergestellt werden kann. Darüber hinaus kann auch ein Heizen der Batterie sinnvoll sein, da so beispielsweise ein Konditionieren der Batterie erfolgen kann. Dadurch kann etwa ein Laden der Batterie verbessert und die Langlebigkeit deutlich verbessert werden. Auch bei einem Heizen ist ein aktives Heizen hinsichtlich der Effizienz von Vorteil.In principle, active temperature control, i.e., cooling and heating, of the battery through the third cooling circuit can be particularly advantageous, since the battery, in particular, must be cooled efficiently. This not only increases reliability, but also significantly increases safety, especially when cooling the battery due to its hazard potential at high temperatures. This is also advantageous, since the cooling of the battery, in particular, must adhere to a relatively narrow temperature window, which can be ensured according to the invention. Furthermore, heating the battery can also be useful. This can be used, for example, to condition the battery. This can improve battery charging and significantly increase its longevity. Active heating also has advantages in terms of efficiency when used for heating.

Es ist somit ersichtlich, dass, trotz des Begriffes „Kühlkreis“, der dritte Kühlkreis neben der Funktionalität eines Kühlens auch ein Heizen bereitstellen kann.It is therefore clear that, despite the term “cooling circuit”, the third cooling circuit can provide heating in addition to the functionality of cooling.

Das Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt durch das Thermomanagementsystem eine aktive Kühlung der Komponenten des Antriebssystems auf Temperaturen, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegen. Entsprechend kann ein sicherer Betrieb des Antriebssystems im Wesentlichen unabhängig der Umgebungstemperatur sichergestellt werden. Dies kann insbesondere für elektrisch angetriebene Fahrzeuge von großem Vorteil sein, da diese zu unterschiedlichen Jahreszeiten und etwa durch direkte Sonneneinstrahlung bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden müssen, die Sicherheit und Verlässlichkeit aber nicht leiden sollten. Hinsichtlich der Batterie gilt Gleiches für ein Heizen der Batterie, welches ebenfalls besonders effizient ist und die Langlebigkeit der Batterie verbessern kann.The drive system according to the present invention allows active cooling of the drive system components to temperatures below the ambient temperature through the thermal management system. Accordingly, safe operation of the drive system can be ensured essentially independently of the ambient temperature. This can be particularly advantageous for electrically powered vehicles, as these must be operated at very different temperatures during different seasons and, for example, due to direct sunlight, yet safety and reliability should not be compromised. The same applies to the battery, which is also particularly efficient and can improve battery longevity.

Die Temperierung der Komponenten ist dabei sehr effizient, da erfindungsgemäß eine Kombination aus einer Flüssigkeitskühlung und einer Luftkühlung ermöglicht wird. Dies ist gemäß Stand der Technik meist nicht einfach umsetzbar, erlaubt aber deutliche Vorteile in der Effizienz und damit bei der Verlässlichkeit und Sicherheit des Antriebssystems.The temperature control of the components is very efficient, as the invention enables a combination of liquid cooling and air cooling. This is usually not easy to implement according to the state of the art, but it allows for significant advantages in efficiency and thus in the reliability and safety of the drive system.

Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit geschaffen, bei der mehrere verschiedene Kühlmedien wie Luft, Kühlflüssigkeit, beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Glykol oder Kältemittel, wie etwa R744, R1234yf, mit einer Anbindung an das Thermomanagementsystem zum Einsatz kommen können. Durch die Verwendung von verschiedenen Kühlmedien entstehen im Stand der Technik Verluste durch Wärmeübertragung, wie etwa Kältemittel an Wasser, Luft an Wasser, was erfindungsgemäß verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Zudem muss im Stand der Technik auch bei geringem Kühlbedarf im Falle von Wasser immer eine gewisse Pumpleistung aufgebracht werden, obwohl etwa auch eine Kühlung über Luft möglich wäre. Dies kann durch eine bedarfsgerechte Steuerung der Kühlkreise unabhängig voneinander verhindert werden. Bei einer vorteilhaften Anordnung kann dieser Aufbau auch als interner Wärmetauscher genutzt werden.According to the invention, a possibility is created in which several different cooling media such as air, coolant, for example a mixture of water and glycol, or refrigerants such as R744, R1234yf, can be used with a connection to the thermal management system. In the prior art, the use of different cooling media results in losses through heat transfer, such as refrigerant to water, air to water, which can be prevented or at least significantly reduced according to the invention. In addition, in the prior art, a certain pumping power must always be applied in the case of water, even when cooling is low, although cooling via air would also be possible. This can be prevented by controlling the cooling circuits independently of one another as needed. In an advantageous arrangement, this structure can also be used as an internal heat exchanger.

Das Antriebssystem der vorliegenden Erfindung ist auch für Elektromotoren mit großer Leistung geeignet, wohingegen passiv gekühlte Batterien, die die Wärme an die Umgebung über Konvektion abgeben, gemäß Stand der Technik meist für Anwendungen mit kleinerer Leistung verwendet werden.The drive system of the present invention is also suitable for high-power electric motors, whereas passively cooled batteries, which release heat to the environment via convection, are mostly used for lower-power applications according to the prior art.

