CN102781693A - 车辆气候控制系统及温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种车辆的气候控制系统（1），其包括至少一个制冷剂回路（2），至少一个温度控制回路（3、7、8、90、100、110），用于控制车辆内部腔室（4）和至少一个车辆组件（6、600、601）的温度，尤其是用于电动车辆或混合动力车辆，提供至少一个用于从温度控制回路（3、7、8、90、100、110）吸收热量的装置（42）和至少一个用于向温度控制回路（3、7、8、90、100、110）释放热量的装置（21）。一种用于控制车辆组件温度的方法，其使用至少一个制冷剂回路（2）和至少一个温度控制回路（3、7、8、90、100、110），在制冷剂回路的低压侧热量由温度控制回路吸入制冷剂回路，并在制冷剂回路的高压侧热量由制冷剂回路释放至温度控制回路。
Description
技术领域
本发明涉及车辆气候控制系统，其包括至少一个制冷剂回路和至少一个温度控制回路，用于控制车辆内部腔室和至少一个车辆组件的温度，特别是用于电动车辆或混合动力车辆；一种控制车辆组件温度的方法，其使用至少一个制冷剂回路和至少一个温度控制回路；以及具有这种气候控制系统的车辆。
背景技术
车辆的气候控制系统以及控制车辆内部腔室气候的方法已众所周知。例如，EP0991536B1公开了一种空调系统和加热驱动单元的制冷剂的方法。该申请中的车辆空调系统包括由至少一个冷凝器、膨胀元件、蒸发器、压缩机以及跨接所述冷凝器的旁路和用于打开和闭合所述旁路的旁路阀组成的制冷剂回路，其中在制冷剂回路设置有热交换器，该热交换器在一侧受到制冷剂的作用，在另一侧受到驱动单元的冷冻剂的作用。制冷剂回路中的热交换器设置在压缩机和冷凝器之间。为了加热所述驱动单元的冷冻剂，制冷剂经由热交换器被带到更高压力下，通过在压缩机内压缩制冷剂来加热制冷剂，因此产生热量并且从制冷剂转移到冷冻剂，更快地加热驱动单元。在冷冻剂的加热阶段，冷凝器被跨接，压缩机内产生的热量或者在热交换器内被唯一转移至冷冻剂，或者通过蒸发器转移至流经蒸发器的空气。
DE10207128A1公开了一种车辆空调系统，具体讲是二氧化碳空调系统。其制冷剂回路包括压缩机、制冷剂冷却器、冷冻剂冷却器和蒸发器一侧之间的内部热交换器、膨胀阀和蒸发器，其中在压缩机和制冷剂冷却器之间设有与引擎侧冷却回路相对应的辅助热交换器，用于将该空调系统从冷却模式切换为加热模式。膨胀阀位于辅助热交换器下游位置处，借助于膨胀阀可使制冷剂在加热模式中节流为较低的压强。辅助膨胀阀是自辅助热交换器和制冷剂冷却器之间的制冷剂管路分流出的旁路的一部分。旁路与制冷剂管路平行连接，同时跨接制冷剂管路中设置的止回阀。
DE4408960C1公开了一种用于冷却动力电池的装置，具体讲，其用于电动车辆。该申请提供一种电池冷却回路，其包括空冷热交换器和电池供电循环泵。进一步，提供一种冷却系统，其包括电池供电压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，该冷却系统插入到电池冷却回路内并与电池蛇形冷却线圈部件和空冷热交换器串联，且与后者热接触。在电池冷却回路内设置有旁路以旁路空冷热交换器，切换阀位于其上游位置。
混合动力车辆、电动车辆和燃料电池驱动的车辆的电池系统和电池带来了电池温度控制的需求，即，独立于所产生的任何引擎废热来加热和冷却电池，因为在电动车辆中，这种诸如在具有内燃机的车辆中集聚的引擎废热不再产生。在混合动力车辆中，引擎热量可能用于加热电池。原则上，在所述类型的车辆中没有引擎热量可用于加热客厢。
目前最常用的能量存储装置是镍金属氢化物电池（NiNH电池）。进一步，在所谓智能领域，钠镍氯化物电池（NaNiCl电池）是众所周知的。这种电池具有90Wh/kg至140Wh/kg的高能量密度，但是需要较高的工作温度。因此，当车辆静止时需要加热来保持这种电池的使用状态。锂离子电池在目前所有可使用的可充电能量存储装置中具有最高的能量密度。与传统的镍金属氢化物电池相比，锂离子高电压电池具有更高的能量密度和更好的导电效率，同时体积小且重量轻。具体的能量密度例如可为120Wh/kg至150Wh/kg。因此，冷却和加热这种电池对于保持使用状态特别重要。
使用上述公知的车辆空调系统或冷却动力电池的装置，可能确保特别是具有高能量密度的电池的使用状态，因为使用任何上述系统都不能既冷却又加热电池，同时控制车辆内部腔室的温度，而所有这些功能又彼此相互独立。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用来控制车辆组件的温度的气候控制系统和控制车辆组件温度方法，其通过提供一个单独的系统来相互独立地实现在运转中的各种情形下均需要的、对各个车辆组件，比如电池、燃料电池、电力电子器件、用于例如燃料电池、流体系统等的DC/DC转换器，和车辆内部腔室的温度控制。
对于权利要求1的前序所述的气候控制系统，以上目的通过提供至少一个从温度控制回路吸收热量的装置和至少一个向温度控制回路释放热量的装置来实现。对于权利要求11的前序所述的方法，以上目的通过在制冷剂回路的低压侧，将来自温度控制回路的热量吸入制冷剂回路，以及在制冷剂回路的高压侧，使热量通过制冷剂回路释放至温度控制回路来实现。本发明的具体实施方式在从属权利要求中描述。
