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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/616.829, eingereicht am 28. März 2012. Die gesamte Offenbarung der oben genannten vorläufigen Anmeldung ist hierin durch Verweis aufgenommen.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft Fahrzeuge, die zumindest einen elektrischen Traktionsmotor aufweisen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres gesamten Schutzumfangs oder all ihrer Merkmale und Aspekte.
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Fahrzeuge, die von elektrischen Traktionsmotoren angetrieben werden können, können je nach Konfiguration und Gehalt als Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge bekannt sein. Zumindest zeitweise sind diese Fahrzeuge nur batteriebetrieben. Aufgrund geringer Leistungs-Gewichts-Verhältnisse selbst in den besten Batterien ist es für den effizienten Betrieb solcher Fahrzeuge wichtig, elektrische Leistung einzusparen. Die Wärmesysteme in Fahrzeugen, die elektrische Traktionsmotoren verwenden, bieten Bereiche für einen verbesserten Wirkungsgrad und reduzierten Energieverbrauch.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres gesamten Schutzumfangs oder all ihrer Merkmale und Aspekte.
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Eine gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruierte Kühlvorrichtung verwendet ein Expansionsventil zur Kabinenkühlung und ein weiteres Expansionsventil zur Batteriekühlung. Zumindest eines dieser Expansionsventile ist ein elektronisches Expansionsventil, das basierend auf gewünschten Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten durch Wärmetauscher an der Kabinen- und der Batterieschaltung gesteuert wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Traktionsmotor und einem Batteriesystem zur Bereitstellung von elektrischer Leistung an den Traktionsmotor angepasste Kühlvorrichtung offenbart. Diese Kühlvorrichtung umfasst einen Kompressor; einen Kondensator, der mit dem Kompressor in Fluidverbindung steht; ein Kabinenkühlungsexpansionsventil, das zwischen den Kondensator und einen Kabinenkühlungswärmetauscher geschaltet ist, der konfiguriert ist, eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs zu kühlen; ein Batteriekühlungsexpansionsventil, das zwischen den Kondensator und den Batteriekühlungswärmetauscher geschaltet ist, der konfiguriert ist, eine Wärmelast im Zusammenhang mit dem Batteriesystem zu kühlen; und eine Steuerung, die betätigbar ist, zumindest eines der beiden Expansionsventile in Koordination mit der Steuerung des Kompressors basierend auf ausgewählten Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten durch den Kabinenwärmetauscher und den Batteriekühlungswärmetauscher zu steuern.
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Dieser besondere Aspekt ist vorteilhaft, da variable Steuerung zumindest eines der Expansionsventile basierend auf gewünschten Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten durch die entsprechenden Wärmetauscher das Bereitstellen von Kühlmittel, wo keines benötigt wird, vermeidet und dabei gleichzeitig eine genaue Steuerung der zum Kühlen der Fahrgastkabine und/oder des Batteriesystems zugeführten Menge an Kühlmittel ermöglicht.
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In einer ersten Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist das Kabinenkühlungsexpansionsventil ein Ventil mit nicht einstellbarem, fixem Durchfluss und das Batteriekühlungsexpansionsventil ein durch die Steuerung gesteuertes, elektrisch betätigtes Ventil mit einstellbarem (d. h. variablem) Durchfluss. In einer optimalen zweiten Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung ferner ein elektrisch betätigtes Durchflusssteuerungsventil des Ein/Aus-Typs umfassen, das zwischen dem Kondensator und dem Kabinenkühlungsexpansionsventil mit fixem Durchfluss, das durch die Steuerung gesteuert wird, angeordnet ist. Somit kann die Steuerung die Gesamtdurchflussgeschwindigkeit des von dem Kompressor zugeführten Kühlmittels steuern, die Menge des an den Batteriekühlungswärmetauscher gelieferten Kühlmitteldurchflusses steuern und steuern, ob zugeführtes Kühlmittel zu dem Kabinenkühlungswärmetauscher geliefert wird oder nicht.
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In einer dritten Ausführungsform ist das Batteriekühlungsexpansionsventil ein Ventil mit nicht einstellbarem, fixem Durchfluss und das Kabinenkühlungsexpansionsventil ein durch die Steuerung gesteuertes, elektrisch betätigtes Ventil mit einstellbarem (d. h. variablem) Durchfluss. In einer optionalen vierten Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung ferner ein elektrisch betätigtes Durchflusssteuerungsventil des Ein/Aus-Typs umfassen, das zwischen dem Kondensator und dem Batteriekühlungsexpansionsventil mit fixem Durchfluss angeordnet ist. Somit wird, wenn die Steuerung bestimmt, dass das Batteriesystem gekühlt werden soll, das Steuerungsventil mit fixem Durchfluss geöffnet, um einen Kühlmittelfluss zu dem Batteriekühlungswärmetauscher zuzulassen. Gleichzeitig kann die Kompressordrehzahl geregelt werden, um dem Batteriekühlungsexpansionsventil eine gewünschte Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeit bereitzustellen. Dann stellt die Steuerung das Kabinenkühlungsexpansionsventil so ein, dass sichergestellt ist, dass der Kabinenkühlungswärmetauscher die gewünschte Kabinenkühlung bereitstellt.