Es kann bevorzugt sein, dass ein Kühlkanal des dritten Kühlkreises unmittelbar in eine Kühlstruktur der Batterie verläuft, wobei der dritte Kühlkreis einen Verdampfungsmechanismus und einen Kondensationsmechanismus für ein Kühlmittel, welches im Sinne der Erfindung einem Kühlen als auch einem Heizen dient, umfasst. In anderen Worten ist der dritte Kühlkreis derart ausgestaltet, dass sein Kühlmittel unmittelbar die Batterie umfließt oder durchfließt. Dadurch kann die Kühlung oder Heizung besonders effektiv sein, da der dritte Kühlkreis ein aktiver Kühlkreis ist. Insbesondere kann diese Kühlung somit effektiver sein, als es von passiven Kühlkreisen, beispielsweise, bekannt ist.It may be preferred for a cooling channel of the third cooling circuit to run directly into a cooling structure of the battery, wherein the third cooling circuit comprises an evaporation mechanism and a condensation mechanism for a coolant, which serves both cooling and heating purposes within the meaning of the invention. In other words, the third cooling circuit is designed such that its coolant flows directly around or through the battery. This allows for particularly effective cooling or heating, since the third cooling circuit is an active cooling circuit. In particular, this cooling can thus be more effective than is known from passive cooling circuits, for example.

Dadurch, dass der dritte Kühlkreis einen Verdampfungsmechanismus und einen Kondensationsmechanismus für ein Kühlmittel umfasst, kann wiederum eine Temperierung sehr effizient ablaufen. Darüber hinaus ist diese Art der Temperierung wenig störanfällig und kann ferner mit einfachen und verbreiteten Bauteilen ausgebildet werden, so dass eine einfache und problemlos Implementierbarkeit in gegebene Systeme erlaubt werden kann.Because the third cooling circuit includes an evaporation mechanism and a condensation mechanism for a coolant, temperature control can be achieved very efficiently. Furthermore, this type of temperature control is less susceptible to failure and can be implemented using simple and common components, allowing for easy and problem-free implementation in existing systems.

Durch das Vorsehen des Verdampfungsmechanismus beziehungsweise des Kondensationsmechanismus in dem dritten Kühlkreis und damit in direktem Kontakt zur Batterie kann die Kühlung der Batterie besonders effektiv sein. Denn ein Verdampfen oder Kondensieren des Kühlmittels kann unmittelbar benachbart zu der Batterie oder in der Kühlstruktur der Batterie erfolgen.By providing the evaporation mechanism or condensation mechanism in the third cooling circuit and thus in direct contact with the battery, battery cooling can be particularly effective. Evaporation or condensation of the coolant can occur directly adjacent to the battery or in the battery's cooling structure.

Beispielsweise kann der dritte Kühlkreis einen Kompressor, einen Radiator und ein Expansionsventil umfassen, wobei die Reihenfolge der Durchströmung von Radiator und Batterie durch das Kühlmittel durch Umschaltung eines Ventils änderbar ist zum selektiven Abführen oder Zuführen von Wärme zu der Batterie. Dies ist ein besonders einfacher Aufbau für einen Verdampfungsmechanismus und einen Kondensationsmechanismus und kann ferner durch wenige Bauteile eine effektive Kühlung ermöglichen. Für den Fall, dass der Kompressor aktiv ist, kann ein Verdampfen insbesondere nahe zu oder innerhalb der Batterie-Kühlstruktur erfolgen. Wenn der Kompressor überbrückt wird, kann ein Kondensieren insbesondere nahe zu oder innerhalb der Batterie-Kühlstruktur erfolgen. Es kann so ein selektives Erwärmen oder Kühlen der Batterie ermöglicht werden.For example, the third cooling circuit can comprise a compressor, a radiator, and an expansion valve, wherein the order of flow through the radiator and battery by the coolant can be changed by switching a valve to selectively dissipate or supply heat to the battery. This is a particularly simple design for an evaporation mechanism and a condensation mechanism and can also enable effective cooling with few components. In the event that the compressor is active, evaporation can occur, in particular, close to or within the battery cooling structure. If the compressor is bypassed, condensation can occur, in particular, close to or within the battery cooling structure. This can enable selective heating or cooling of the battery.

Es ist jedoch grundsätzlich im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen, dass der Verdampfungsmechanismus beziehungsweise der Kondensationsmechanismus anders ausgestaltet ist, insbesondere nicht nur die vorgenannten Bauteile sondern weitere Bauteile umfasst.However, in principle, it is not excluded within the meaning of the present invention that the evaporation mechanism or the condensation mechanism is designed differently, in particular that it comprises not only the aforementioned components but also further components.