通过本发明得到一种尤其用于车辆的气候控制系统，其中至少一个制冷剂回路和至少一个温度控制回路彼此连接，以便使用同一个系统来实现所需要的对诸如电池、燃料电池、电力电子器件、流体系统等的车辆组件和车辆内部腔室的加热和冷却。整个温度控制，即，车辆组件的加热和冷却通过与待温控组件连接的、以温度控制回路形式存在的传热介质回路完成。通过气候控制系统单独地或以彼此任何组合的方式进行温度控制的组件，除了电池和内燃机，还有例如电动机、变频器、车辆电力电子器件、电动辅助单元。当至少两个组件彼此组合时，可设置串联或并联连接的组件。同样，任何流体系统均可通过气候控制系统进行温度控制。
因此，与EP0991536B1的现有技术不同，利用根据本发明的气候控制系统，不但能向驱动单元供给热量，而且能得到如DE10207128A1所描述的、具有从冷却模式向加热模式切换的装置的空调系统，而且能得到制冷剂回路和温度控制回路的至少双重结合，以使热量可从制冷剂回路供给和释放至温度控制回路、以及从温度控制回路供给和释放至制冷剂回路。因此车辆组件在运转中可交互地冷却和加热，以实现对特定外部条件的最佳适应，并确保车辆组件的使用状态。车辆组件因此可保持在最佳温度而不受外部天气影响。同时可实现车辆内部腔室的最佳气候控制。
为了能简单地实现车辆组件在各种情形下所需要的运行状态和车辆内部腔室的运行状态，优选提供至少一个装置用于连接和断开至少一个组件和/或气候控制系统的支路或回路，尤其是提供至少一个跨接阀和/或多向阀和/或旁路。因此，制冷剂回路的可由用于热交换的温度控制回路控制的单个元件或组件、以及两个回路自身的单个组件可根据各自期望的运行状态连接或断开或跨接，所述运行状态包括车辆组件和车辆内部腔室的加热和/或冷却。
优选用于从温度控制回路吸收热量的装置是低压侧热交换器，尤其是蒸发器，用于向温度控制回路释放热量的装置是所述至少一个制冷剂回路的高压侧热交换器，尤其是降温器或冷凝器。
制冷剂回路，其作为例如在所谓的空调系统或制冷系统模式、以及热泵模式下运行的车辆空调系统的一部分，可与温度控制回路互相结合，以便热量可经由蒸发器从温度控制回路向制冷剂回路释放。所述温度控制回路进一步包括与周围空气接触的冷却器和与车辆内部腔室连接的加热热交换器。可设置一种包括温度控制回路的加热热交换器和制冷剂回路的蒸发器的装置。因此，车辆内部腔室的加热和冷却均成为可能。优选地，所述制冷剂回路进一步包括两个制冷剂冷却器或降温器，其中第一制冷剂冷却器或降温器进一步设置在流动方向的压缩机的下游，以便其可用于在高压侧向温度控制回路转移热量。第二制冷剂冷却器可充当蒸发器（在热泵模式中）或充当冷凝器或液化器或制冷剂降温器。所述冷却器设置在流动方向的第一制冷剂冷却器的下游，并且位于第一蒸发器的上游，所述第一蒸发器与温度控制回路、或设置在第一蒸发器和第二制冷剂冷却器之间的膨胀阀连通。
优选地，可进一步设置包含温度控制回路的冷却器和第二制冷剂冷却器的单元，该单元由周围空气进行温度控制，即冷却或加热，例如与热泵关联。
优选地，可进一步设置结合在制冷剂回路内的内部热交换器。其在流动方向上设置在第二制冷剂冷却器的下游以及第二蒸发器的下游，以便可在向前流动的制冷剂和向后流动的制冷剂之间、或在高压侧和低压侧之间发生内部热交换。所述两个蒸发器可串联连接或并联连接，其中后一种变形例通常是优选的。为了能够实现内部热交换器如同热泵模式中一样被跨接这样的应用，优选跨接阀或旁通阀在流动方向上设置在第二制冷剂冷却器的下游。当跨接内部热交换器时，制冷剂可从第二制冷剂冷却器直接流回压缩机。第二制冷剂冷却器吸收热量，第一制冷剂冷却器释放热量。制冷剂在第一制冷剂冷却器的下游膨胀，第二制冷剂冷却器设置在低压侧。可用这种结构实现车辆组件和车辆内部腔室的加热。
优选地，进一步设置跨接阀和/或旁路，用于跨接在流动方向上位于第一制冷剂冷却器下游的膨胀阀。具体讲，当冷却车辆组件并同时加热车辆内部腔室时，通过跨接膨胀阀，制冷剂在高压侧可经由跨接阀从第一制冷剂冷却器直接流向第二制冷剂冷却器。第二制冷剂冷却器于是充当冷凝器，并且引起热量的释放和制冷剂的液化。对于这种冷却车辆组件并同时加热车辆内部腔室的运行状态，优选地，仅在第二制冷剂冷却器的下游、第一蒸发器的上游，通过设置的第二膨胀阀降低压强。
在制冷剂回路内可设置两个蒸发器的并联回路。这有利于运转彼此相互独立的两个制冷剂回路。在这种情形下，优选地，在第二制冷剂冷却器和特定的蒸发器之间设置两个膨胀阀，其中第二制冷剂冷却器下游的制冷剂流可根据空调系统的运转方式相应地被分成两个集流。如果选择更经济的方案，可设置所述至少一个制冷剂回路的两个蒸发器的串联回路。在后一种方案中可省略集流的划分以及第二蒸发器上游的膨胀阀。配置两个膨胀阀使得能在低压侧上膨胀为不同的压强。
优选地，仅设置一个温度控制回路，用于冷却和加热车辆组件，例如电池、燃料电池等。设置跨接阀和旁路，用于选择性连接和断开温度控制回路和制冷剂回路的各个元件，以及用于选择性连接和断开待温控组件。