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In einer fünften Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung so konfiguriert sein, dass beide Expansionsventile elektrisch betätigte Ventile mit einstellbarem (d. h. variablem) Durchfluss sind, die durch die Steuerung gesteuert werden. Die Steuerung kann so programmiert sein, dass sie die Expansionsventile gleichzeitig oder jeweils unabhängig steuert, um so die Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten basierend auf der in der Kabine und am Batteriesystem erforderlichen Kühlung steuert. Dementsprechend lässt die koordinierte Steuerung beider Expansionsventile und des Kompressors zu, dass die Kühlvorrichtung nahezu mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, während der Energieverbrauch eingespart wird.
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Weitere Anwendungsbereiche gehen aus der hierin bereitgestellten Beschreibung hervor. Die Beschreibung und konkrete Beispiele in dieser Zusammenfassung sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines mit einem Traktionsmotor, einer Batterie und einem Wärmeverwaltungssystem zur Fahrzeug- und Batterietemperatursteuerung ausgestatteten Fahrzeugs.
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2 ist ein funktionelles Blockdiagramm des Wärmeverwaltungssystems im Zusammenhang mit dem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist ein funktionelles Blockdiagramm des Wärmeverwaltungssystems im Zusammenhang mit dem Fahrzeug gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist ein funktionelles Blockdiagramm des Wärmeverwaltungssystems im Zusammenhang mit dem Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
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5 ist ein funktionelles Blockdiagramm des Wärmeverwaltungssystems im Zusammenhang mit dem Fahrzeug gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. In diesem Zusammenhang sind die Ausführungsbeispiele derart bereitgestellt, dass diese Offenbarung gründlich ist und den Schutzumfang einschlägigen Fachleuten vollständig vermittelt. Zahlreiche konkrete Details sind dargelegt, z. B. konkrete Beispiele für Komponenten, Vorrichtungen und/oder Verfahren, um ein gründlicheres Verständnis jeder hierin offenbarten Ausführungsform zu bieten. Für einschlägige Fachleute wird offenkundig sein, dass bestimmte Details nicht eingesetzt werden müssen, dass die Ausführungsbeispiele in zahlreichen verschiedenen Formen ausgeführt sein können und dass keine davon so ausgelegt werden soll, dass der Schutzumfang der Offenbarung eingeschränkt ist. Schließlich dient die hierin verwendete Terminologie lediglich Zwecken der Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele und soll nicht einschränkend sein.
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1 zeigt ein Fahrzeug 10, das einen elektrischen Traktionsmotor 12 und zumindest eine mit dem elektrischen Traktionsmotor 12 verbundene Batteriepackung 28 zum Antreiben des Fahrzeugs 10 umfasst. Das Fahrzeug 10 kann ferner einen (nicht dargestellten) Verbrennungsmotor, eine Brennstoffzelle oder eine sonstige Reichweitenerhöhungsvorrichtung umfassen. Die Batteriepackung 28 stellt Leistung zur Verwendung durch den Motor 12 und weitere Hochspannungslasten bereit. In der gezeigten Ausführungsform wird Strom von der Batteriepackung 28 zum Motor 12 durch ein TCM (ein Drehmomentsteuerungsmodul) 29 gesteuert. Die Batteriepackung 28 kann jeder beliebige Typ Batteriepackung sein, z. B. eine, die aus einer Vielzahl von Lithiumpolymerzellen hergestellt ist. Zwar ist eine Batteriepackung 28 dargestellt, doch ist alternativ dazu auch jede beliebige geeignete Anzahl an Batteriepackungen, z. B. zwei oder mehrere, möglich.
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Das Fahrzeug 10 umfasst ein Batterieladungssteuerungsmodul (BCCM) 30, das zum Steuern der Ladung der Batteriepackung 28 verwendet wird, wenn das Fahrzeug 10 mit einer externen elektrischen Quelle (z. B. einer 110-Volt-Quelle oder einer 220-Volt-Quelle) verbunden ist.
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Die Batteriepackung 28 und das BCCM 30 sind Teil eines Hochspannungsbatteriesystems. Die Batteriepackung 28 weist einen Temperaturbereich auf, innerhalb dessen sie vorzugsweise gehalten wird, um ihr eine relativ lange Betriebsdauer zu verschaffen. Um innerhalb des bevorzugten Temperaturbereichs zu bleiben, ist zeitweise eine Kühlung der Batteriepackung 28 vonnöten. Beim Laden des Fahrzeugs 10 erzeugt das BCCM 30 Wärme, und zeitweise bedarf es der Kühlung, um das BCCM 30 am Überhitzen zu hindern. Die Batteriepackung 28 und das BCCM 30 bilden zusammen zur Gänze oder zum Teil die hierin in weiterer Folge so bezeichnete Batteriesystemkühllast 36. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen die Batteriesystemkühllast 36 auch ohne die Kühlung einer oder mehrerer dieser Vorrichtungen auskommen kann.
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Das Fahrzeug 10 weist ferner eine Kabine 13 auf, die im Sinne des Komforts von darin befindlichen Fahrzeuginsassen der Kühlung bedürfen kann. Die Kabine 13 lässt sich somit als weitere Kühllast betrachten, die als insassenbezogene Kühllast bezeichnet werden kann.
