D08.50-A031-79
Thermomanagement, Blockschaltbild |
A1 | Kombiinstrument | N24/6 | Gleichstromladeverbindungseinheit | |
A9/6 | Elektrischer Kältemittelverdichter | N33/16 | Steuergerät Hochvolt PTC-Heizer | |
A79/1 | Elektrische Maschine 1 | N33/17 | Steuergerät Batterieheizung | |
A79/3 | Steuergerät Leistungselektronik | N73/8 | Steuergerät Elektronisches Zündschloss (EZS) | |
B11/6 | Temperatursensor Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur 1 | N82/2 | Steuergerät Batteriemanagementsystem | |
B11/7 | Temperatursensor Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur 2 | N83/3 | Steuergerät DC/DC-Wandler | |
B94/2 | Temperatursensor elektrische Maschine | N83/15 | Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie | |
B161/1 | Druck- und Temperatursensor Kühler | N127 | Steuergerät Antriebsstrang | |
B161/2 | Druck- und Temperatursensor Kondensator | Y16/9 | Umschaltventil Kondensatvermeidung | |
B183/11 | Temperatursensor Hochvoltbatterie 1 | Y19/19 | Absperrventil Verdampfer Hochvoltbatterie-Kühlung | |
B183/12 | Temperatursensor Hochvoltbatterie 2 | Y125/5 | Umschaltventil Hochvoltbatteriekühlung | |
B183/13 | Temperatursensor Hochvoltbatterie 3 | Y140/1 | Expansionsventil | |
B183/14 | Temperatursensor Hochvoltbatterie 4 (mit Code E4T (Hochvoltbatterie (47 kWh))) | CAN B | Innenraum-CAN | |
G1/31 | Hochvoltbatterie 1 | CAN BAT | Batteriemanagementsystem-CAN | |
G1/32 | Hochvoltbatterie 2 | CAN ED | Elektroantriebs-CAN | |
G1/33 | Hochvoltbatterie 3 | CAN HMI | Benutzerschnittstelle-CAN | |
G1/34 | Hochvoltbatterie 4 (mit Code E4T (Hochvoltbatterie (47 kWh))) | CAN L | Hybrid-CAN | |
M4/14 | Lüfter Kühler | CAN PER | Peripherie-CAN | |
M13/4 | Umwälzpumpe | Flex E | Fahrwerk-FlexRay | |
M75/16 | Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 | LIN B8 | Klimatisierungs-LIN | |
M75/17 | Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 2 | LIN C3 | Antriebsstrang-LIN | |
N10 | Steuergerät SAM | O | Option | |
N22/2 | Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik | S | Standard |
D20.00-A004-79
Thermomanagement, schematische Darstellung |
1 | Ausgleichsbehälter Niedertemperaturkreislauf 1 | M4/14 | Lüfter Kühler | |
2 | Ausgleichsbehälter Niedertemperaturkreislauf 2 | M13/4 | Umwälzpumpe | |
3 | Kondensator | M75/16 | Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 | |
4 | Kühler Niedertemperaturkreislauf 1 | M75/17 | Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 2 | |
5 | Kühler Niedertemperaturkreislauf 2 | N33/16 | Steuergerät Hochvolt PTC-Heizer | |
6 | Verdampfer (Fahrzeuginnenraum) | N33/17 | Steuergerät Batterieheizung | |
7 | Heizungswärmetauscher | N83/3 | Steuergerät DC/DC-Wandler | |
8 | Verdampfer/Wärmetauscher | N83/15 | Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie | |
10 | Innerer Wärmetauscher | Y16/9 | Umschaltventil Kondensatvermeidung | |
11 | Regelventil | Y19/19 | Absperrventil Verdampfer Hochvoltbatterie-Kühlung | |
A9/6 | Elektrischer Kältemittelverdichter | Y125/5 | Umschaltventil Hochvoltbatteriekühlung | |
A79/1 | Elektrische Maschine 1 | Y140/1 | Expansionsventil | |
A79/3 | Steuergerät Leistungselektronik | A | Niedertemperaturkreislauf 1 | |
G1/31 | Hochvoltbatterie 1 | B | Niedertemperaturkreislauf 2 | |
G1/32 | Hochvoltbatterie 2 | C | Heizkreislauf | |
G1/33 | Hochvoltbatterie 3 | D | Kältemittelkreislauf | |
G1/34 | Hochvoltbatterie 4 (mit Code E4T (Hochvoltbatterie (47 kWh))) |
Funktionsvoraussetzung Kühlung Hochvolt-Bordnetz allgemein
Klemme 30
Funktionsablauf Kühlung Hochvolt-Bordnetz
Der Funktionsablauf ist in folgenden Punkten beschrieben:
Thermomanagement allgemein
Thermomanagement Funktion
Aufbau
Kühlung elektrische Maschine 1 und Hochvoltkomponenten (Niedertemperaturkreislauf 1)
Kühlung Hochvoltbatterien (Niedertemperaturkreislauf 2)
Thermomanagement allgemein
Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie und dem Umrichten der verschiedenen Spannungen entsteht als Nebenprodukt Abwärme. Um diese Abwärme abzuführen, besitzt der Elektroantrieb ein intelligentes, wasserbasiertes Thermomanagement.