优选地，用于控制车辆组件温度的温度控制回路可进一步包括冷却回路和加热回路，其各自用于从所述温度控制回路吸收热量的装置以及用于向所述温度控制回路释放热量的装置。
进一步，温度控制回路可包括两个冷却回路，用于在不同的温度水平下运行车辆，特别是混合动力车辆的组件。这些不同的温度水平主要是混合动力车辆的需要，因为与诸如电池、燃料电池、电力电子器件、流体系统等其他车辆组件相比，内燃机在不同温度水平下运行，即，通常冷却至大约90℃。
可将气候控制系统、空调或制冷剂系统或热泵的单个组件分成两个或多个回路。
进一步优选地，回路和支路的一个或多个泵以及一个或多个压缩机可为电动操作，或设成被启动，这样，这些装置能在较低能量下高效运转，因此特别适用于电动车辆。
优选地，在制冷剂回路中所使用的制冷剂从CO2、R744、诸如HFO-1234yf的氢氟烯烃、诸如1,1,1,2-四氟乙烷或R134a的四氟乙烷中选择。CO2是在超临界范围运行的高压制冷剂，而HFO-1234yf和R134a是在次临界范围运行的制冷剂。添加防冻剂的冷却水例如适用于所述温度控制回路。
原则上，组件的直接冷却，具体地，电池的直接冷却可通过旁路传热介质的制冷剂回路或温度控制回路完成。然而，在这种情形中必须采取另外的措施来适应或补偿制冷剂回路和组件内存在的不同压强。
附图说明
为了详细说明本发明，下文参照附图详细描述典型实施方式。其中；
图1是本发明的气候控制系统的第一实施方式的总体图；
图2是图1的气候控制系统用于加热电池和加热车辆内部腔室的运行状态的总体图；
图3是图1的气候控制系统用于冷却电池和加热车辆内部腔室的运行状态的总体图；
图4是图1的气候控制系统用于冷却电池和加热车辆内部腔室的运行状态的总体图；
图5是图1的气候控制系统用于冷却电池和冷却车辆内部腔室的运行状态的总体图；
图6是本发明的气候控制系统的第二实施方式的总体图，该第二实施方式具有两个分离的加热回路和冷却回路；
图7是本发明的气候控制系统的第三实施方式的总体图，该第三实施方式用于混合动力车辆，具有两个冷却回路和一个加热回路；以及
图8是本发明的气候控制系统的另一实施方式的总体图，该另一实施方式用于混合动力车辆，具有制冷剂回路的串联连接的两个蒸发器。
附图标记
1气候控制系统
2制冷剂回路
3温度控制回路
4车辆内部腔室
5环境
6电池
7冷却回路
8加热回路
9内燃机
10泵
10a泵
10b泵
10c泵
11电动机
12压缩机
21第一制冷剂冷却器
22第一膨胀阀
23第二制冷剂冷却器/冷凝器
24跨接阀
25内部热交换器
26跨接阀
27三向阀
28管路
29管路
30加热热交换器
31加热/冷却单元
32风扇
33跨接阀
34冷却器
35风扇
36跨接阀
37管路
38跨接阀
39跨接阀
40第二膨胀阀
41第三膨胀阀
42第一蒸发器
43第二蒸发器
44三向阀
45管路
46管路
47管路
48管路
49管路
50管路
51管路
52管路
60管路
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62管路
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70三向阀
71三向阀
72管路
72a管路
73管路
74管路
80管路
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82管路
82a管路
83三向阀
84管路
85管路
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87跨接阀
90第一温度控制/冷却回路
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92三向阀
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94三向阀
95管路
96管路
97管路
98管路
100第二冷却回路
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102管路
103三向阀
104管路
105三向阀
110加热回路
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115管路
116管路
600组件
601组件（流体系统）
A压缩机20下游的点
B第一制冷剂冷却器21下游的点
C第一膨胀阀22下游的点
D第二制冷剂冷却器23下游的点
E压缩机20上游的点
F第二膨胀阀40下游的点
G第一蒸发器42下游的点
FK车辆空调系统
具体实施方式
图1是包括制冷剂回路2和温度控制回路3的气候控制系统1的示意图。该制冷剂回路例如为可在空调模式和热泵模式下运行的车辆空调系统FK的一部分。制冷剂回路2包括压缩机20、第一制冷剂冷却器21、第一膨胀阀22和第二制冷剂冷却器23，第二制冷剂冷却器23可根据上述模式作为冷凝器或蒸发器（在热泵模式中）运行。具有跨接阀24的旁路平行于膨胀阀22设置。制冷剂回路2进一步包括位于制冷剂流动方向上第二制冷剂冷却器23下游的内部热交换器25。热交换器25为任选，当如图1所示设置交换器25时，其可通过跨接阀26被跨接，借助跨接阀26，制冷剂可从第二制冷剂冷却器23经由管路51流回压缩机20。第二制冷剂冷却器23在热泵模式中作为蒸发器运行，借助第二制冷剂冷却器23可加热制冷剂。