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2 zeigt ein Kühlmittelsystem 100 für das Fahrzeug 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Kühlmittelsystem 100 wird zur Kühlung der beiden zuvor genannten Kühllasten im Fahrzeug 10 verwendet, nämlich der Fahrzeugkabine 13 und der Batteriesystemkühllast 36. Es gilt anzumerken, dass in den 2 bis 5 Fluidverbindungen mit durchgezogener Linie dargestellt sind, während elektrische Verbindungen mit gestrichelter Linie dargestellt sind. Der Einfachheit halber sind nicht alle elektrischen und Fluidverbindungen dargestellt.
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Das Kühlmittelsystem 100 umfasst einen Batteriekühlungswärmetauscher 32 zur Verwendung bei der Kühlung der Batteriesystemkühllast 36. Der Batteriekühlungswärmetauscher 32 kann ein Kühlelement sein, das Kühlmittel dazu verwendet, eine Kühlflüssigkeit, die durch eine Batteriesystemkühlschaltung 43 fließt, zu kühlen. Die Batteriesystemkühlschaltung 43 wird dazu verwendet, die Kühlflüssigkeit von dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 durch die Komponenten, die die Batteriesystemkühllast 36 darstellen, nämlich die Batteriepackung 28 und das BCCM 30, zu transportieren. Alternativ dazu kann der Batteriekühlungswärmetauscher 32 ein Verdampfungselement zum Kühlen eines Luftstroms sein, der zum Kühlen der Batteriepackung 28 und des BCCM 30 verwendet wird.
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Das Kühlmittelsystem 100 umfasst ferner einen Kompressor 40 und einen Kondensator 38, die den Batteriekühlungswärmetauscher 32 mit frischem Kühlmittel versorgen. Kühlmittel, das den Batteriekühlungswärmetauscher 32 durchlaufen hat, wird auf eine Saugseite des Kompressors 40 rückgeführt. Der Batteriekühlungswärmetauscher 32 ist mit einem Batteriekühlungsexpansionsventil 31 zum Steuern des Durchflusses des Kühlmittels zu dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 ausgestattet. Das Expansionsventil 31 wird weiter unten ausführlicher besprochen. Die thermische Steuerung der Batteriesystemkühlschaltung 43 kann durch einen oder mehrere Batterieschaltungstemperatursensoren 47 erleichtert werden. In diesem Beispiel ist der Batterieschaltungstemperatursensor 47 dem BCCM 30 und der Batteriepackung 28 nachgeschaltet angeordnet.
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Das Kühlmittelsystem 100 umfasst ferner einen Kabinenkühlungswärmetauscher 50. Der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 ist ein Wärmetauscher, der Kühlmittel dazu verwendet, die Kabine 13 zu kühlen. Konkret empfängt der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 Kühlmittel von dem Kondensator 38 und verwendet das Kühlmittel dazu, Luft zu kühlen, die (durch einen Luftdurchlass 52 und ein Gebläse 54) zur Kabine 13 gesendet wird, um die Kabine 13 zu kühlen. Kühlmittel, das den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 verlässt, kehrt zum Kompressor 40 zurück. Der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 kann ein Verdampfungselement sein. In dieser Ausführungsform ist der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 mit einem Durchflusssteuerungsventil 45 und einem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 zum Steuern des Durchflusses des Kühlmittels zu dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 ausgestattet. Das Durchflusssteuerungsventil 45 und das Expansionsventil 41 des Kabinenkühlungswärmetauschers 50 arbeiten in Verbindung mit dem Expansionsventil 31 des Batteriekühlungswärmetauschers 32, um die Aufteilung von Kühlmittel zwischen dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 und dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 zu steuern. Dies wird weiter unten ausführlicher besprochen.
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Der Luftdurchlass 52 kann einen (nicht dargestellten) Rückweg umfassen, um einen geschlossenen Regelkreis zur Rückführung klimatisierter Kabinenluft auszubilden. Ein Frischlufteinlass 56 wird bereitgestellt, um Außenluft in den Luftdurchlass 52 einzuspeisen, was durch eine steuerbar positionierbare Luftrückführungstür 58 gesteuert wird. Klimatisierte Luft tritt aus dem Luftdurchlass 52 an einem oder mehreren Kabinenluftauslässen 60 aus, was durch eine oder mehrere Luftauslasstüren 62 gesteuert wird. Eine (nicht dargestellte) zusätzliche Luftablenkungstür kann bereitgestellt werden, um das Verhältnis zwischen Luft, die unter den thermischen Einfluss einer (nicht dargestellten) Kabinenheizungsvorrichtung gelangt, und jener im Kabinenkühlungswärmetauscher 50 zu steuern.
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Das Fahrzeug 10 umfasst ferner einen Umgebungstemperatursensor 82. Der Umgebungstemperatursensor 82 ist so positioniert, dass er eine Temperatur misst, die die Umwelttemperatur außerhalb des Fahrzeugs 10 angibt. Der Temperatursensor 82 kann ein Thermopaar, eine Thermosäule, einen Thermistor oder dergleichen umfassen.