Es kann weiter bevorzugt sein, dass das Antriebssystem eine Batterie aufweist, welche wenigstens zwei Batteriezellen umfasst, zwischen denen eine Kühlstruktur vorgesehen ist, wobei die Kühlstruktur in einem Schichtverbund vorliegt derart, dass entlang der Dicke des Schichtverbunds jeweils benachbart zu den Batteriezellen eine Schicht mit festem Wärmeüberträgermedium vorgesehen ist, wobei zwischen diesen Schichten wenigstens ein Kanal zum Führen von flüssigem und gasförmigem Kühlmedium und wenigstens ein Kanal zum Führen eines gasförmigen Kühlmediums vorgesehen ist.It may further be preferred that the drive system has a battery which comprises at least two battery cells, between which a cooling structure is provided, wherein the cooling structure is present in a layered composite such that a layer with a solid heat transfer medium is provided along the thickness of the layered composite adjacent to the battery cells, wherein at least one channel for guiding liquid and gaseous cooling medium and at least one channel for guiding a gaseous cooling medium is provided between these layers.

In anderen Worten kann die Kühlstruktur zwischen den Batteriezellen etwa folgende Abfolge aufweisen: Wärmeüberträgermedium - Kanal zum Führen mindestens von flüssigem Kühlmedium beziehungsweise Kältemittel - Kanal zum Führen von gasförmigen Kühlmedium, insbesondere Luft, - Wärmeüberträgermedium. Beispielsweise kann der Kanal zum Führen von Luft entlang der Dicke der Schichtabfolge jeweils von Kanälen zum Führen von flüssigem Kühlmittel beziehungsweise Kältemittel umgeben sein. Die Dicke soll dabei von einer Batteriezelle zu einer zweiten Batteriezelle durch den Schichtverbund verlaufen. Hinsichtlich des Kältemittels sei erwähnt, dass dich dieses im sogenannten Nassgebiete befindet. Dies bedeutet, dass das Kältemittel sowohl gasförmige als auch flüssige Anteile enthalten kann.In other words, the cooling structure between the battery cells can have the following sequence: heat transfer medium - channel for conducting at least liquid cooling medium or coolant - channel for conducting gaseous cooling medium, in particular air - heat transfer medium. For example, the channel for conducting air can be surrounded by channels for conducting liquid coolant or coolant along the thickness of the layer sequence. The thickness should run from one battery cell to a second battery cell through the layer composite. With regard to the coolant, it should be mentioned that this is located in the so-called wet zone. This means that the coolant can contain both gaseous and liquid components.

In dieser Ausgestaltung kann eine besonders effektive Übertragung der Wärme der Batteriezellen auf das flüssige beziehungsweise auf das gasförmige Kühlmedium erfolgen.In this embodiment, a particularly effective transfer of the heat from the battery cells to the liquid or gaseous cooling medium can take place.

Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass der erste Kühlkreis zusätzlich zu dem Elektromotor wenigstens eines von der Leistungselektronik und einem Ladegerät umfasst. Es hat sich gezeigt, dass auch diese Komponenten einer effizienten Kühlung bedürfen, wobei eine Positionierung in dem ersten Kühlkreis besonders einfach umsetzbar ist. Diese Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, da die Leistungselektronik bevorzugt eine Eingangstemperatur der Kühlflüssigkeit von max. 55 - 65 °C nicht überschreiten sollte. Durch eine passive Kühlung, etwa durch eine Abfuhr der Wärme über einen Radiator an die Umgebung, kann dies eingehalten werden. Im Gegensatz dazu ist die Temperaturgrenze bei einer Batterie bevorzugt bei ca. 40 °C Kühlwassertemperatur. Hier ist eine aktive Kühlung, wie etwa über Kältemittel, notwendig, wie vorstehend beschrieben.It can also be advantageous for the first cooling circuit to include at least one of the power electronics and a charger in addition to the electric motor. It has been shown that these components also require efficient cooling, and positioning them in the first cooling circuit is particularly easy to implement. This configuration can be advantageous because the power electronics should preferably not exceed an inlet temperature of the coolant of max. 55 - 65 °C. This can be maintained through passive cooling, for example by dissipating heat to the environment via a radiator. In contrast, the temperature limit for a battery is preferably around 40 °C cooling water temperature. In this case, active cooling, for example via coolant, is necessary, as described above.

Weiter bevorzugt kann der erste Kühlkreis einen Radiator zur Abfuhr von Wärme umfassen, insbesondere wobei der Radiator durch einen Bypass umführbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der zweite Kühlkreis einen Radiator zur Abfuhr von Wärme aufweist, insbesondere wobei der Radiator durch einen Bypass umführbar ist. In dieser Ausgestaltung kann der Kühlkreis beziehungsweise seine Kühlflüssigkeit durch den Radiator somit unmittelbar gekühlt werden. Dies kann die Effizienz der Kühlung weiter erhöhen. Durch das optionale Vorsehen eines Bypasses zum Umgehen des Radiators kann auf die Kühlung beispielsweise verzichtet werden. Dies kann situationsbedingt von Vorteil sein, etwa wenn eine Vorkonditionierung durchgeführt wird.More preferably, the first cooling circuit can comprise a radiator for dissipating heat, in particular wherein the radiator can be bypassed by a bypass. Alternatively or additionally, it can be provided that the second cooling circuit has a radiator for dissipating heat, in particular wherein the radiator can be bypassed by a bypass. In this embodiment, the cooling circuit or its coolant can thus be cooled directly by the radiator. This can further increase the efficiency of the cooling. By optionally providing a bypass to bypass the radiator, cooling can be dispensed with, for example. This can be advantageous depending on the situation, for example when preconditioning is carried out.

Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Luftkühlung einen Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit des Luftstroms aufweist. Durch die Bestimmung der Luftfeuchtigkeit können Rückschlüsse auf das Kühlvermögen gezogen werden, so dass die Effizienz weiter gesteigert werden kann.It may also be preferred for the air cooling system to have a sensor for measuring the humidity of the air flow. By determining the humidity, conclusions can be drawn about the cooling capacity, thus further increasing efficiency.

Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass wenigstens der erste Kühlkreis, der zweite Kühlkreis, der dritte Kühlkreis oder die Luftkühlung einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Kühlmediums aufweist. Auch diese Ausgestaltung kann die Effizienz des Thermomanagements verbessern, da auch die Temperatur des Kühlmittels Rückschlüsse auf die Kühlleistung erlaubt. Entsprechend kann beispielsweise durch den dritten Kühlkreis oder durch die Radiatoren das Kühlmittel entsprechend abgekühlt werden, so dass die Temperatur des jeweiligen Kühlmittels gesenkt werden und die Kühlleistung verbessert werden kann.It may further be preferred that at least the first cooling circuit, the second cooling circuit, the third cooling circuit, or the air cooling system have a temperature sensor for measuring the temperature of the cooling medium. This configuration can also improve the efficiency of thermal management, since the temperature of the coolant also allows conclusions to be drawn about the cooling performance. Accordingly, the coolant can be cooled accordingly, for example, by the third cooling circuit or by the radiators, so that the temperature of the respective coolant can be lowered and the cooling performance can be improved.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren weiter erläutert, wobei einzelne oder mehrere Merkmale der Figuren für sich oder in Kombination ein Merkmal der Erfindung sein können. Ferner sind die Figuren nur exemplarisch aber in keiner Weise beschränkend zu sehen.

  • 1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 zeigt eine Batteriestruktur für ein Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
The invention is further explained below with reference to the figures, where individual or multiple features of the figures may constitute a feature of the invention, either individually or in combination. Furthermore, the figures are to be viewed only as examples and in no way limiting.
  • 1 shows an electric drive system according to a first embodiment of the present invention; and
  • 2 shows a battery structure for a drive system according to the present invention.

In der 1 ist ein elektrisches Antriebssystem 10, gezeigt, welches etwa Anwendung finden kann in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, oder auch in stationären Anwendungen. Das elektrische Antriebssystem 10 umfasst ein Thermomanagementsystem 12 zum Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebssystems 10. In der 1 ist eine Ausgestaltung der Erfindung gezeigt.In the 1 An electric drive system 10 is shown, which can be used in an electrically powered vehicle, or in stationary applications. The electric drive system 10 includes a thermomana system 12 for cooling components of the electric drive system 10. In the 1 an embodiment of the invention is shown.

Das Thermomanagementsystem 12 umfasst einen ersten Kühlkreis 14, der ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischem Kontakt mit einem Elektromotor 16 ist. 1 zeigt ferner, dass der erste Kühlkreis 14 zusätzlich zu dem Elektromotor 16 Leistungselektronik 18 und ein Ladegerät 20 umfasst. Zum Fördern des flüssigen Kühlmediums ist ferner eine Flüssigkeitspumpe 22 vorgesehen. Der erste Kühlkreis 14 umfasst ferner einen Radiator 24 zur Abfuhr von Wärme von dem Kühlmittel beziehungsweise von der Kühlflüssigkeit des ersten Kühlkreises. Durch ein 3/2-Wegeventil 26 kann das Kühlmittel ferner durch einen Bypass 28 geleitet werden, so dass der Radiator 24 durch den Bypass 28 umführbar ist. In anderen Worten kann das Kühlmittel derart geleitet werden, dass es nicht am Radiator 24 entlangströmt.The thermal management system 12 comprises a first cooling circuit 14, which has a liquid coolant as the cooling medium and is in direct thermal contact with an electric motor 16. 1 further shows that the first cooling circuit 14, in addition to the electric motor 16, includes power electronics 18 and a charger 20. A liquid pump 22 is also provided for conveying the liquid cooling medium. The first cooling circuit 14 further includes a radiator 24 for dissipating heat from the coolant or cooling liquid of the first cooling circuit. A 3/2-way valve 26 allows the coolant to be directed through a bypass 28, so that the radiator 24 can be bypassed by the bypass 28. In other words, the coolant can be directed such that it does not flow along the radiator 24.

Das Thermomanagementsystem 12 umfasst ferner einen zweiten Kühlkreis 30, der ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischem Kontakt mit einer Batterie 32 ist. Der zweite Kühlkreis 30 umfasst ferner einen Radiator 34 zur Abfuhr von Wärme von dem Kühlmittel beziehungsweise von der Kühlflüssigkeit des zweiten Kühlkreises 30. Es kann wiederum ein nicht gezeigter Bypass vorgesehen sein, der wie hinsichtlich des ersten Kühlkreises 14 beschrieben ausgebildet und angeordnet sein kann.The thermal management system 12 further comprises a second cooling circuit 30, which has a liquid coolant as the cooling medium and is in direct thermal contact with a battery 32. The second cooling circuit 30 further comprises a radiator 34 for dissipating heat from the coolant or cooling liquid of the second cooling circuit 30. A bypass (not shown) may again be provided, which may be designed and arranged as described with respect to the first cooling circuit 14.