在内部热交换器25的下游，制冷剂管路系统通过三向阀27分流为两个管路。可设置另一种阀门或不同类型的导管来代替三向阀。管路28、29二者均包括膨胀阀。这两个膨胀阀40、41通向两个蒸发器，第一蒸发器42与温度控制回路3连通，第二蒸发器43可用于车辆内部腔室4的温度控制。第二蒸发器43与温度控制回路3的加热热交换器30共同形成加热/冷却单元31，用于车辆内部腔室4的温度控制。加热/冷却单元31进一步包括风扇或鼓风机32。
设置另一个三向阀44来使蒸发器43下游的制冷剂回流至压缩机20。从该阀引出的管路45通向内部热交换器25。从三向阀44引出的另一条管路46与第一蒸发器42连接。该制冷剂回路因此闭合。
除了已经提到的加热热交换器30，温度控制回路3还包括加热热交换器30的跨接阀33。温度控制回路3进一步包括具有风扇或鼓风机35的冷却器34，冷却器34与环境5或周围空气接触。冷却器34和第二制冷剂冷却器23也可作为一个用于从环境5或通过环境5吸收和释放热量的单元运行。
可与温度控制回路3发生热交换的制冷剂回路2的第一蒸发器42通过跨接阀36可被跨接，跨接阀36位于冷冻剂流动方向上冷却器34的下游位置。在图1中未示出的三向阀或另一种类型的阀门可设置在管路64的分支内，管路64从冷却器34通向跨接阀36或蒸发器42的。
制冷剂回路与温度控制回路的热交换可通过第一制冷剂冷却器21进行。设置相应的管路37，其从温度控制回路到第一制冷剂冷却器21并回到该温度控制回路。然而，也可通过跨接阀38在温度控制回路部分跨接第一制冷剂冷却器。因此，无需在每种情形下都与第一制冷剂冷却器21进行热交换。在下文详细说明其各种运行状态。
该气候控制系统的执行热交换的具体组件以直流、逆流或叉流形式运转。也可以根据传热介质或热交换器采用其他运行模式。
图1进一步例示电池6作为一个待温控的车辆组件，其被置于温度控制回路3内。可选地或另外地，车辆的其他组件600和601，诸如例如车辆的电力电子器件、流体系统、燃料电池等，也可通过气候控制系统1进行温度控制。各个组件可并联连接或串联连接，即，置于气候控制系统内。也可连接其他热交换器。这些热交换器例如控制另一用于致冷和/或热量转移的流体的温度。为了能够进行这种与该气候控制系统的连接以及从该气候控制系统的移除，在各情形下设置跨接阀。例如，用于跨接电池6的跨接阀39设置在冷冻剂流动方向上跨接阀38的下游。因此，冷冻剂或者流过电池6或者用于控制其温度。可使用其他类型的阀门，例如换向阀，来代替跨接阀。
大部分的电池，特别是电动车辆或燃料电池车辆的电池，需要15-35℃的温度以安全运行。例如，如果由于周围温度在-20℃和40℃之间浮动，得不到以上温度，则如前文所示，需要对电池或其他的车辆组件进行温度控制。同时，根据当前周围温度，期望将车辆内部腔室的的温度大体控制在16℃和25℃之间。因此需要电池或其他车辆组件以及回路和车辆内部腔室的各种运行状态，这将在下文参照图2-图8详细说明。可能的运行状态为电池或组件以及回路和车辆内部腔室的冷却，仅车辆内部腔室的冷却，仅电池或车辆的其他组件和回路的冷却，电池或车辆的其他组件和回路的冷却连同车辆内部腔室的加热，电池或车辆的其他组件和回路以及车辆内部腔室二者的加热，仅车辆内部腔室的加热以及仅电池或车辆的其他组件和回路的进一步加热。
图2显示加热作为一个或多个温度可控组件的例子的电池6和车辆内部腔室4的运行状态，其中显示加热车辆内部腔室和温度控制回路。电池作为一个或多个待温控的车辆组件的典型例在下文进行描述。在制冷剂回路2内流动的制冷剂通过压缩机20压缩，以使压缩机20下游A点的制冷剂为气态并处于高压和过热状态。制冷剂以这种状态进入制冷剂冷却器21。在该冷却器内，热量经由管路37释放至温度控制回路3。因此，跨接阀闭合以使在作为热交换器的制冷剂冷却器21内所释放的热量经由管路60、61到达电池6。因此，能以与加热其他车辆组件相同的方式加热电池。
热量可进一步释放至车辆内部腔室4，这通过从电池导向加热热交换器的管路62以及加热热交换器30完成。因此，在电池内没有被移除并用于加热的热量传向加热热交换器30。如果电池在运行期间被加热，该热量可释放至管路62内的冷冻剂，然后到达加热热交换器30。车辆内部腔室4通过加热热交换器30加热，加热热交换器30优选包括使热空气流入车辆内部腔室的风扇32或相应的鼓风机。空气通过加热热交换器加热并通过鼓风机或风扇32吹入车辆内部腔室4。
因在加热热交换器30内释放热量而冷却的冷冻剂经由管路63流向冷却器34。在这种情形下，环境5的空气可用于冷却冷冻剂。具体来讲，每当温度的实际值低于温度的预定期望值时加热电池和车辆内部腔室。
来自冷却器34的冷却的冷冻剂通过管路64和闭合的跨接阀36直接再次流向第一制冷剂冷却器21以在该冷却器内再次被加热。在所示的例子中，设置由电动机驱动的泵10，用于输送冷冻剂通过温度控制回路。可以提供独立于例如汽化的冷冻剂进行的循环。
