Kühlung Hochvoltsystem Funktion

S20.00-A039-79

S20.00-A040-79

Funktionsvoraussetzung Kühlung Hochvolt-Bordnetz allgemein

 Klemme 30

Funktionsablauf Kühlung Hochvolt-Bordnetz

Der Funktionsablauf ist in folgenden Punkten beschrieben:

 Thermomanagement allgemein

 Thermomanagement Funktion

 Aufbau

 System-Betriebsfälle

 Kühlung elektrische Maschine und Hochvoltkomponenten (Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur­Kreis 1)

 Kühlung Hochvoltbatterien (Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur­Kreis 2)

Thermomanagement allgemein

Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie und dem Umrichten der verschiedenen Spannungen (12 V/Hochvolt/3­Phasen­Wechselspannung) entsteht als Nebenprodukt Abwärme. Um diese Abwärme abzuführen, besitzt der Elektroantrieb ein intelligentes, wasserbasiertes Thermomanagement.

Die Betriebstemperatur der Hochvoltbatterien und der elektrischen Maschine 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 sind deshalb Teil der separaten Niedertemperatur-Kühlmittelkreisläufe:

 Der Niedertemperatur-Kreis 1 schützt die Hochvoltkomponenten und die elektrische Maschine vor Überhitzungsschäden.

 Der Niedertemperatur-Kreis 2 gehört zur Kühlung der Hochvoltbatterien.

Durch den Kühlmittelkreislauf der Hochvoltbatterien und den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage wird der Fahrzeuginnenraum klimatisiert und die Hochvoltbatterien bei aktivierter elektrischen Maschine möglichst in einem Temperaturfenster von ca. 20 bis 25 °C gehalten. Hierbei wird die Abwärme der Hochvoltbatterien zusätzlich bei Bedarf an den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage abgeführt.

Während des Fahr- und Vorheizbetriebs werden durch den Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur-Kreis 1 die elektrische Maschine (A79/1), das Steuergerät Elektrische Maschine (A79/3), das Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie (N83/11) und das Steuergerät DC/DC-Wandler (N83/3) gekühlt.

Über den Niedertemperatur-Kreis 2 werden die Hochvoltbatterien (G1/18, G1/27, G1/28) gekühlt bzw. temperiert.

Die Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 1 (M75/16) für die elektrische Maschine und die Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 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 über Hybrid-CAN (CAN L) an das Steuergerät Antriebsstrang.

Ein weiterer Temperatursensor (Temperatursensor Elektrische Maschine (B94/2)) befindet sich an der elektrischen Maschine. Der gemessene Wert dieses Sensors wird vom Steuergerät Elektrische Maschine über Elektroantriebs-CAN (CAN ED) an das Steuergerät Antriebsstrang übermittelt. Je nach gemessener Temperatur steuert das Steuergerät Antriebsstrang bedarfsgerecht die Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 1 und die Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 2 an.

Die Temperatursensoren der elektrischen Maschine, der Hochvoltbatterien und der Kühlmittelkreisläufe kontrollieren die Betriebstemperatur des Hochvolt-Bordnetzes, um Temperaturschäden zu verhindern und die Langlebigkeit der Komponenten zu gewährleisten. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird über das Steuergerät Batterieheizung (N33/8) das Kühlmittel im Niedertemperatur-Kreis 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 "Hochvoltsystem Funktion" enthalten.

Thermomanagement Funktion

Im Vergleich zum Verbrenner-Fahrzeug umfasst das Thermomanagement-System im Elektrofahrzeug zahlreiche zusätzliche Funktionen:

 Kühlung elektrischer Antriebsstrang und Elektrokomponenten (Niedertemperatur­Kreis 1)

 Heizkreislaufaufheizung für Fahrzeuginnenraum über Steuergerät Hochvolt PTC­Heizer (N33/7)

 Zuheizung in Heizkreislauf für Fahrzeuginnenraum über Kühlmittelpumpe Niedertemperatur­Kreis 2 (Wärmepumpe)/Steuergerät Hochvolt PTC­Heizer

 Nutzung Hochvoltbatterie- und Verdampferabwärme über Wärmepumpen-Funktion für Beheizung Fahrzeuginnenraum

 Kühlung Hochvoltbatterien über Verdampfer/Wärmetauscher (8) (Kältemittelkreislauf)

 Kühlung Hochvoltbatterien über Kühler Niedertemperatur­Kreis 2

 Beheizung Hochvoltbatterien über Steuergerät Batterieheizung (Niedertemperatur­Kreis 2)

 Regelung wasserseitiger Kondensator (3)

 Vorheizung-/Kühlung Fahrzeuginnenraum beim Laden

Diese Funktionen sind zu einem großen Teil auf das Steuergerät Antriebsstrang und das Steuer- und Bediengerät Klimaanlage (KLA­V&KLA­H) (S98) verteilt. Die verteilten Thermomanagement-Funktionen erfordern eine intensive Kommunikation zwischen den Steuergeräten.