In dem zweiten Kühlkreis 30 ist ferner eine Kühlmittelpumpe 36, also eine Flüssigkeitspumpe, vorgesehen, um die Kühlflüssigkeit zu fördern. Es ist Mehrzahl an Sensoren vorgesehen, um den Betrieb des zweiten Kühlkreises 30 zu steuern. Grundsätzlich können entsprechende Sensoren auch in dem ersten Kühlkreis 14 vorliegen. Die Sensoren können beispielsweise einen ersten Temperatursensor 38, einen Durchflusssensor 40 und einen zweiten Temperatursensor 42 umfassen. Die Temperatursensoren 38, 42 können dabei stromaufwärts und stromabwärts der Batterie 32 angeordnet sein.Furthermore, a coolant pump 36, i.e., a liquid pump, is provided in the second cooling circuit 30 to pump the coolant. A plurality of sensors are provided to control the operation of the second cooling circuit 30. In principle, corresponding sensors can also be present in the first cooling circuit 14. The sensors can, for example, include a first temperature sensor 38, a flow sensor 40, and a second temperature sensor 42. The temperature sensors 38, 42 can be arranged upstream and downstream of the battery 32.

Durch einen Wärmetauscher 44 sind der erste Kühlkreis 14 und der zweite Kühlkreis 30 ferner thermisch miteinander verbunden.The first cooling circuit 14 and the second cooling circuit 30 are further thermally connected to one another by a heat exchanger 44.

Zusätzlich zu dem ersten Kühlkreis 14 und dem zweiten Kühlkreis 30 ist ferner eine Luftkühlung 46 Bestandteil des Thermomanagementsystems 12. Die Luftkühlung 46 verwendend Luft als Kühlmedium und ist in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie 32. Um eine effiziente Steuerung der Luftkühlung 46 zu erreichen, weist die Luftkühlung 46 einen Feuchtesensor 48 zur Messung der Luftfeuchtigkeit des Luftstroms auf. Zur Förderung des Luftstroms umfasst die Luftkühlung 46 ferner ein Gebläse 50.In addition to the first cooling circuit 14 and the second cooling circuit 30, an air cooling system 46 is also part of the thermal management system 12. The air cooling system 46 uses air as the cooling medium and is in direct thermal contact with the battery 32. To achieve efficient control of the air cooling system 46, the air cooling system 46 has a humidity sensor 48 for measuring the air humidity of the air flow. To promote the air flow, the air cooling system 46 further includes a fan 50.

Das Thermomanagementsystem 12 umfasst weiterhin einen dritten Kühlkreis 52. Der dritte Kühlkreis 52 ist derart ausgestaltet, dass er einen Kompressor 54, einen Radiator 56 und ein Expansionsventil 58 umfasst. Somit kann Kühlmedium durch den Kompressor 54 komprimiert und dadurch verflüssigt, durch den Radiator 56 gekühlt und durch das Expansionsventil 58 entspannt werden, so dass das Kühlmedium wieder gasförmig ist. In anderen Worten umfasst der dritte Kühlkreis 52 einen Verdampfungsmechanismus, der in direktem Kontakt mit der Batterie 32 beziehungsweise einer Kühlstruktur 66 der Batterie steht. Dadurch lässt sich eine sehr effiziente aktive Kühlung erreichen.The thermal management system 12 further comprises a third cooling circuit 52. The third cooling circuit 52 is configured to include a compressor 54, a radiator 56, and an expansion valve 58. Thus, the cooling medium can be compressed by the compressor 54 and thereby liquefied, cooled by the radiator 56, and expanded by the expansion valve 58, so that the cooling medium returns to a gaseous state. In other words, the third cooling circuit 52 comprises an evaporation mechanism that is in direct contact with the battery 32 or a cooling structure 66 of the battery. This allows for very efficient active cooling.