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Der Kompressor 40, der Kondensator 38, der Kabinenkühlungswärmetauscher 50, der Batteriekühlungswärmetauscher 32 und die Ventile 31, 41 und 45 bilden das Kühlmittelsystem 100 zur Bereitstellung eines Durchflusses von Kühlmittel, z. B. R-134a, um, wie oben stehend erwähnt, der Fahrgastkabine 13 und der Batteriesystemkühlschaltung 43 Kühlung zu verschaffen.
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Betreffend den Durchfluss von Kühlmittel ist ein Einlass des Kondensators 38 mit einem Auslass des Kompressors 40 über eine Leitung verbunden. Das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 und das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 sind beide über eine oder mehrere Leitungen, z. B. die gezeigte Verzweigungsleitung, mit einem Auslass des Kondensators 38 verbunden. Das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 versorgt den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 mit Kühlmittel. Das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 versorgt den Batteriekühlungswärmetauscher 32 mit Kühlmittel und führt Kühlmittel über eine Leitung, die sich mit der von dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 rückführenden Leitung vereinigen kann, zum Kompressor 40 zurück. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Durchflusssteuerungsventil 45 dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 vorgeschaltet und dem Kondensator 38 nachgeschaltet angeordnet.
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Die Kühlschaltung 49 kann an einer Position, z. B. dem Kompressor 40 nachgeschaltet und dem Kondensator 38 vorgeschaltet, mit einem Kühlmittelschaltungsdrucksensor 51 ausgestattet sein. Die Kühlmittelschaltung 100 kann auch ein z. B. am Kompressor 40 angeordnetes Druckentlastungsventil (PRV) umfassen, um die Kühlmittelschaltung durch das Entlüften von Kühlmittel in dem Fall zu schützen, dass der Kühlmitteldruck einen ausgewählten Höchstwert überschreitet.
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Das Fahrzeug 10 umfasst ferner eine Steuerung 80. Die Steuerung 80 umfasst einen Prozessor 86 und einen Speicher 88, die miteinander gekoppelt sind. Der Prozessor 86 ist in der Lage, Befehle auszuführen, die in dem Speicher 88 gespeichert sind oder von dort herkommen. Die Steuerung 80 umfasst ferner eine (nicht dargestellte) Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle zur Verbindung mit anderen Komponenten des Fahrzeugs 10, um zu ermöglichen, dass der Prozessor 86 mit diesen Komponenten kommuniziert. Die Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle kann einen Steuerungsflächennetzwerkbus („controller-area network bus”, CAN-Bus) oder Ähnliches umfassen.
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Die Steuerung 80 kann elektrisch (gestrichelte Linie) mit einer der Komponenten des Kühlmittelsystems 100 verbunden werden, z. B. dem Steuerungsventil 45, einem oder mehreren der Expansionsventile 31, 41, dem Kompressor 40 (bei „a”), dem Drucksensor 51 (ebenfalls bei „a”), dem Batterieschaltungstemperatursensor 47 (ebenfalls bei „a”) und dem Umgebungstemperatursensor 82. Die Steuerung 80 kann z. B. durch Programmieren konfiguriert werden, Vorgänge des Kühlmittelsystems 100 zu steuern und zu überwachen. Die Steuerung 80 kann in Ausführungsformen, bei denen der Kompressor 40 ein Kompressor mit variabler Geschwindigkeit ist, dahingehend programmiert werden, dass sie den Kompressor 40 so steuert, dass er basierend auf dem Kühlmittelbedarf beim Kabinenkühlungswärmetauscher 50 und beim Batteriekühlungswärmetauscher 32 arbeitet.
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Zumindest eines von dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 und dem Batteriekühlungsexpansionsventil 31 ist ein elektronisches Expansionsventil, und demzufolge kann die Steuerung 80 so programmiert werden, dass sie ein solches elektronisches Expansionsventil basierend auf gewünschten Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten durch den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 und den Batteriekühlungswärmetauscher 32 steuert. Dies vermeidet vorteilhafterweise das Bereitstellen von Kühlmittel, wo dieses nicht benötigt wird, und ermöglicht dabei gleichzeitig die genaue Steuerung der dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 und dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 zugeführten Menge an Kühlmittel, sofern vorhanden.
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In der ersten Ausführungsform ist das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 ein thermisches Expansionsventil mit fixem (d. h. nicht einstellbarem) Durchfluss, das als TXV bezeichnet werden kann, und das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 ein Expansionsventil mit einstellbarem Durchfluss, das als elektronisches Expansionsventil oder EXV bezeichnet werden kann. Das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 kann einen Temperatursollwert aufweisen, der zum Zeitpunkt der Herstellung des Fahrzeugs 10 ausgewählt werden kann. Während des Betriebs des Fahrzeugs 10 arbeitet das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 gemäß seinem vorausgewählten Temperatursollwert und seiner Durchflussgeschwindigkeit (Tonnage). Das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 ist mit der Steuerung 80 verbunden und kann während des Betriebs des Fahrzeugs 10 durch die Steuerung 80 elektronisch gesteuert werden.