Die Betriebstemperatur der Hochvoltbatterien und der elektrischen Maschine 1 (A79/1) müssen in einem bestimmten Bereich liegen, um sicherzustellen, dass die Ladekapazität, die Anzahl der Ladezyklen und die Lebenserwartung der Hochvoltbatterien bzw. der Betrieb der Hochvoltkomponenten optimiert und gesichert werden. Die Hochvoltbatterien und die elektrische Maschine 1 sind deshalb Teil der separaten Niedertemperatur-Kühlmittelkreisläufe:
Niedertemperaturkreislauf 1
Kühlung der Hochvoltkomponenten und der elektrischen Maschine 1
Niedertemperaturkreislauf 2
Kühlung bzw. Temperierung der Hochvoltbatterien
Während des Fahr- und Ladebetriebs werden durch den Niedertemperaturkreislauf 1 die elektrische Maschine 1, das Steuergerät Leistungselektronik (A79/3) und die Hochvoltkomponenten (Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie (N83/15) sowie das Steuergerät DC/DC-Wandler (N83/3)) gekühlt und vor Überhitzungsschäden geschützt.
Über den Niedertemperaturkreislauf 2 werden die Hochvoltbatterien gekühlt bzw. temperiert.
Die erzeugte Wärme der Hochvoltbatterien wird bei Bedarf nach dem Prinzip der Wärmepumpe an den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage abgeführt und über den wassergekühlten Kondensator auch an den Heizkreislauf geleitet und für die Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt. Dadurch wird der Energieverbrauch aus den Hochvoltbatterien zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums reduziert und der Energiehaushalt des Hochvolt-Bordnetzes wird dabei geschont. Bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und den Hochvoltbatterien wird diese bei Bedarf auch über den Frontkühler gekühlt.
Die Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 (M75/16) für die elektrische Maschine 1 und die Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 2 (M75/17) für die Hochvoltbatterien werden im Fahrbetrieb permanent vom Steuergerät Antriebsstrang (N127) zugeschaltet. Das Steuergerät Batteriemanagementsystem (N82/2) wertet die Temperatur der Hochvoltbatterien über die Temperatursensoren der Hochvoltbatterien aus und übermittelt diesen Status an das Steuergerät Antriebsstrang.
Die Temperatursensoren der elektrischen Maschine 1, der Hochvoltbatterien und der Kühlmittelkreisläufe kontrollieren die Betriebstemperatur des Hochvolt-Bordnetzes, um eine optimale Betriebstemperatur und die Langlebigkeit der Komponenten zu gewährleisten. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird über das Steuergerät Batterieheizung (N33/17) das Kühlmittel im Niedertemperaturkreislauf 2 aufgeheizt, um die Betriebstemperatur der Hochvoltbatterien zu erreichen.
Die erzeugte Wärme der Hochvoltbatterien wird bei Bedarf auch an den Heizkreislauf abgeführt und für die Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt. Dadurch wird der Energieverbrauch aus den Hochvoltbatterien zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums reduziert und somit die Reichweite des Elektrofahrzeugs erhöht.
Detaillierte Informationen zum Kältemittelkreislauf Klimaanlage sowie zum Heizkreislauf Fahrzeuginnenraum sind in der separaten Funktionsbeschreibung "Klimatisierung Elektrofahrzeug Funktion" enthalten.