Es ist ferner gezeigt, dass der Kompressor 54 durch ein 4/2-Wegeventil 57 überbrückbar ist, so dass das Kältemittel den Kompressor 54 nicht mehr durchströmt. In diesem Fall kann der dritte Kühlkreis als Wärmepumpe dienen und die Kühlstruktur 66 kann als Kondensator dienen. Durch entsprechende Schaltung des 4/2-Wegeventils kann es somit ermöglicht werden, dass der dritte Kühlkreis die Batterie 32 somit selektiv heizt oder kühlt. Im Detail kann durch das 4/2-Wegeventil die Durchströmungsrichtung von Radiator 56 und Wärmetauscher 59 in der Batterie 32 geändert werden. Somit lässt sich der Radiator 56 im Falle der Durchströmung nach dem Kompressor 54 als Kondensor nutzen, so dass hier Wärme an die Umgebung abgeben wird. Der Wärmetauscher 59 fungiert dann als Evaporator und nimmt Wärme auf. Im Falle einer Durchströmung des Wärmetauscher 59 nach dem Kompressor 54 wird Wärme der Batterie 32 zugeführt und nach dem Entspannen des Gases durch das Expansionsventil 58 Wärme aus der Umgebung über den Radiator 56 aufgenommen.It is further shown that the compressor 54 can be bypassed by a 4/2-way valve 57, so that the refrigerant no longer flows through the compressor 54. In this case, the third cooling circuit can serve as a heat pump and the cooling structure 66 can serve as a condenser. By appropriately switching the 4/2-way valve, it can thus be made possible for the third cooling circuit to selectively heat or cool the battery 32. In detail, the 4/2-way valve can change the flow direction of the radiator 56 and the heat exchanger 59 in the battery 32. Thus, when flowing downstream of the compressor 54, the radiator 56 can be used as a condenser, so that heat is released into the environment. The heat exchanger 59 then functions as an evaporator and absorbs heat. In the case of flow through the heat exchanger 59 after the compressor 54, heat is supplied to the battery 32 and, after the gas has been expanded by the expansion valve 58, heat is absorbed from the environment via the radiator 56.

Der Bereich des dritten Kühlkreises 52, der durch die Kühlstruktur 66 fließt, kann auch als Wärmetauscher 59 bezeichnet werden.The area of the third cooling circuit 52 that flows through the cooling structure 66 may also be referred to as heat exchanger 59.

Die 2 zeigt eine Batteriestruktur 60 für das Antriebssystem 10 aus der 1, durch welche auf vorteilhafte Weise eine Kühlung der Batterie 32 durch den zweiten Kühlkreis 30, den dritten Kühlkreis 52 und die Luftkühlung 46 möglich ist.The 2 shows a battery structure 60 for the drive system 10 from the 1 , by means of which cooling of the battery 32 by the second cooling circuit 30, the third cooling circuit 52 and the air cooling 46 is advantageously possible.

Es sind zwei Batteriezellen 62, 64 der Batterie 32 gezeigt, wobei die Batterie 32 selbstredend auch mehr Batteriezellen aufweisen kann.Two battery cells 62, 64 of the battery 32 are shown, although the battery 32 may of course also have more battery cells.

Zwischen den Batteriezellen 62, 64 ist eine Kühlstruktur 66 vorgesehen. Die Kühlstruktur 66 liegt in einem Schichtverbund vor. Dieser weist ein festes Wärmeüberträgermedium 68 auf, welches entlang der Dicke des Schichtverbunds jeweils benachbart zu den Batteriezellen 62, 64 vorgesehen ist. Dieses kann etwa verformbar sein, um zum Ausgleich der Dehnung der Batteriezellen 62, 64 beim Laden und Entladen zu sorgen und kann ferner für den Wärmeübertrag sorgen. Beispielsweise kann das Wärmeüberträgermedium 68 als sogenanntes PCM (Phase change material) ausgebildet sein und die entstehende Abwärme der Zellen aufnehmen. Vorteilhaft ist hier aufgrund der Geometrie die Verwendung von prismatischen Zellen oder Pouch-Zellen als Batteriezellen 62, 64.A cooling structure 66 is provided between the battery cells 62, 64. The cooling structure 66 is provided in a layered composite. This has a solid heat transfer medium 68, which is arranged along the thickness of the layered composite. adjacent to the battery cells 62, 64. This can be deformable, for example, to compensate for the expansion of the battery cells 62, 64 during charging and discharging and can also ensure heat transfer. For example, the heat transfer medium 68 can be designed as a so-called PCM (phase change material) and absorb the waste heat generated by the cells. Due to their geometry, the use of prismatic cells or pouch cells as battery cells 62, 64 is advantageous here.

Zwischen diesen Schichten sind wenigstens ein Kanal 70 zum Führen von flüssigem und gasförmigem Kühlmedium und wenigstens ein Kanal 72 zum Führen eines gasförmigen Kühlmediums beziehungsweise Luft vorgesehen. Beispielsweise kann der Kanal 70 zum Führen von flüssigem und gasförmigem Kühlmedium entlang der Dicke des Schichtverbunds zwischen zwei Kanälen 72 zum Führen eines gasförmigen Kühlmediums vorgesehen sein.Between these layers, at least one channel 70 is provided for conducting liquid and gaseous cooling medium and at least one channel 72 is provided for conducting a gaseous cooling medium or air. For example, the channel 70 for conducting liquid and gaseous cooling medium can be provided along the thickness of the layer composite between two channels 72 for conducting a gaseous cooling medium.