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Das Durchflusssteuerungsventil 45 kann einen Aktuator umfassen, z. B. ein Solenoid, das die Steuerung 80 mit Energie versorgt, sodass es das Durchflusssteuerungsventil 45 öffnet und schließt. Das Durchflusssteuerungsventil 45 kann so ausgewählt werden, dass es normalerweise geöffnet ist, oder so, dass es normalerweise geschlossen ist. Das Durchflusssteuerungsventil 45 ist von dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 getrennt. Dadurch werden die Kosten der Installation des Kühlungssystems 100 in einem Fahrzeugaufbau reduziert, der ursprünglich nur einen Verbrennungsmotor verwendet hat und der das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 des Typs mit fixem Durchfluss bereits aufweist. Das bedeutet, das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 und der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 können Teil eines bestehenden Kühlkreissystems sein, zu dem die übrigen Komponenten des Kühlmittelsystems 100 hinzugefügt werden können, darunter eines oder mehrere von dem Batteriekühlungswärmetauscher 32, dem Batteriekühlungsexpansionsventil 31, dem Kompressor 40, dem Kondensator 38, dem Durchflusssteuerungsventil 45 und der Steuerung 80. Dies ermöglicht vorteilhafterweise das Modifizieren bestehender Fahrzeugaufbauten für die Verwendung mit einem elektrischen Traktionsmotor mit einer relativ geringen Anzahl an neuen Komponenten, dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 und dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50.
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Somit kann die Steuerung 80 über den Kompressor 40 die Gesamtdurchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühlmittelsystem 100 steuern. Zusätzlich dazu kann die Steuerung 80 die Menge an Kühlmitteldurchfluss steuern, die über das EXV 31 zu dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 gesendet wird, steuern, und sie kann steuern, ob das Kühlmittel über das Durchflusssteuerungsventil 45 zu dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 gesendet wird. Mit diesen Fähigkeiten kann die Steuerung 80 sicherstellen, dass der Batteriekühlungswärmetauscher 32 ausreichend Kühlmittel empfangen kann und nicht an Kühlmittel verliert, wenn der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 in Betrieb ist. Würden Expansionsventile mit fixer Kapazität sowohl für das Kabinenkühlungs- als auch für das Batteriekühlungsexpansionsventil verwendet, müsste das Batteriekühlungsexpansionsventil ausreichend groß dimensioniert sein, um sicherzustellen, dass die Batteriesystemkühllast 36 selbst dann ausreichend Kühlung erhält, wenn der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 in Verwendung ist. Leider würde ein solches groß dimensioniertes Expansionsventil den Betrieb des Kompressors 40 mit einer ausgewählten Geschwindigkeit erfordern, um die für den Betrieb des Expansionsventils notwendige Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeit bereitzustellen. In manchen Fällen jedoch erfordert die Batteriesystemkühllast 36 nicht besonders viel Kühlung und wäre an sich der Einsatz einer hohen Kompressordrehzahl und einer entsprechend hohen Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeit unnötig, würde also mehr Energie verbrauchen als notwendig.
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Durch Bereitstellung des elektronischen Expansionsventils 31 kann die Durchflussgeschwindigkeit in den Batteriekühlungswärmetauscher 32 so ausgewählt werden, dass sie nicht größer ist als nötig, um ein ausgewähltes Ausmaß an Kühlung der Batteriesystemkühllast 36 zu erreichen, und die Kompressordrehzahl kann entsprechend eingestellt werden. Diese Einstellungen können nach Bedarf basierend auf Faktoren wie der Umgebungstemperatur (die unter anderem das Leistungsverhalten des Kondensators beeinflusst) oder darauf, ob der Kabinenkühlungswärmetauscher 41 verwendet wird oder nicht, eingestellt werden. Somit kann das Kühlmittelsystem 100 eine Kühlung der Kabine 13 und der Batteriesystemkühllast 36 unter Verwendung von vergleichsweise weniger Energie erreichen als manche Systeme nach dem Stand der Technik, die Expansionsventile mit fixem Durchfluss für den Kabinenkühlungswärmetauscher und für den Batteriekühlungswärmetauscher verwenden. Des Weiteren lässt das Verwenden von Expansionsventilen mit fixem Durchfluss nicht die Einstellung der relativen Mengen von Kühlmittel zu, die durch den Kabinenkühlungs- und den Batteriekühlungswärmetauscher erhalten werden.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Steuerung 80 so programmiert, dass sie die Verteilung von Kühlmittel auf den Batteriekühlungswärmetauscher 32 und den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 durch das Steuern des Batteriekühlungsexpansionsventils 31 und des Durchflusssteuerungsventils 45 steuert. Die Steuerung 80 kann basierend auf den folgenden Grundsätzen programmiert werden.
