CN111532098A - 空气调节和电池冷却装置及其运行方法 - Google Patents

空气调节和电池冷却装置及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空气调节和电池冷却装置，其具有A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路以及制冷剂循环回路，其中A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路经由二位四通冷却剂阀彼此耦联成，使得A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路构成为可独立地运行或可序列地穿流。

Description

空气调节和电池冷却装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于电池电动车辆的、具有高的制冷功率和被动的电池冷却的空气调节和电池冷却装置，以及一种用于对车辆进行空气调节和冷却电池的方法。
背景技术
本发明尤其涉及用于电动车辆、具有混合驱动器的车辆或借助所谓的高压电池或蓄电池运行的燃料电池车辆的热系统的设计。上述高度电气化的车辆通常配备有用于电储能器的快速充电的可能性。与此关联的是，在快速充电时对相应的储能器的冷却的需求增加。此外，大的充电电流导致高的电损耗并且因此导致储能器的强的加热。
因此，在电池的快速充电过程中，必须由热系统提供特别高的制冷功率，这意味着对于电池冷却的传统系统的挑战。
从电池电动车辆的驾驶员和使用者的角度来看，高压电池的充电时间是主要的缺点。在家用典型的插座处，高压电池的充电时间例如为八至十二小时。与此相对地，电池电动车辆的有效行程通常在150至300公里之间，因此用户经常必须为其车辆充电。
因此，越来越多地接受电动车辆的重要先决条件和主要特征在于，显著地缩短高压电池的充电时间。出于所述原因，研究所谓的超快充电技术，以便将电池的充电时间减少到大约20分钟。未来几年，为此所需的充电基础设施沿着欧洲的主要交通干线继续扩建。借助相应的技术，诸如所谓的“超快大功率充电网络”，提供直至350千瓦的充电功率，使得电池的充电可与在常规的加油站为消耗燃料的车辆加油类似。属于电池的快速充电的缺点有：例如，虽然锂离子电池提供相对高的功率密度，但是也易于过量充电、深度放电和高的充电电流，这尤其在高的环境温度下可能导致高压电池的快速过热。为了避免高压电池的损坏，充电电子装置监视电池的状态，包括电压和温度，并且相应地调整充电电流。
为了能够在快速充电过程期间确保高的充电速度，需要对高压电池进行主动冷却，以将其保持在10℃至35℃的特定的温度范围中。对此，在现有技术中已知高压电池冷却器，所述高压电池冷却器要么直接制冷剂冷却地、要么间接冷却剂冷却地连接到车辆的制冷循环回路上，并且相对应地将电池保持在期望的温度水平上。由电池单元产生的废热由冷却剂或制冷剂吸收并且输出给环境，或可能地甚至用于加热客舱。
在用于电池冷却的直接制冷剂冷却的系统的情况下，制冷剂循环回路在低压侧通过制冷剂在蒸发器中的蒸发来吸收高压电池或车舱的废热。蒸发的制冷剂由压缩机压缩到更高的压力水平。通过压缩功附加地向制冷剂输送热量。在压缩机的出口，制冷剂作为具有高温的高压气体进入冷凝器。在冷凝器内，先前吸收的蒸发和压缩热量要么在空气冷却的冷凝器的情况下输出给空气，要么例如在水冷却的冷凝器的情况下输出给冷却剂。制冷剂在其进入膨胀机构之前然而总是在高压下以液态形式离开冷凝器。穿流过膨胀机构的制冷剂从高压降压到低压水平。借此，制冷剂的温度同样下降到此后再次适用于吸收废热的水平。冷的并且液态的制冷剂进入蒸发器，并且在蒸发的条件下再次吸收热量，借此制冷剂循环回路闭合。