Diese erfolgt vom Steuergerät Antriebsstrang über Fahrwerk­CAN (CAN E) an Steuergerät Elektronisches Zündschloss (EZS) (N70) und über Innenraum­CAN (CAN B) an Steuer- und Bediengerät Klimaanlage (KLA-V&KLA-H) und umgekehrt.

Das Thermomanagementsystem besteht kühlwasserseitig aus den folgenden Kreisläufen:

 Niedertemperatur­Kreis 1:

Kühlung elektrischer Antriebsstrang, Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie, Steuergerät DC/DC­Wandler

 Niedertemperatur­Kreis 2:

Hochvoltbatterien

 Heizkreislauf:

Fahrzeuginnenraum, Klimaanlage­Kondensator

 Kältemittelkreislauf:

Verdampfer und Wärmetauscher­Zweig

 Der Niedertemperatur­Kreis 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 Steuer- und Bediengerät Klimaanlage (KLA-V&KLA-H).

Die Hochvoltbatterie­Kühlung erfolgt je nach Randbedingungen über den Kühler Niedertemperatur­Kreis 2 oder Verdampfer/Wärmetauscher (Kältemittelkreislauf).

Aufbau

Das Thermomanagement besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

 Kondensator:

Der Kondensator 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 ist verantwortlich für die Verdampfung des Kältemittels. Dies geschieht bei der hier verwendeten Bauform durch eine Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Wasser im Batteriekühlkreis (Niedertemperatur­Kreis 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 (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 (Y16/10):

Das Umschaltventil Kondensatvermeidung regelt die hydraulische Verbindung von Heizkreislauf und Batteriekühlkreis (Niedertemperatur­Kreis 2).

 Umschaltventil Batterie Niedertemperatur-Kreislauf (Y125/4):

Die Regelung des Niedertemperatur­Kreises 2 erfolgt über die Ansteuerung des Umschaltventils Batterie Niedertemperatur-Kreislauf.

 Elektrische Zusatz­Wasserpumpe:

Die elektrische Zusatz­Wasserpumpe wälzt das Wasser im Heizkreislauf für den Fahrzeuginnenraum um.

 Kühlmittelpumpen Niedertemperatur-Kreis:

Die Kühlmittelpumpen wälzen das Kühlmittel in den separaten Kühlmittelkreisläufen um.

 Elektrischer Kältemittelverdichter:

Der elektrische Kältemittelverdichter ist für das Ansaugen und Verdichten des Kältemittels zuständig.

Zusätzliche Funktionsvoraussetzung Kühlung elektrische Maschine und Hochvoltkomponenten

 Elektroantrieb "READY", Bypass

Kühlung elektrische Maschine und Hochvoltkomponenten

Die Kühlung der elektrische Maschine und der Hochvoltkomponenten erfolgt über den Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur­Kreis 1.

Das Steuergerät Antriebsstrang liest zur Steuerung der Kühlung der elektrischen Maschine folgende Signale über den Elektroantriebs-CAN ein:

 Steuergerät Elektrische Maschine:

 Temperatur elektrische Maschine

 Status elektrische Maschine

Zu diesem Zweck sendet das Steuergerät Elektrische Maschine seinen Status über den Elektroantriebs-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang.

Der Stator der elektrischen Maschine, das Steuergerät Elektrische Maschine, das Steuergerät DC/DC-Wandler und das Wechselstromladegerät für Hochvoltbatterie haben den gemeinsamen Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur­Kreis 1. Dieser separate Wasser/Glykol­Kreislauf (Mischungsverhältnis 50/50) schützt die Hochvoltkomponenten vor Überhitzungsschäden.