Detaillierte Informationen zur Hochvoltbatterieheizung sind in der separaten Funktionsbeschreibung "Hochvolt-Bordnetz Funktion" enthalten.
Thermomanagement Funktion
Im Vergleich zum Verbrenner-Fahrzeug umfasst das Thermomanagement-System im Elektrofahrzeug zahlreiche zusätzliche Funktionen:
Kühlung des elektrischen Antriebsstrangs und der Elektrokomponenten (Niedertemperaturkreislauf 1)
Heizkreislaufaufheizung für den Fahrzeuginnenraum über das Steuergerät Hochvolt PTCHeizer (N33/16)
Zuheizung in Heizkreislauf für den Fahrzeuginnenraum durch den Niedertemperaturkreislauf 2 über die Umwälzpumpe (M13/4)
Nutzung der Hochvoltbatterie- und Verdampferabwärme über die Wärmepumpen-Funktion zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums
Kühlung der Hochvoltbatterien über den Verdampfer/Wärmetauscher (8) (Kältemittelkreislauf)
Kühlung der Hochvoltbatterien über den Kühler Niedertemperaturkreislauf 2 (5)
Beheizung der Hochvoltbatterien über das Steuergerät Batterieheizung (Niedertemperaturkreislauf 2)
Regelung des wasserseitigen Kondensators (3)
Vorheizung-/Kühlung des Fahrzeuginnenraums beim Laden
Diese Funktionen sind zu einem großen Teil auf das Steuergerät Antriebsstrang und das Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik verteilt. Die verteilten Thermomanagement-Funktionen erfordern eine intensive Kommunikation zwischen den Steuergeräten.
Das Thermomanagementsystem besteht kühlwasserseitig aus den folgenden Kreisläufen:
Niedertemperaturkreislauf 1:
Kühlung elektrischer Antriebsstrang, Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie, Gleichstromladeverbindungseinheit, Steuergerät DC/DCWandler
Niedertemperaturkreislauf 2:
Hochvoltbatterien
Heizkreislauf:
Fahrzeuginnenraum, KlimaanlageKondensator
Kältemittelkreislauf:
Verdampfer und WärmetauscherZweig
Der Niedertemperaturkreislauf 2 und der Heizkreislauf sind hydraulisch miteinander verbunden.
Die WärmepumpenFunktion des Systems ermöglicht einen sehr effizienten Heizbetrieb besonders im Temperaturbereich von 5 bis 20 °C (Umluftausnutzung), erhöht aber die Systemkomplexität und Interaktion zwischen dem Steuergerät Antriebsstrang und dem Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik.
Die Hochvoltbatteriekühlung erfolgt je nach Randbedingungen über den Kühler Niedertemperaturkreislauf 2 (5) oder den Verdampfer/Wärmetauscher (8) (Kältemittelkreislauf).
Aufbau
Das Thermomanagement besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:
Kondensator:
Der Kondensator (3) ist verantwortlich für die Verflüssigung (Kondensation) des Kältemittels. Dies geschieht bei der hier verwendeten Bauform durch eine Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Wasser im Heizkreislauf (am Eintritt gasförmig mit ca. 90 °C bei ca. 18 bar Druck). Dadurch kann die "Abwärme" im Kältemittelkreislauf zum Heizen verwendet werden.
Verdampfer/Wärmetauscher:
Der Verdampfer/Wärmetauscher (8) ist verantwortlich für die Verdampfung des Kältemittels. Dies geschieht bei der hier verwendeten Bauform durch eine Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Wasser im Batteriekühlkreis (Niedertemperaturkreislauf 2). Dadurch kann entweder die "Abwärme" der Hochvoltbatterien das Energieniveau im Kältemittelkreislauf anheben und somit zum Heizen verwendet werden, oder die Hochvoltbatterien können gekühlt werden.
Steuergerät Hochvolt PTCHeizer:
Das Steuergerät Hochvolt PTCHeizer (N33/16) (PTC = positiver Temperaturkoeffizient) ist verantwortlich für die Aufheizung des Wassers im Heizkreislauf. Einfach ausgedrückt handelt es sich hierbei um einen elektrisch betriebenen Durchlauferhitzer.