在快速充电过程期间，在电池单元中产生约8千瓦至12千瓦的废热。在高的环境温度下，因此除了车舱空气调节之外，车辆的空气调节设施的冷却容量必须能够吸收产生的电池废热，以便将单元的温度降低到临界值以下或保持在那里。
在已知的系统中，称为空气换热器并且也称为散热器的冷凝器的功率能力是薄弱点，并且相应的尺寸设计是大的挑战。在经由冷凝器直接散热的情况下或在经由散热器间接散热的情况下，将出自车舱和电池的总的蒸发热量以及压缩机的压缩热量输出给环境空气。
因此，在快速充电过程期间，在车辆在充电过程进行期间连接于插座时，冷凝器或散热器必须能够将出自空气调节系统的约20千瓦至22千瓦的废热输出给环境。然而，常规的冷凝器或简单的散热器不能在车辆停车时在空转中提供这种功率。在行驶期间通过行车风引起的高的风速的情况下，冷凝器或散热器才能提供所需的功率。
出于所述原因，制冷循环回路的散热对充电功率具有重要的影响，从而对电池电动车辆的充电时间具有重要影响。
在现有技术中已知用于电池电动车辆的电池冷却的各种系统。
因此更确切地说，从US 2009/0317697 A1中得知带有旁路的电池冷却器系统，其中经由各种循环回路配置和旁路，与车舱的空气调节相结合地实现电池冷却。
已知的解决方案的缺点在于，冷却容量，尤其在车辆停车时在快速充电的情况下的冷却容量不足地由常规系统提供。出于所述原因，在现有技术中也追求解决冷却容量不足的问题的其他方式。
例如，从US 2017/0096073 A1中得知具有在充电阶段期间电动车辆的热管理系统的充电站。所述系统包括车辆以其电池冷却循环回路连接至充电站的外部冷却循环回路，其中以足够的容量提供用于在充电过程期间冷却电池的制冷功率。
替选地，在车辆中设有内部的独立的储存器，如果充电站的外部系统不可用，所述储存器可以在充电过程期间存储废热的一定份额。
具有外部冷却容量的系统的缺点在于，要求非常高的基础设施支出，以便在充电站附加地还提供冷却站。
此外，用于充电过程的充电站和车辆的冷却系统的耦联与使用者的附加的操作耗费相关联。除了电连接之外，通过建立流体连接引起的系统的附加耦联与用于电池的充电过程的电连接相比也可能在技术上要更耗费地确保安全。
发明内容
因此，本发明的目的在于，能够适应需要地根据对储能器的增加的需求并且借助车载空气调节的机构来冷却车辆中的储能器。
在此，尤其应提供如下系统，所述系统在车辆停车时在快速充电过程的情况下能够实现提供高的制冷功率，但是此外，这也能够满足对车辆空气调节设施的典型需求轮廓。
所述目的通过本发明的主题来实现。改进方案在下面的描述中给出。
首先，存在多种方式，以便解决冷却容量扩展的问题。一种方式在于，在车辆停车时提高冷凝器或散热器的功率。为此，可以扩大电容器或散热器的端面。另一方面是设有储热器，所述储热器可以在充电过程期间吸收一定的热量。并且最后，具有高的功率的风扇可用于在停车时提高散热器中的空气量，以便补偿或替代缺少的行车风。
根据本发明的构思，所述目的通过如下方式实现：通过连接和组合用于特定的运行状态和参数状况的子系统，提高向环境空气的热传递容量，其中热管理系统的各个子系统模块化地和可变地根据需求构成为可连接在一起或可分离。
本发明的目的尤其通过具有A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路以及制冷剂循环回路的空气调节和电池冷却装置来实现，其中A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路经由二位四通冷却剂阀彼此耦接成，使得A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路可独立运行地或可顺序穿流地构成。
此外，A/C冷却剂循环回路具有至少一个用于将热量输出给环境空气的A/C冷却剂散热器、冷却剂泵和冷凝器，经由所述冷凝器，A/C冷却剂循环回路与制冷剂循环回路热连接。