原则上，热量通过制冷剂冷却器21转移至温度控制系统。这一方面可在气候控制系统作为制冷系统运行时完成，另一方面可在气候控制系统作为热泵运行时完成，在下文进行描述。
由于热量在制冷剂冷却器21内释放，在B点位置的制冷剂处于高压但与A点位置相比温度较低，B点位于从制冷剂冷却器21通向膨胀阀22的管路48内，且位于膨胀阀22的上游。通过膨胀阀22降低压强，以使在膨胀阀下游C点的制冷剂处于低压。在管路49内制冷剂以湿蒸汽存在并以这种状态进入第二制冷剂冷却器23。制冷剂冷却器23充当蒸发器以提供热量。具体地，用于蒸发的热量可从周围空气吸取。在此，第二制冷剂冷却器23和冷却器34组合为一个单元，因为二者可与周围空气5进行热交换。
在管路50内或第二制冷剂冷却器下游D点，制冷剂应当处于低压，但由于吸收热量，与C点相比温度升高。通过为该目的而闭合的跨接26，制冷剂直接经由管路51返回至压缩机20。压缩机上游E点的制冷剂因而处于低压并具有与D点接近的温度，以便，如下文所述，其后通过压缩机20再此完成制冷剂向高压的加热加压。
可根据最多样热交换器原则，以不同方式设计第一制冷剂冷却器21。具体讲，它可配置为逆流、直流或叉流热交换器。如上文所述，根据制冷剂进入制冷剂冷却器23时所具有的状态（高压或低压）和从制冷剂冷却器23以何种形式释放，第二制冷剂冷却器23既可作为液化器或冷凝器运行，也可作为蒸发器运行。
图3示出另一运行状态，即车辆组件的冷却和车辆内部腔室4的加热，在此以电池6作为车辆组件的实例进行说明。在所示的实施方式中，这种运行状态在没有制冷剂回路2参与的情况下实现。在此，冷冻剂仅用来冷却电池和加热车辆内部腔室。冷冻剂通过冷却器34由周围空气5冷却并经由管路64、跨接阀36、跨接阀38、管路60和管路61流至电池6，跨接阀36和跨接阀38二者闭合。在此冷冻剂用于冷却电池并根据热交换器原则吸收电池的余热，以使温度升高的冷冻剂通过管路62流向加热热交换器。通过该热交换器，余热可用于通过加热车辆内部腔室内的空气来加热内部腔室。因此，热量通过加热热交换器30释放至车辆内部腔室4内。在管路63内温度降低的冷冻剂因此回流到冷却器34，在此，循环再次开始。
图4的线路图内示出冷却例如电池6和加热车辆内部腔室4的变形例。在该实施方式中，制冷剂回路2参与热传递。制冷剂气体由压缩机或气体压缩机20压缩，以便如上文图2所述，在压缩机20下游A点以气态形式存在并处于高压和过热状态。在这种状态下，制冷剂进入制冷剂冷却器21内，然而目前在制冷剂冷却器21内没有热量释放至温度控制回路3，因为是制冷剂而不是冷冻剂流经制冷剂冷却器21。相反，仍然处于高压的制冷剂经过管路48到达目前闭合的跨接阀24。膨胀阀22因此被跨接。在管路49内的C点，制冷剂仍然处于高压并仍作为过热气体介质进入制冷剂冷却器23。在此，制冷剂冷却器用作液化器或冷凝器，其中热量释放至周围空气。通过其后制冷剂流经的内部热交换器25可以实现向制冷剂回路低压侧进一步释放热量。仍处于高压的制冷剂随后经由三向阀27和管路28到达膨胀阀40，在膨胀阀40内压力降低同时温度不变。在膨胀阀40下游F点，制冷剂在管路52内处于低压。
制冷剂从膨胀阀40被传至蒸发器42，在蒸发器42内在低压下吸收由温度控制回路3内的冷冻剂提供的热量。为此，冷冻剂被传至冷却器34的下游并通过蒸发器42，其中跨接阀36打开。被相应地冷却了的冷冻剂通过泵10、跨接阀38、管路60和管路61被抽到电池处，用于冷却电池。
在蒸发器42内加热的制冷剂在其下游G点处于低压并经由管路46和三向阀44回流至内部热交换器25，并从内部热交换器25到达压缩机20。在内部热交换器25内可与从制冷剂冷却器23流向膨胀阀40的制冷剂发生热交换。内部热交换器原则上也可省略。
冷冻剂从电池6或与电池6串联或并联的其他车辆组件600、601流向加热热交换器30以通过热交换器加热车辆内部腔室4。被冷却的冷冻剂随后经由管路63被抽回至冷却器34。
图5显示各个组件或元件处于工作状态的气候控制系统，以得到冷却车辆的燃料电池等的电池6或组件或流体系统以及冷却车辆内部腔室4的运行状态。在这种情形下，制冷剂回路2内的两个蒸发器42、43和个制冷剂冷却器21、23以及任选设置的内部热交换器25均处于工作状态。制冷剂在压缩机20内被压缩、因此在A点以气体形式存在且处于非常高的压强和严重过热状态。经由管路47制冷剂进入第一制冷剂冷却器21内。在该冷却器内没有与温度控制回路3发生热交换，因为冷冻剂没有流经制冷剂冷却器21。相反，制冷剂仍然以高压形态经由跨接阀24通向第二制冷剂冷却器23。制冷剂冷却器23在此充当液化器或冷凝器，其中热气可向周围空气释放其热量并冷凝。因此在制冷剂冷却器23下游D点仍然处于高压但是由于温度降低，大部分处于液态。制冷剂经由管路50输送到内部热交换器25，并在内部热交换器25内与下文描述的回流的制冷剂发生热交换。在内部热交换器25的下游形成两个集流，该两个集流经由三向阀27输送至膨胀阀40和膨胀阀41。在两个膨胀阀内，制冷剂由高压降至低压同时温度降低。制冷剂经由管路52输送至蒸发器42，经由管路53输送至蒸发器43。通过蒸发器42，由于从温度控制回路吸收热量而产生升温，温度控制回路3内的跨接阀36闭合并且冷冻剂经过蒸发器42以进行热交换。因此，冷冻剂进一步冷却并经由打开的跨接阀38和管路60、62通向电池6或车辆的待冷却组件。