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Wenn der Batterieschaltungstemperatursensor 47 der Steuerung 80 angibt, dass die Batterieschaltung 43 gekühlt werden muss, kann die Steuerung 80 das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 so einstellen, dass dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 eine ausgewählte Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels bereitgestellt wird. Die Steuerung 80 kann die Drehzahl des Kompressors 40 und/oder die Drehzahl des bei 20 gezeigten Kühlerventilators (der Kühler selbst ist nicht dargestellt) erhöhen. Der Grad der Einstellung des Batteriekühlungsexpansionsventils 31 und die Drehzahl des Kompressors 40 können ebenfalls so ausgewählt werden, dass eine gewünschte Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels für das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 verfügbar gemacht wird, um die von dem Kabinen-HLK-System geforderte Kühlung zu erfüllen. Das Einstellen des Batteriekühlungsexpansionsventils 31, sodass es mehr Kühlmittel abzieht, senkt die für das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 verfügbare Menge an Kühlmittel, während das Erhöhen der Kompressordrehzahl die sowohl dem Batteriekühlungsexpansionsventil 31 als auch dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 verfügbare Menge an Kühlmittel erhöht. Wenn in der Kabine 13 keine Kühlung erforderlich ist, kann die Steuerung 80 das Durchflusssteuerungsventil 45 schließen, um das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 von Kühlmittel abzuschließen. Die Steuerung 80 kann sich beim Einstellen des Batteriekühlungsexpansionsventils 31, der Kompressordrehzahl und des Durchflusssteuerungsventils 45 auch auf den Umgebungstemperatursensor 82 beziehen.
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Da das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 einstellbar ist, kann es so dimensioniert sein, dass es bei der höchsten Durchflussgeschwindigkeit ausreichend Kühlmittel bereitstellen kann, um die Batteriesystemkühllast 36 selbst dann zu kühlen, wenn ein hoher Kühlungsbedarf vonseiten der Batteriesystemkühllast 36 vorliegt (z. B. wenn das Fahrzeug aggressiv gefahren wird) und wenn einiges an Kühlmittel zu dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 gesendet wird, um die Kabine 13 zu kühlen, aber das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 kann so eingestellt werden, dass es mit einer relativ geringen Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels arbeitet, wenn ein relativ geringer Kühlungsbedarf vonseiten der Batteriesystemkühllast 36 vorliegt. Es weist somit eine hohe Kapazität auf, wenn dies erforderlich ist, kann aber mit geringen Kompressordrehzahlen arbeiten, wenn die Umstände dies zulassen, um so den Energieverbrauch für das Kühlmittelsystem 100, sofern möglich, geringzuhalten.
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3 zeigt ein Kühlmittelsystem 200, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug 10 angepasst und gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Kühlmittelsystem 200 ist dem Kühlmittelsystem 100 ähnlich. Daher werden weiter unten nur die Unterschiede zwischen dem Kühlmittelsystem 200 und dem Kühlmittelsystem 100 im Detail besprochen. Zur weiteren Beschreibung von Merkmalen und Aspekten des Kühlmittelsystems 200 kann auf die Beschreibung des Kühlmittelsystems 100 Bezug genommen werden.
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In dem Kühlmittelsystem 200 ist das Durchflusssteuerungsventil 45 an dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 weggelassen. Dies kann bei Fahrzeugaufbauten vorteilhaft sein, bei denen erwartet wird, dass die Kabine 13 und die Batterieschaltung 43 dazu neigen werden, etwa gleichzeitig Kühlung zu benötigen, oder wenn erwartet wird, dass die Kabine 13 jederzeit Kühlung benötigen kann, wenn die Batterieschaltung 43 Kühlung benötigt (z. B. wenn das Fahrzeug 10 an Orten mit hohen Umgebungstemperaturen zum Einsatz kommt). In dieser Ausführungsform ist, wenn der Kompressor 40 eingeschaltet ist, eine gewisse Menge an Kühlmittel über das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 stets dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 bereitgestellt, ungeachtet der Einstellung des elektronischen Expansionsventils, das als Batteriekühlungsexpansionsventil 31 zum Einsatz kommt. Somit können die Zusatzkosten des Durchflusssteuerungsventils 45 und die zusätzliche Komplexität, die mit dessen Steuerung einhergeht, beseitigt werden, wenn es annehmbar ist, dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 immer dann eine gewisse Menge an Kühlmittel bereitzustellen, wenn die Batterieschaltung 43 Kühlung benötigt.
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4 zeigt ein Kühlmittelsystem 300, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug 10 angepasst und gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Kühlmittelsystem 300 ist im Allgemeinen dem Kühlmittelsystem 100 ähnlich. Folglich werden weiter unten die einzigen Unterschiede zwischen dem Kühlmittelsystem 300 und dem Kühlmittelsystem 100 im Detail besprochen. Zur weiteren Beschreibung von Merkmalen und Aspekten des Kühlmittelsystems 300 kann auf die Beschreibung des Kühlmittelsystems 100 Bezug genommen werden.
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In dem Kühlmittelsystem 300 ist das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 ein Expansionsventil mit nicht einstellbarem (d. h. fixem) Durchfluss mit einem integrierten Durchflusssteuerungsventil 350 (z. B. einem Solenoidverschlussventil) und das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 ein elektronisches Expansionsventil. Das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 weist einen Temperatursollwert auf, der zum Zeitpunkt der Herstellung des Fahrzeugs 10 ausgewählt werden kann. Während des Betriebs des Fahrzeugs 10 arbeitet das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 gemäß seinem vorausgewählten Temperatursollwert und seiner Durchflussgeschwindigkeit (Tonnage). Andererseits ist das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 mit der Steuerung 80 verbunden und kann während des Betriebs des Vehikels 10 durch die Steuerung 80 gesteuert werden. Das integrierte Durchflusssteuerungsventil 350 des Batteriekühlungsexpansionsventils 31 ist mit der Steuerung 80 verbunden, um durch die Steuerung 80 so mit Energie versorgt zu werden, dass es das Kabinenkühlungsexpansionsventil 31 öffnet oder schließt. Zusätzlich dazu kann das integrierte Durchflusssteuerungsventil 350 so ausgewählt werden, dass es normalerweise geöffnet ist, oder so, dass es normalerweise geschlossen ist.