电传动系冷却剂循环回路具有至少一个电池冷却器、冷却剂泵、用于将热量输出给环境空气的传动系冷却剂散热器和冷却器，经由所述冷却器，电传动系冷却剂循环回路与制冷剂循环回路热连接。
制冷剂循环回路具有至少一个压缩机、冷凝器、用于将热量输出给环境空气或从环境空气中吸收热量的环境换热器、膨胀机构以及冷却器。在此，二位四通阀将A/C冷却剂散热器的输出端与传动系冷却剂散热器的输入端连接。此外，在传动系冷却剂散热器的输出端处二位三通阀设置成与A/C冷却剂循环回路连接。
二位四通阀的位置选择成，使得冷却剂循环回路的分离导致构件的不同的穿流顺序。结合在传动系冷却剂散热器、也称为低温散热器下游的附加的二位三通阀，现在可能的是，接入阀，使得电传动系不再与A/C冷却剂散热器和传动系冷却剂散热器处于相同的冷却剂循环回路中。由此，总的环境侧的传热面可对制冷循环回路用作为热沉。在车辆停车并且牵引电池同时快速充电时的运行中，所述运行方式是特别有利的。在此期间，传动系不被冷却，而是仅在小的回路中穿流，以便维持冷却剂的均匀化功能。
制冷剂循环回路在基本线路中包括冷凝器和压缩机。在压缩机下游，基本线路在二位三通阀处分成两个子线路，所述子线路可以替选地或累积共同地由制冷剂穿流。一个子线路包括冷凝器，并且另一子线路包括制冷剂加热换热器，所述制冷剂加热换热器用作为内部冷凝器。子线路在环境换热器上游再次汇合。A/C冷却剂循环回路经由冷凝器与制冷剂循环回路连接。
电传动系冷却剂循环回路具有多个彼此可连接的子线路。设有三个冷却剂泵，所述冷却剂泵能够实现形成的子循环回路由冷却剂独立地穿流。通过前轮驱动器和后轮驱动器的电传动系的组件连同各自的冷却剂泵，一个子线路形成为并联线路。另一子线路通过另一冷却剂泵、冷却剂加热装置以及电池冷却器形成，其中附加地设有用于电池冷却器的旁路和替选地设有用于冷却剂加热装置的旁路。上述子线路与最先提及的子线路并联地构成。另一并联的子线路具有冷却器。最后，子线路构成为经由二位四通冷却剂阀与传动系冷却剂散热器的连接。借此，得出五个子线路，五个子线路中的四个子线路彼此并联连接地组合成电传动系冷却剂循环回路。
用于传热的特别普遍的液体视为冷却剂，所述液体用作为载热体，或根据应用情况也用作为制冷剂。例如，水乙二醇混合物在机动车中的冷却剂循环回路中特别流行。
制冷剂循环回路基本上由压缩机、冷却剂冷却的或水冷却的冷凝器的已经提到的组件以及具有在上游连接的膨胀机构的环境换热器组成。由此，环境换热器可以用作为用于冷凝器的辅助冷却器或过冷器，或用作为用于在热泵模式中从环境空气中吸收热量的蒸发器。此外，用于冷却车舱和冷却器的蒸发器也是制冷剂循环回路的线路的一部分。冷却器在制冷剂侧是蒸发器，并且对应地具有在上游连接的和相关联的膨胀机构。冷却器从电传动系冷却剂循环回路中吸收热量，电池冷却剂线路也属于所述电传动系冷却剂循环回路。
A/C冷却剂散热器是液体空气换热器，其在A/C冷却剂循环回路中在具有二位四通冷却剂阀的子线路中定位，其中A/C冷却剂散热器在输出侧与二位四通冷却剂阀连接。
传动系冷却剂散热器同样是液体空气换热器，并且在电传动系冷却剂循环回路中同样设置在具有二位四通冷却剂阀的子线路中，其中二位四通冷却剂阀在输入侧与传动系冷却剂散热器连接。
换热器A/C冷却剂散热器和传动系冷却剂散热器可以分别在其A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路的子线路中彼此分离地运行，并且此外也可以经由二位四通冷却剂阀顺序地接入，并且因此串联地构成为可依次穿流。
环境换热器是制冷剂空气换热器，其在冷凝器下游设置在制冷剂循环回路中。
三个上述换热器是空气换热器，在所述空气换热器中在制冷设施运行中，将热量输出给环境空气，或在热泵运行中在特定的运行状态下，从环境空气中吸收热量。
冷却器是制冷剂冷却剂换热器，其设置在电传动系冷却剂循环回路的子线路中。