由于没有加热车辆的内部腔室4，通过打开跨接阀33跨接加热热交换器30，以使在电池和其他车辆组件内加热的冷冻剂直接输送再此到达冷却器34。在该冷却器内，冷冻剂在周围空气作用下冷却。
如前所述，经由三向阀27供给至膨胀阀41的制冷剂集流经由管路53传输至蒸发器43。在此，液态制冷剂在低压低温下蒸发，同时例如在循环空气模式中从车辆内部腔室空气吸热或从外部的或周围空气吸热，外部的或周围空气被供给至车辆内部腔室，以使车辆内部腔室4可通过该装置冷却。原则上，在此通过车辆空调系统实现冷却，其中鼓风机或风扇32可切换至打开状态或任选地关闭。
在蒸发器43内加热的制冷剂经由三向阀44再次输送至管路45并经由管路45输送至任选设置的内部热交换器25，在内部热交换器25内与从制冷剂冷却器23流入的制冷剂发生热交换。进一步加热的气态制冷剂经由管路51再次输送至压缩机20，以使制冷剂在压缩机20内再次被压缩。
从蒸发器42通过吸收热量加热的制冷剂在G点处于低压，经由管路46输送至三向阀44，并经由三向阀44、管路45、内部热交换器25和管路51再次输送至压缩机20，以使制冷剂回路因此闭合。
作为一个变形的实施方式，两个蒸发器42、43也可在不同低压位置运行。为此，在两个管路46、47的至少一个中设置合适的调节装置或至少一个止回阀，以阻止制冷剂流回低压回路的任一个。流经任选设置的内部热交换器25的制冷剂因此具有中等低压。
因此，通过适当地连接或跨接冷却回路和制冷剂回路的单个元件，电池和车辆内部腔室二者均可被冷却。如果每次仅车辆组件6、600、601或车辆内部腔室待冷却或加热，回路的不被供予冷冻剂的特定部分通过打开跨接阀33或39而被断开。
图6示出气候控制系统1的变形例，其中设置有制冷剂回路2，但没有温度控制回路3，温度控制回路以分离的冷却回路7和加热回路8的组合形式出现。比如，电池6和/或车辆另外的或其他的组件可插入到加热回路8和冷却回路7内，其中，电池6和其他组件可按照图1所示的实施方式与温度控制回路并联连接或串联连接。为此，如图6所示，例如两个三向阀70、71设置在电池的上游和下游，以便来自冷却回路7的用于冷却的冷冻剂能够以与来自加热回路8的被加热的冷冻剂相同的方式，经由这些阀门供给。
在包含冷却器34和导向蒸发器42的管路64以及用于跨接蒸发器42的跨接阀36的冷却回路7内，管路72从蒸发器42或跨接阀36导向三向阀70。由此形成管路72，其经过电池并且通过管路72可与电池区域或电池发生热交换。经由第二三向阀71和管路73，冷冻剂回流到冷却器34。为了使冷却回路内的冷冻剂移动，与前述实施方式一样，在此同样设置泵10a，其优选地由电动机11驱动。也可以采用其他类型的泵。以与图4和图5所示的两个实施方式相同的方式，在冷却回路7内热量可经由蒸发器42释放至制冷剂回路2内的制冷剂。同样，与图2和图3所示的两个实施方式的一样，也可以通过跨接阀36跨接蒸发器42。
加热回路8与制冷剂回路2连接，以便在致冷模式和热泵模式中从第一制冷剂冷却器21吸收热量。电池可用来自制冷剂冷却器21的热量加热。
除了自经过加热回路8输送冷冻剂的、同样由电动机11驱动的泵10b到达制冷剂冷却器21的管路80，加热回路8包括从制冷剂冷却器21通向三向阀70的管路81。
如果电池或另外的车辆组件或车辆的流体系统不需加热，可以设置具有跨接阀83的旁路82。如果跨接阀83打开，通过制冷剂冷却器21加热的冷冻剂经由跨接阀83和管路84流向加热热交换器30。因此，在循环空气模式或在外部空气模式下，与图5所示的方式一样，加热热交换器可通过加热供给至热交换器的空气来加热车辆内部腔室4。经由另一管路85，冷冻剂可回流至泵10b并通过管路80到达制冷剂冷却器21。
如果是电池而不是车辆内部腔室需要加热，跨接阀83闭合并且三向阀70在经过电池的管路72a的方向上打开，在管路72的方向上关闭。在冷却模式下，三向阀在管路82a方向上关闭，并在管路72和72a方向上打开。因此，待加热的电池或车辆组件或待加热的车辆流体系统可通过加热的冷冻剂加热。电池下游的三向阀71可切换以用于冷冻剂从电池返回至泵10b，以使冷冻剂经由另外的管路86和另外的跨接加热热交换器的跨接阀87返回至回流管85，并因此到达泵10b和管路80，同样到达制冷剂冷却器21。
原则上，制冷剂回路2根据图1所示的结构并以相应的方式运行。正如根据图1的气候控制系统的实施方式中已经描述的，蒸发器43可用于冷却车辆内部腔室。
不仅在冷却回路、加热回路和温度控制回路内的泵10由电动机操作，优选地，制冷剂回路2的压缩机20也由电动机操作，尤其是在纯电动机驱动的车辆中。通过提供这种电动机驱动的泵和压缩机，实现仅需要相当低的能量来运行泵和压缩机的混合车辆和电动车辆特别好的适用性，。