Umschaltventil Kondensatvermeidung:
Das Umschaltventil Kondensatvermeidung (Y16/9) regelt die hydraulische Verbindung von Heizkreislauf und Batteriekühlkreis (Niedertemperaturkreislauf 2).
Umschaltventil Hochvoltbatteriekühlung:
Die Regelung des Niedertemperaturkreislaufs 2 erfolgt über die Ansteuerung des Umschaltventils Hochvoltbatteriekühlung (Y125/5).
Umwälzpumpe:
Die Umwälzpumpe (M13/4) wälzt das Wasser im Heizkreislauf für den Fahrzeuginnenraum um.
Umwälzpumpen Kühlmittel Niedertemperaturkreisläufe:
Die Umwälzpumpen Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf (M75/16, M75/17) wälzen das Kühlmittel in den separaten Niedertemperaturkreisläufen 1 und 2 um.
Elektrischer Kältemittelverdichter:
Der elektrische Kältemittelverdichter (A9/6) ist für das Ansaugen und Verdichten des Kältemittels zuständig.
Zusätzliche Funktionsvoraussetzung Kühlung elektrische Maschine 1 und Hochvoltkomponenten
Elektroantrieb "READY", Bypass
Kühlung elektrische Maschine 1 und Hochvoltkomponenten
Die Kühlung der elektrischen Maschine 1 und der Hochvoltkomponenten erfolgt über den Niedertemperaturkreislauf 1.
Das Steuergerät Antriebsstrang liest zur Steuerung der Kühlung der elektrischen Maschine 1 folgende Signale vom Steuergerät Leistungselektronik ein:
Temperatur elektrische Maschine 1
Status elektrische Maschine 1
Zu diesem Zweck sendet das Steuergerät Leistungselektronik seinen Status an das Steuergerät Antriebsstrang.
Der Stator der elektrischen Maschine 1, das Steuergerät Leistungselektronik, das Steuergerät DC/DC-Wandler, das Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie und die Gleichstromladeverbindungseinheit haben den gemeinsamen Kühlmittelkreislauf Niedertemperaturkreislauf 1. Dieser separate Wasser/GlykolKreislauf (Mischungsverhältnis 50/50) schützt die Hochvoltkomponenten vor Überhitzungsschäden.
Das Steuergerät Leistungselektronik wertet die Temperatur der elektrischen Maschine 1 über den Temperatursensor elektrische Maschine (B94/2) aus und übermittelt diese dem Steuergerät Antriebsstrang. Das Steuergerät Antriebsstrang wertet zusätzlich über den Temperatursensor Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur 1 (B11/6) die Temperatur des Niedertemperaturkreislaufs 1 aus und steuert die Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 entsprechend an.
Die Spannungsversorgung der Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 erfolgt PLUS-seitig über das Sicherungs- und Relaismodul Fahrzeuginnenraum (F152). Masseseitig erfolgt die Spannungsversorgung über den Massepunkt vorn links 2 (W9/7).
Die Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 saugt bei entsprechender Ansteuerung das Kühlmittel an und pumpt es im Niedertemperaturkreislauf 1 durch das Gehäuse der elektrischen Maschine 1 und der Hochvoltkomponenten. Die Abwärme der elektrischen Maschine 1 und der Hochvoltkomponenten wird an das Kühlmittel abgegeben.
Ab einer Kühlmitteltemperatur von ca. 35 °C fließt das Kühlmittel weiter in den Kühler Niedertemperaturkreislauf 1 (4), wo es durch den Fahrtwind abgekühlt wird und zurück zur Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 1 fließt. Bei unzureichendem Luftstrom wird zusätzlich der Lüfter Kühler (M4/14) vom Steuergerät Antriebsstrang angesteuert. Der Kühler Niedertemperaturkreislauf 1 gibt die Abwärme direkt an die Umgebungsluft ab.
Zusätzliche Funktionsvoraussetzung Kühlung Hochvoltbatterien
Elektroantrieb "READY"
Kühlung Hochvoltbatterien
Die Kühlung der Hochvoltbatterien erfolgt über den Niedertemperaturkreislauf 2.
Das Steuergerät Antriebsstrang koordiniert die Energieflüsse des Antriebssystems und bildet, bezogen auf die elektrischen Größen, die Schnittstelle zum Steuergerät Batteriemanagementsystem (N82/2), zum Steuergerät Leistungselektronik (A79/3) und zum elektrischen Kältemittelverdichter (A9/6).