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In dem Kühlmittelsystem 300 ist die Steuerung 80 so programmiert, dass sie die Verteilung von Kühlmittel auf den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 und den Batteriekühlungswärmetauscher 32 durch das Steuern des Kabinenkühlungsexpansionsventils 41, des Kompressors 40 und des Durchflusssteuerungsventils 350 steuert. Demnach kann die Steuerung 80 basierend auf den folgenden Grundsätzen programmiert werden. Wenn der Batterieschaltungstemperatursensor 47 der Steuerung 80 angibt, dass die Batterieschaltung 43 gekühlt werden muss, kann die Steuerung 80 sicherstellen, dass das integrierte Durchflusssteuerungsventil 350 des Batteriekühlungsexpansionsventils 31 offen ist, sodass dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 eine gewünschte Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels bereitgestellt wird. Gleichzeitig kann die Steuerung 80 die Drehzahl des Kompressors 40 erhöhen, um den Kühlmitteldurchfluss zu erhöhen. Die Drehzahl des Kompressors 40 kann so ausgewählt werden, dass eine gewünschte Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels für das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 verfügbar gemacht wird. Jedoch beeinflusst die Kompressordrehzahl auch direkt die Menge an für das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 verfügbarem Kühlmittel. Daher kann die Steuerung 80 das Kabinenkühlungsexpansionsventils 41 so einstellen, dass sichergestellt wird, dass der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 eine Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeit empfängt, die das gewünschte Ausmaß an Kabinenkühlung erfüllt. Wenn an der Batterieschaltung 43 keine Kühlung benötigt wird, kann die Steuerung 80 das Durchflusssteuerungsventil 350 schließen, um den Kühlmitteldurchfluss zu dem Batteriekühlungswärmetauscher 32 abzuschließen. Die Steuerung 80 kann beim Einstellen der Kompressordrehzahl, des Kabinenkühlungsexpansionsventils 41 und des Durchflusssteuerungsventils 350 auch auf den Umgebungstemperatursensor 82 Bezug nehmen.
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Da das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 ein elektronisches Expansionsventil ist, kann zusätzlich dazu das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 durch die Steuerung 80 so eingestellt werden, dass es in Situationen, wo dies ausreicht, eine relativ geringe Menge an Kühlmittel zu dem Kabinenkühlungswärmetauscher 50 liefert. Somit würde verglichen mit Fahrzeugen nach dem Stand der Technik, die zwei Expansionsventile mit fixem Durchfluss aufweisen können, der Kabinenkühlungswärmetauscher 50 in einer solchen Situation dem Batteriekühlungswärmetauscher 31 in Situationen, in denen die beiden Wärmetauscher 32 und 50 gleichzeitig verwendet werden, weniger Kühlmittel entziehen. Dadurch wird zugelassen, dass der Batteriekühlungswärmetauscher 32 die Batteriesystemkühllast 36 in manchen Situationen, wenn die Kabinenkühlungsanforderungen zwar vorhanden, aber gering sind, rascher kühlt.
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5 zeigt ein Kühlmittelsystem, das zur Verwendung mit dem Fahrzeug 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angepasst ist. Das Kühlmittelsystem 400 ist im Allgemeinen dem Kühlmittelsystem 100 ähnlich. Folglich werden weiter unten die einzigen Unterschiede zwischen dem Kühlmittelsystem 400 und dem Kühlmittelsystem 100 im Detail besprochen. Zur weiteren Beschreibung von Merkmalen und Aspekten des Kühlmittelsystems 400 kann auf die Beschreibung des Kühlmittelsystems 100 Bezug genommen werden.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform sind sowohl das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 als auch das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 elektronische Expansionsventile (d. h. mit einstellbarer Durchflussgeschwindigkeit). Das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 und das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 sind beide jeweils mit der Steuerung 80 verbunden und können während des Betriebs des Fahrzeugs 10 durch die Steuerung 80 gesteuert werden. Daher ist die Steuerung 80 so programmiert, dass sie die Verteilung von Kühlmittel an den Batteriekühlungswärmetauscher 32 und den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 durch das Steuern des Batteriekühlungsexpansionsventils 31 und des Kabinenkühlungsexpansionsventils 41 steuert.