In dieser Ausgestaltung kann eine besonders effektive Übertragung der Wärme der Batteriezellen auf das flüssige beziehungsweise auf das gasförmige Kühlmedium erfolgen. Hierbei wird der Kanal 70 zwischen dem festen Wärmeüberträgermedium 68 und einer etwa metallischen Struktur 74, welche Kanäle 70, 72 begrenzt, mit Kältemittel oder Gas aus dem dritten Kühlkreis 52 durchströmt. Im Falle von Kältemittel verdampft dieses im Zwischenraum beziehungsweise Kanal 70 und geht so vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Der Zwischenraum 72 wird durch die Luft aus der Luftkühlung 46 durchströmt.In this embodiment, a particularly effective transfer of the battery cells' heat to the liquid or gaseous cooling medium can be achieved. Here, coolant or gas from the third cooling circuit 52 flows through the channel 70 between the solid heat transfer medium 68 and an approximately metallic structure 74 that defines channels 70, 72. In the case of coolant, this evaporates in the intermediate space or channel 70 and thus transforms from the liquid to the gaseous state. The air from the air cooling system 46 flows through the intermediate space 72.

Beispielsweise kann Luft über die Kanäle zur Kühlung bereitgestellt werden. Zusätzlich ist aber noch die Möglichkeit der Kühlung über Kühlmittel wie Wasser/Glykol gegeben. Da die Bipolar-Platten über zwei Gaszugänge verfügen, kann der zweite Zugang für den Einsatz eines Kältemittels verwendet werden. Vorteilhaft ist hier ein Kältemittel mit vergleichsweise geringem Arbeitsdruck wie R1234yf oder R290.For example, air can be supplied via the ducts for cooling. Cooling with coolants such as water/glycol is also possible. Since the bipolar plates have two gas inlets, the second inlet can be used for the application of a refrigerant. A refrigerant with a comparatively low working pressure, such as R1234yf or R290, is advantageous here.

Es ist ferner erkennbar, dass die Batteriezellen 62, 64 beidseitig durch die entsprechenden Kühlstrukturen 66, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden können, gekühlt werden.It can also be seen that the battery cells 62, 64 are cooled on both sides by the corresponding cooling structures 66, which can also be referred to as bipolar plates.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
elektrisches Antriebssystemelectric drive system
1212
ThermomanagementsystemThermal management system
1414
erster Kühlkreisfirst cooling circuit
1616
Elektromotorelectric motor
1818
LeistungselektronikPower electronics
2020
Ladegerätcharger
2222
Flüssigkeitspumpeliquid pump
2424
Radiatorradiator
2626
3/2-Wegeventil3/2-way valve
2828
Bypassbypass
3030
zweiter Kühlkreissecond cooling circuit
3232
Batteriebattery
3434
Radiatorradiator
3636
Kühlmittelpumpecoolant pump
3838
TemperatursensorTemperature sensor
4040
Durchflusssensorflow sensor
4242
TemperatursensorTemperature sensor
4444
Wärmetauscherheat exchanger
4646
LuftkühlungAir cooling
4848
FeuchtesensorHumidity sensor
5050
Gebläsefan
5252
dritter Kühlkreisthird cooling circuit
5454
Kompressorcompressor
5656
Radiatorradiator
5757
4/2-Wegeventil4/2-way valve
5858
ExpansionsventilExpansion valve
5959
Wärmetauscherheat exchanger
6060
BatteriestrukturBattery structure
6262
BatteriezelleBattery cell
6464
BatteriezelleBattery cell
6666
KühlstrukturCooling structure
6868
WärmeüberträgermediumHeat transfer medium
7070
Kanalchannel
7272
Kanalchannel
7474
metallische Strukturmetallic structure

Claims (10)