Das Steuergerät Antriebsstrang liest zur Steuerung der Kühlung der Hochvoltbatterien folgende Signale vom Steuergerät Batteriemanagementsystem ein:
Temperatur Hochvoltbatterien
Status Batteriemanagementsystem
Das Steuergerät Batteriemanagementsystem wertet die Temperatur der Hochvoltbatterien über die Temperatursensoren Hochvoltbatterie aus und fordert bei Bedarf Kühlleistung über das Steuergerät Antriebsstrang an.
Zu diesem Zweck sendet das Steuergerät Batteriemanagementsystem seinen Status an das Steuergerät Antriebsstrang.
Das Steuergerät Antriebsstrang gleicht die Anforderung mit den Vorgaben des Energiemanagements ab und erteilt die Freigabe zur Ansteuerung des elektrischen Kältemittelverdichters. Die Freigabe des elektrischen Kältemittelverdichters erfolgt dabei unter Berücksichtigung des Ladezustands der Hochvoltbatterien und der maximal tolerierbaren Entladespannungen/-ströme.
Die Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 2 pumpt das Kühlmittel durch die Kühlgehäuse der Hochvoltbatterien, um diese zu kühlen. Dort nimmt das Kühlmittel die Abwärme der Hochvoltbatterien auf und wird aufgeheizt.
Das Kühlmittel gibt die überflüssige Wärmeenergie über den Kühler Niedertemperaturkreislauf 2 (5) an die Umgebungsluft ab. Reicht der Luftstrom hierzu nicht aus, wird zusätzlich der Kühler Lüfter vom Steuergerät Antriebsstrang angesteuert.
Die Regelung des Niedertemperaturkreislaufs 2 erfolgt über die Ansteuerung des Umschaltventils Hochvoltbatteriekühlung (Y125/5).
Von den Hochvoltbatterien strömt der weitaus größere Teil des aufgeheizten Kühlmittels zum Umschaltventil Hochvoltbatteriekühlung. Je nach Kühlmitteltemperatur leitet das Umschaltventil Hochvoltbatteriekühlung das Kühlmittel durch den Kühler des Niedertemperaturkreislaufs 2 und wieder zurück zur Umwälzpumpe Kühlmittel Niedertemperaturkreislauf 2. Ein Teil des Kühlmittels wird zur zusätzlichen Kühlung der Hochvoltbatterien über den Verdampfer/Wärmetauscher (8) und zum Aufwärmen der Hochvoltbatterien über das Steuergerät Batterieheizung geleitet.
Ist die Wärmeabgabe über den Kühler Niedertemperaturkreislauf 2 nicht ausreichend (z. B. hohe Umgebungstemperaturen), wird zusätzlich der Kältemittelkreislauf der Klimaanlage zur Kühlung des Kühlmittels angefordert. Hierzu wird vom Steuergerät Antriebsstrang das Umschaltventil Hochvoltbatteriekühlung angesteuert und der elektrische Kältemittelverdichter zugeschaltet.
Das Steuergerät Antriebsstrang fordert über den CANVerbund beim Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik die Ansteuerung des elektrischen Kältemittelverdichters an. Das Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik steuert daraufhin den elektrischen Kältemittelverdichter an.
Das Kühlmittel fließt durch den Wärmetauscher und ermöglicht so die Abgabe der Wärmeenergie an den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage. Der Wärmetauscher kühlt das Kühlmittel durch das eingespritzte und verdampfende Kältemittel ab. Das abgekühlte Kühlmittel steht anschließend dem Niedertemperaturkreislauf 2 zur Verfügung.
Die Kühlleistung ist maßgeblich von der Höhe der Ansteuerung des elektrischen Kältemittelverdichters abhängig. Ist der Ladezustand der Hochvoltbatterien sehr niedrig, wird die Leistung des elektrischen Kältemittelverdichters heruntergeregelt.
Referenzierte Dokumente
- gf0800d9999te Übersicht Systembauteile Elektrofahrzeug
- gf4770d0001te Hochvolt-Bordnetz Funktion
- gf8300d0001te Klimatisierung Elektrofahrzeug Funktion