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In dieser Ausführungsform kann die Steuerung 80 basierend auf den folgenden Grundsätzen programmiert werden. Das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 und das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 können so eingestellt werden, dass sie die Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten basierend auf der an der Batterieschaltung 43 und in der Kabine 13 benötigten Kühlung steuern. Wenn erhöhte Kühlung an der Batterieschaltung 43 erforderlich ist, kann das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 so eingestellt werden, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels zum Batteriekühlungswärmetauscher 32 erhöht wird, und/oder das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 kann so eingestellt werden, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels zum Kabinenkühlungswärmetauscher 50 verringert wird, wenn die Umstände dies zulassen (wodurch weniger Kühlmittel entzogen wird als zum Batteriekühlungswärmetauscher 32 gesendet würde). Desgleichen kann, wenn in der Kabine 13 erhöhte Kühlung benötigt wird, das Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 so eingestellt werden, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels zum Kabinenkühlungswärmetauscher 50 erhöht wird, und/oder das Batteriekühlungsexpansionsventil 31 kann so eingestellt werden, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels zum Batteriekühlungswärmetauscher 32 verringert wird, wenn die Umstände dies zulassen. Die Drehzahl des Kompressors 40 und die Drehzahl des Ventilators 20 können ebenfalls gesteuert werden, wobei erhöhte Drehzahlen die gesamte zur Aufteilung auf den Batteriekühlungswärmetauscher 32 und den Kabinenkühlungswärmetauscher 50 verfügbare Kühlungskapazität erhöht.
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In den obigen Ausführungsformen ermöglicht die Verwendung eines oder mehrerer elektronischer Expansionsventile, die durch die Steuerung 80 gesteuert werden, den Betrieb der Kühlvorrichtung meistens oder immer bei maximalem oder nahezu maximalem Wirkungsgrad. Dadurch kann Energie gespart werden, indem Kühlung immer genau dann und dort bereitgestellt wird, wenn und wo sie benötigt wird.
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Wenn bei heißen Umgebungstemperaturen in der Fahrzeugkühlschaltung nur Expansionsventile mit fixem Durchfluss verwendet werden (d. h. in einem Kühlsystem nach dem Stand der Technik), kann es dazu kommen, dass das Kabinen-HLK-System und die Batteriekühlschaltung um das Kühlmittel konkurrieren. Wenn solche Ventile für ihre jeweiligen Aufgaben dimensioniert sind, kann es sein, dass das Expansionsventil für eine der Kühllasten (z. B. die Kabine) größer dimensioniert ist als das Expansionsventil für die andere Kühllast (z. B. die Batteriesystemkühllast). Wenn folglich beide Expansionsventile verwendet werden, wird der Großteil des Kühlmittels selbst in Situationen zu dem größeren Expansionsventil (z. B. zum Kühlen der Kabine) gesendet, wenn dies gar nicht notwendig ist, und selbst in Situationen, wenn die größere Menge Kühlmittel eigentlich bei dem anderen Expansionsventil (z. B. zum Kühlen der Batterie) benötigt wird. In diesem Beispiel empfängt das Expansionsventil beim Kabinenkühlungswärmetauscher (Verdampfungselement) den Großteil des Kühlmittels auf, was zu einer langsameren Abkühlung der Batterieschaltung führt, was wiederum zu einer schwachen Fahrzeugleistung oder sogar einer Beschädigung der Batterie führen kann. Wenn bei milden Umgebungstemperaturen nur Expansionsventile mit fixem Durchfluss verwendet werden, dann kann der Kabinenkühlungswärmetauscher (Verdampfungselement) seine Zieltemperatur beibehalten, wenn der Batteriekühlungswärmetauscher (Kühlelement) eingeschaltet wird, um die Batterie zu kühlen. Demgemäß kann die Kompressordrehzahl zunehmen, was unangenehme Temperaturumschwünge in der Fahrgastkabine verursachen kann, wenn ein Solenoidventil abwechselnd dem Kabinenkühlungswärmetauscher Kühlmittel bereitstellt und sie von diesem zurückhält, um die erhöhte Kompressordrehzahl auszugleichen. So ermöglicht die Verwendung von zumindest einem elektronischen Expansionsventil in der in der obigen Offenbarung besprochenen Weise verbesserte Ausgeglichenheit in der Kühlmittelverteilung zwischen dem Kabinen-HLK-System und der Batteriekühlschaltung. Dies kann in vorteilhaftem Maße Energie sparen, indem Kühlmittel genau dort und dann bereitgestellt wird, wo und wenn es benötigt wird, und kann ferner den Komfort der Fahrgäste erhöhen, indem Kühlmittelumlauf im Fahrgastkabinen-HLK-System vermieden wird.
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Es wurde zwar gezeigt, dass das Durchflusssteuerungsventil 45 dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 vorgeschaltet ist, dennoch ist es auch möglich, dass das Durchflusssteuerungsventil 45 zwischen dem Kabinenkühlungsexpansionsventil 41 und dem Kabinenkühlungswärmetauscher 32 positioniert ist.
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Die vorangegangene Beschreibung der diversen alternativen Ausführungsformen wurde für Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Es ist nicht vorgesehen, dass sie erschöpfend ist oder die Offenbarung einschränkt. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsformen sind im Allgemeinen nicht auf diese besondere Ausführungsform eingeschränkt, sondern austauschbar, wo das anwendbar ist, und können in einer ausgewählten Ausführungsform selbst dann verwendet werden, wenn dies eigens dargestellt oder beschrieben ist. Dieselben können auch auf viele Arten variiert werden. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und all diese Modifikationen sollen in den Schutzumfang der Offenbarung aufgenommen sein.