图7示出气候控制系统1的另一实施方式，在该实施方式中设置两个冷却回路或温度控制回路，这种结构特别适用于包括具有不同温度水平的组件的混合动力车辆。因此，内燃机9包括在第一温度控制回路90内，该第一温度控制回路90为引擎温度控制回路。在引擎温度控制回路90内，管路91从冷却器34导向三向阀92，并且另外的管路93经过内燃机9到达另一三向阀94。另一管路95从三向阀94经由由电动机驱动的泵10a、另外的管路96回到冷却器34。经由冷却器引擎温度控制回路的冷冻剂可因此通过周围空气冷却。
第二冷却回路100用于车辆组件，例如电池、燃料电池、电力电子器件、流体系统等，该回路与用于内燃机9的第一温度控制回路90分离。因为内燃机在90度左右的温度下运行，而电池或其他车辆组件在较低温度下运行，尤其是15℃至35℃的温度，这两个彼此分离的冷却回路或温度控制回路适用于混合动力车辆。第二冷却回路100包括制冷剂回路2的蒸发器42。第二冷却回路100包括经过蒸发器42的管路101。在该蒸发器的下游，该管路继续为管路102。管路102导入三向阀103，从三向阀103分支出经过例如电池6的管路104。因此，能够向电池或者串联或并联至此的车辆的组件600，例如尤其是燃料电池、电力电子器件等，供给用于冷却的冷冻剂。设置另一个三向阀105用于回流通过从电池吸收热量而加热的冷冻剂，该三向阀105在第二冷冻剂回路100内切换至泵10c的方向上。如图1或图6所示的气候控制系统1的实施方式，热量可经由蒸发器42释放至制冷剂回路2，冷冻剂回路100内的冷冻剂可被冷却，以用于冷却电池和车辆的其他组件600。
在制冷剂回路2内，两个蒸发器42、43并联连接，制冷剂从该两个蒸发器42、43向压缩机20的回流并由三向阀44控制。车辆内部腔室4由内燃机9释放至管路93内的冷冻剂的热量加热，管路93内的冷冻剂经由三向阀94供给至加热热交换器30而不是直接流向管路95。向加热热交换器30的供给通过管路97完成。另一个管路98从该加热热交换器导回至引擎温度控制回路90的管路95。
如果车辆内部腔室不需加热，而是处于相反的气候控制或待冷却，制冷剂回路2或车辆空调系统的蒸发器43用于该目的，如图1和图5所示的气候控制系统的实施方式，冷冻剂经由膨胀阀41和管路53传输至蒸发器43。
不仅能够冷却混合车辆的电池或其他组件，而且也能够通过加热回路110来加热这些组件，在图7中，这些组件由电池6代表。原则上，该加热回路不仅可用于车辆组件的加热而且也可用于内燃机9的加热，例如在冬季作为独立车辆加热器的一部分。加热回路110可通过经过内燃机9的管路93连接。从冷却器34流动的冷冻剂，在内燃机9运行期间冷却，可通过加热回路110引导，其中冷冻剂由制冷剂冷却器21加热并随后经由管路93供给至内燃机9。为此，加热回路110的管路111从三向阀92分支。管路111经过制冷剂冷却器21以从制冷剂冷却器21吸收热量。该管路作为管路112导向三向阀113。管路114从该三向阀分支向管路93的方向，管路115从该三向阀分支向三向阀103的方向。如果电池或车辆的组件以及内燃机待加热，例如当冬季开始时，管路114、115可任选地打开。进一步，能够通过相应的装置或阀门的位置分离两个冷却回路。例如，如果电池6和内燃机9需加热，通常这不会同时发生，因为一个驱动单元足够启动车辆，因此例如首先加热内燃机9。因此，在此可设定回路的优先切换或待加热组件的优先切换。
如果随后内燃机充分加热或随后电池和车辆的另外组件充分加热，各自的管路114或115可通过三向阀113关闭。热的冷冻剂可经由管路115三向阀103和管路104供给至电池或车辆的其他组件，管路104经过组件或电池到达三向阀105。温的冷冻剂从阀门由管路116引导向管路93或通过相应设置的任选地与管路93连接的三向阀直接引回至三向阀92和管路111，以由制冷剂冷却器21释放的热量加热。
当加热电池或车辆的其他组件时，冷冻剂回路100通过三向阀103和105关闭。如果内燃机以及电池或车辆的其他组件均不需加热，三向阀113可相应切换为仅从管路112至管路114，并且管路114与管路93连接的区域内的部分通过另一相应设置但没有在图7中标示三向阀到达三向阀92，并从三向阀93到达管路111，以便实现闭合回路，而没有通过内燃机或电池或车辆的其他组件进一步移除热量。
由于气候控制系统的这种实施方式包括热工连接的两个冷却回路或温度控制回路和一个加热回路以及制冷剂回路2，车辆的组件例如尤其是电池、燃料电池、电力电子器件等和混合车辆的内燃机以及车辆内部腔室可通过连接和断开气候控制系统的单个回路和组件进行温度控制。
图8是图7的气候控制系统的变形例，其中两个蒸发器42和43设置为串联连接而不是图7中的并联连接。通过在蒸发器42内从冷冻剂回路100吸收热量加热的制冷剂通向蒸发器43，其中如果从车辆内部腔室吸取热量则在蒸发器内进一步吸收热量，即，加热/冷却单元31充当气候控制系统，以使热的制冷剂进一步供给至内部热交换器25。与图1至图5的实时方式一样，在内部热交换器25内进一步吸收热量后，制冷剂可任选地从内部热交换器25供给至压缩机20。既然在内部热交换器25的下游仅设置一个膨胀阀40而三向阀27被略去，在离开制冷剂冷却器23后，制冷剂经由内部热交换器25直接输送至膨胀阀40，制冷剂冷却器23可根据膨胀阀22是否被跨接阀24跨接（在热泵模式中）充当液化器或蒸发器。制冷剂以低压低温形态从该膨胀阀40到达蒸发器42。在该蒸发器中可再次从制冷剂回路100吸收热量。