Das Steuergerät Elektrische Maschine wertet die Temperatur der elektrischen Maschine über den Temperatursensor Elektrische Maschine (B94/2) aus und übermittelt diese dem Steuergerät Antriebsstrang. Das Steuergerät Antriebsstrang wertet zusätzlich über den Temperatursensor Kühlmittel 1 (B11/6) die Temperatur des Niedertemperatur-Kreises 1 aus und steuert die Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 1 (M75/16) über LIN­Verbindung entsprechend an.

Die Spannungsversorgung der Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 1 erfolgt plusseitig über das Sicherungs- und Relaismodul Motorraum (K40/10). Masseseitig erfolgt die Spannungsversorgung über den Massepunkt Leuchteinheit vorn rechts (W2).

Die Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 1 saugt bei entsprechender Ansteuerung das Kühlmittel an und pumpt es im Niedertemperatur­Kreis 1 durch das Gehäuse der elektrischen Maschine und der Hochvoltkomponenten. Die Abwärme der Komponenten wird an das Kühlmittel abgegeben.

Ab einer Kühlmitteltemperatur von ca. 35 °C fließt das Kühlmittel weiter in den Kühler Niedertemperatur-Kreis 1 (4), wo es durch den Fahrtwind abgekühlt wird und zurück zur Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 1 fließt. Bei unzureichendem Luftstrom wird zusätzlich der elektrische Lüfter (M91) vom Steuergerät Antriebsstrang angesteuert. Der Kühler Niedertemperatur-Kreis 1 gibt die Abwärme direkt an die Umgebungstemperatur ab.

Zusätzliche Funktionsvoraussetzung Kühlung Hochvoltbatterien

 Elektroantrieb "READY"

Kühlung Hochvoltbatterien

Die Kühlung der Hochvoltbatterien erfolgt über den Kühlmittelkreislauf Niedertemperatur­Kreis 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 Elektrische Maschine und zum elektrischen Kältemittelverdichter (A9/6).

Das Steuergerät Antriebsstrang liest zur Steuerung der Kühlung der Hochvoltbatterien folgende Signale über den Hybrid­CAN (CAN L) ein:

 Steuergerät Batteriemanagementsystem:

 Temperatur Hochvoltbatterien

 Status Batteriemanagementsystem

Das Steuergerät Batteriemanagementsystem wertet die Temperatur der Hochvoltbatterien über die Temperatursensoren Hochvoltbatterie (B183, B183/1, B183/2) aus und fordert bei Bedarf Kühlleistung über das Steuergerät Antriebsstrang an.

Zu diesem Zweck sendet das Steuergerät Batteriemanagementsystem seinen Status über den Hybrid­CAN 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 Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 2 (M75/17) 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 Niedertemperatur-Kreis 2 (5) an die Umgebungsluft ab. Sollte der Luftstrom hierzu nicht ausreichen, wird zusätzlich der elektrische Lüfter (M91) vom Steuergerät Antriebsstrang angesteuert.

Die Regelung des Niedertemperatur­Kreises 2 erfolgt über die Ansteuerung des Umschaltventils Batterie Niedertemperatur-Kreislauf (Y125/4).

Von den Hochvoltbatterien strömt der weitaus größere Teil des aufgeheizten Kühlmittels zum Umschaltventil Batterie Niedertemperatur-Kreislauf. Je nach Kühlmitteltemperatur leitet das Umschaltventil Batterie Niedertemperatur-Kreislauf das Kühlmittel durch den Kühler des Niedertemperatur-Kreises 2 und wieder zurück zur Kühlmittelpumpe Niedertemperatur-Kreis 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 Niedertemperatur-Kreis 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 Batterie Niedertemperatur-Kreislauf angesteuert und der elektrische Kältemittelverdichter zugeschaltet.

Das Steuergerät Antriebsstrang fordert über den CAN­Verbund beim Steuer- und Bediengerät Klimaanlage (KLA-V&KLA-H) (S98) die Ansteuerung des elektrischen Kältemittelverdichters an. Das Steuer- und Bediengerät Klimaanlage (KLA-V&KLA-H) steuert daraufhin den elektrischen Kältemittelverdichter über Klimatisierungs-LIN (LIN B8) 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 Niedertemperatur­Kreis 2 zur Verfügung.

Die Kühlleistung ist maßgeblich von der Höhe der Ansteuerung des elektrischen Kältemittelverdichters abhängig. Sollte der Ladezustand der Hochvoltbatterien sehr niedrig sein, wird die Leistung des elektrischen Kältemittelverdichters heruntergeregelt.