Elektrisches Antriebssystem (10), wobei das elektrische Antriebssystem (10) ein Thermomanagementsystem (12) zum Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebssystems (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermomanagementsystem (12) eine Mehrzahl an Kühlkreisen (14, 30, 52) aufweist, wobei - ein erster Kühlkreis (14) des Thermomanagementsystems (12) ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischen Kontakt mit einem Elektromotor (16) des Antriebssystems (10) ist; und - ein zweiter Kühlkreis (30) des Thermomanagementsystems (12) ein flüssiges Kühlmittel als Kühlmedium aufweist und in direktem thermischen Kontakt mit einer Batterie (32) des Antriebssystems (10) ist, wobei - der erste Kühlkreis (14) und der zweite Kühlkreis (30) thermisch miteinander verbunden sind, wobei - eine Luftkühlung (46) des Thermomanagementsystems (12) verwendend Luft als Kühlmedium in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie (32) ist, und wobei - ein dritter Kühlkreis (52) des Thermomanagementsystems (12) in direktem thermischen Kontakt mit der Batterie (32) ist, wobei der dritte Kühlkreis (52) ein aktiver Kühlkreis mit einem Heizmechanismus und einem Kühlmechanismus ist, wobei die Batterie (32) durch den dritten Kühlkreis (52) selektiv kühlbar oder heizbar ist.Electric drive system (10), wherein the electric drive system (10) has a thermal management system (12) for cooling components of the electric drive system (10), characterized in that the thermal management system (12) has a plurality of cooling circuits (14, 30, 52), wherein - a first cooling circuit (14) of the thermal management system (12) has a liquid coolant as a cooling medium and is in direct thermal contact with an electric motor (16) of the drive system (10); and - a second cooling circuit (30) of the thermal management ment system (12) has a liquid coolant as a cooling medium and is in direct thermal contact with a battery (32) of the drive system (10), wherein - the first cooling circuit (14) and the second cooling circuit (30) are thermally connected to one another, wherein - an air cooling (46) of the thermal management system (12) using air as a cooling medium is in direct thermal contact with the battery (32), and wherein - a third cooling circuit (52) of the thermal management system (12) is in direct thermal contact with the battery (32), wherein the third cooling circuit (52) is an active cooling circuit with a heating mechanism and a cooling mechanism, wherein the battery (32) can be selectively cooled or heated by the third cooling circuit (52). Elektrisches Antriebssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal des dritten Kühlkreises (52) unmittelbar in eine Kühlstruktur (66) der Batterie (32) verläuft, wobei der dritte Kühlkreis (52) einen Verdampfungsmechanismus und einen Kondensationsmechanismus für ein Kühlmittel umfasst.Electric drive system (10) according to Claim 1 , characterized in that a cooling channel of the third cooling circuit (52) runs directly into a cooling structure (66) of the battery (32), wherein the third cooling circuit (52) comprises an evaporation mechanism and a condensation mechanism for a coolant. Elektrisches Antriebssystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlkreis (52) einen Kompressor (54), einen Radiator (56) und ein Expansionsventil (58) umfasst, wobei die Reihenfolge der Durchströmung von Radiator (56) und Batterie (32) durch Umschaltung eines 4/2-Wegeventils (57) änderbar ist zum selektiven Abführen oder Zuführen von Wärme zu der Batterie (32).Electric drive system (10) according to Claim 2 , characterized in that the third cooling circuit (52) comprises a compressor (54), a radiator (56) and an expansion valve (58), wherein the order of flow through the radiator (56) and the battery (32) can be changed by switching a 4/2-way valve (57) for selectively dissipating or supplying heat to the battery (32). Elektrisches Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (10) eine Batterie (32) aufweist, welche wenigstens zwei Batteriezellen (62, 64) umfasst, zwischen denen eine Kühlstruktur (66) vorgesehen ist, wobei die Kühlstruktur (66) in einem Schichtverbund vorliegt derart, dass entlang der Dicke des Schichtverbunds jeweils benachbart zu den Batteriezellen (62, 64) eine Schicht mit festem Wärmeüberträgermedium (68) vorgesehen ist, wobei zwischen diesen Schichten wenigstens ein Kanal (70) zum Führen von flüssigem und gasförmigem Kühlmedium und wenigstens ein Kanal (72) zum Führen eines gasförmigen Kühlmediums vorgesehen ist.Electric drive system (10) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the drive system (10) has a battery (32) which comprises at least two battery cells (62, 64), between which a cooling structure (66) is provided, wherein the cooling structure (66) is present in a layer composite such that a layer with a solid heat transfer medium (68) is provided along the thickness of the layer composite adjacent to the battery cells (62, 64), wherein between these layers at least one channel (70) for conducting liquid and gaseous cooling medium and at least one channel (72) for conducting a gaseous cooling medium is provided. Elektrisches Antriebssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (72) zum Führen von gasförmigem Kühlmedium entlang einer Dicke des Schichtverbunds zwischen Kanälen (70) zum Führen von flüssigem und gasförmigem Kühlmittel vorgesehen ist.Electric drive system (10) according to Claim 4 , characterized in that the channel (72) for guiding gaseous cooling medium along a thickness of the layer composite is provided between channels (70) for guiding liquid and gaseous coolant. Elektrisches Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreis (14) zusätzlich zu dem Elektromotor (16) wenigstens eines von der Leistungselektronik (18) und einem Ladegerät (20) umfasst.Electric drive system (10) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the first cooling circuit (14) comprises, in addition to the electric motor (16), at least one of the power electronics (18) and a charger (20). Elektrisches Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreis (14) einen Radiator (24) zur Abfuhr von Wärme umfasst, insbesondere wobei der Radiator (24) durch einen Bypass (28) umführbar ist.Electric drive system (10) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the first cooling circuit (14) comprises a radiator (24) for dissipating heat, in particular wherein the radiator (24) can be bypassed by a bypass (28). Elektrisches Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreis (30) einen Radiator (34) zur Abfuhr von Wärme aufweist, insbesondere wobei der Radiator (34) durch einen Bypass umführbar ist.Electric drive system (10) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the second cooling circuit (30) has a radiator (34) for dissipating heat, in particular wherein the radiator (34) can be bypassed by a bypass. Elektrisches Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlung (46) einen Feuchtesensor (48) zur Messung der Luftfeuchtigkeit des Luftstroms aufweist.Electric drive system (10) according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the air cooling (46) has a humidity sensor (48) for measuring the air humidity of the air flow. Elektrisches Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Kühlkreis (14), der zweite Kühlkreis (30), der dritte Kühlkreis (52) oder die Luftkühlung (46) einen Temperatursensor (38, 42) zur Messung der Temperatur des Kühlmediums aufweist.Electric drive system (10) according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that at least the first cooling circuit (14), the second cooling circuit (30), the third cooling circuit (52) or the air cooling (46) has a temperature sensor (38, 42) for measuring the temperature of the cooling medium.
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