与图7所示的实施方式相比，图8的具有串联的蒸发器42和43的实施方式的成本更低，因为尤其是第二膨胀阀41和三向阀27被略去。为了降低成本，这种方式也使用于图1至图6的实施方式。
还可用两个串联连接的热交换器来代替唯一的一个制冷剂冷却器21。通过这种方法，例如内燃机9和电池6等组件能更好地隔离。
除了附图所示和上文所述的气候控制系统1的实施方式，也可以通过制冷剂回路2直接控制电池6的温度，即，旁路温度控制/冷却回路或传热介质回路3。然而，因为待温控组件的耐高压性差，需要采取另外的措施来就降低制冷剂内存在的高压。除了所述的气候控制系统的实施方式，也可形成各种其他的系统，其中在每种情形中提供至少一个用于向温度控制回路传热的装置以及至少一个从温度控制回路向制冷剂回路传热的装置。图中所示和上文所描述的风扇、阀门安置和管路导向仅视为气候控制系统的单个组件和热交换器的连接的实例。也可采用其他合适的实现温度控制的实施方式，例如移除和分离气候控制系统的，尤其是温度控制回路的，支路和跨接部分，其中在每种情形下提供至少一个用于向温度控制回路传热的装置以及至少一个从温度控制回路向制冷剂回路传热的装置。
Claims (12)
1.一种车辆气候控制系统（1），其包括至少一个制冷剂回路（2）和至少一个温度控制回路（3、7、8、90、100、110），用于控制车辆内部腔室（4）和至少一个车辆组件（6、600、601）的温度，尤其是用于电动车辆或混合动力车辆，其特征在于，包括：
至少一个用于从所述温度控制回路（3、7、8、90、100、110）吸收热量的装置（42）以及至少一个用于向所述温度控制回路（3、7、8、90、100、110）释放热量的装置（21）。
2.根据权利要求1所述的气候控制系统（1），其特征在于，
所述用于从所述温度控制回路吸收热量的装置为低压侧热交换器（42），尤其是蒸发器；
所述用于向所述温度控制回路释放热量的装置为所述至少一个制冷剂回路（2）的高压侧热交换器（21）。
3.根据权利要求1或2所述的气候控制系统（1），其特征在于，包括：
至少一个用于连接和断开至少一个组件（6、21、25、30、42）和/或所述气候控制系统（1）的支路或回路的装置（24、26、36、38、39、33、83、87），尤其是至少一个跨接阀和/或多向阀和/或旁路。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，包括：
所述至少一个制冷剂回路（2）的两个蒸发器（42、43）的并联回路。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，包括：
所述至少一个制冷剂回路（2）的两个蒸发器（42、43）的串联回路。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，包括：
一个用于冷却和加热车辆组件（6、600、601）的温度控制回路（3）。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，
所述用于控制车辆组件（6、600、601）温度的温度控制回路包括冷却回路（7）和加热回路（8）。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，
所述温度控制回路包括两个冷却回路（90、100），用于控制车辆的，尤其是混合动力车辆的组件（6、9、600、601）处于不同温度水平。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，包括：
一个或多个电动操作或驱动的泵（10）和压缩机（20）。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的气候控制系统（1），其特征在于，
所述制冷剂回路（2）内使用的制冷剂从CO2、氢氟利烯烃、四氟乙烷中选择。
11.一种用于控制车辆组件温度的方法，其使用至少一个制冷剂回路（2）和至少一个温度控制回路（3、7、8、90、100、110），其特征在于，
在所述制冷剂回路的低压侧来自所述温度控制回路的热量被吸进入所述制冷剂回路内；以及
在所述制冷剂回路的高压侧热量由所述制冷剂回路释放至向所述温度控制回路。
12.一种车辆，其具有至少一个根据权利要求1-10任意一项所述的温度控制系统。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190416 Address after: Schwarmstadt, Germany Patentee after: The special joint-stock company of Kang Wei Address before: The German city of Weipofeierde Patentee before: Voss Automotive GmbH |