用于提高空气调节和电池装置的冷却容量的技术构思在于，三个空气换热器可提供用于在特别高的需要的制冷功率和与此关联的在制冷剂循环回路中的冷凝热量积聚的时间中输出废热。
此外，电池冷却可以主动地或被动地经由制冷剂循环回路或冷却剂循环回路进行，其中将主动的电池冷却应该理解为利用制冷剂循环回路的冷却容量来冷却电池，并且将被动的电池冷却应该理解为使用冷却剂循环回路的冷却功率。然后，冷却剂循环回路在空气换热器中将废热输出给环境空气。本发明的构思的另一方面在于，废热暂时存储在冷却剂循环回路的与电池冷却分离的区域中。然后，暂时吸收和存储的废热在其他运行状态中输出给环境。
优选地，制冷剂循环回路具有制冷剂加热换热器，作为用于加热车舱的内部冷凝器，所述内部冷凝器可与冷凝器并联连接地或可替选于冷凝器连接地在制冷剂循环回路中构成。
通过如下方式有利地补充空气调节和电池冷却装置：电传动系冷却剂循环回路在一个子线路中具有加热装置，所述加热装置串联地在电池冷却器上游连接，并且还构成电池冷却器的旁路。
此外有利的是，附件地构成加热装置的旁路。
在电传动系制冷剂循环回路中，冷却剂泵和/或反相器和/或电动机换热器与电池冷却器并联地可穿流地设置在子线路中。
优选地，在制冷剂循环回路中，在冷凝器下游并且在环境换热器上游设置有膨胀机构，由此在热泵模式下，环境换热器构成为可作为蒸发器运行，用于从环境空气中吸收热量。
根据实施方式，在制冷剂循环回路中并联连接地设置有具有所属的和在上游连接的膨胀机构的上游的蒸发器和/或具有所属的和在上游连接的膨胀机构的下游的蒸发器。此外，低压收集器可能在压缩机上游设置在制冷剂循环回路中。
为了提高用于车舱的加热功率，有利地在下游的蒸发器处和/或在制冷剂加热换热器处设置附加加热装置，尤其作为PTC加热元件。
优选地，在电传动系冷却剂循环回路中，构成用于前轮驱动器和后轮驱动器的分离的并联冷却的两个并联线路，只要设有并联的驱动器。
本发明的目的还通过一种用于运行空气调节和电池冷却装置的方法通过如下方式实现：在高的环境温度下和对于电池快速充电的高的制冷功率需求的情况下，冷却器在制冷剂循环回路中运行，并且来自制冷剂循环回路的冷凝热量部分地经由冷凝器传输给AC冷却剂循环回路，并且部分地经由环境换热器传输给环境空气。冷却剂循环回路由串联连接的A/C冷却剂散热器、二位四通冷却剂阀以及传动系冷却剂散热器和二位三通阀以及冷却剂侧的冷凝器组成。冷凝热量的一部分经由AC冷却剂循环回路输出给环境空气，其中A/C冷却剂散热器和传动系冷却剂散热器经由二位四通冷却剂阀串联连接。制冷剂循环回路的电池冷却器和冷却器形成独立的冷却剂循环回路。电传动系冷却剂循环回路经由旁路在循环回路中连接。
有利地，在制冷剂循环回路中，除了冷却器之外，用于产生冷量的用于车舱的空气调节的上游的蒸发器和/或下游的蒸发器附加地运行。
优选地，在用于车舱的空气调节和冷却电传动系以冷却电池的高的制冷功率需求的情况下，冷却器和上游的蒸发器和/或下游的蒸发器在制冷剂循环回路中运行。来自制冷剂循环回路的冷凝热量经由环境换热器输出给环境空气以及经由冷凝器输出给A/C冷却剂循环回路并且经由A/C冷却剂散热器输出给环境空气。传动系冷却剂散热器将废热从电传动系冷却剂循环回路输出给环境空气，其中电池冷却器与制冷剂循环回路的冷却器形成独立的冷却剂循环回路。
在用于车舱的空气调节的适度的制冷功率需求和被动的电池冷却的情况下，上游的蒸发器和/或下游的蒸发器在制冷剂循环回路中运行。来自制冷剂循环回路的冷凝热量部分地经由环境换热器输出给环境空气。来自电传动系冷却剂循环回路和与传动系并联连接的电池冷却器的废热经由串联连接的AC/冷却剂散热器和传动系冷却剂散热器输出给环境空气。冷却剂循环回路从二位三通阀经由二位四通阀、冷凝器以及AC/冷却剂散热器连接至作为驱动器冷却系和电池冷却系的分支点的二位三通阀。
有利地，在车舱加热和电池升温的情况下和在对于主动的电传动系冷却的适度的制冷功率需求的情况下，冷却器在制冷剂循环回路中运行。来自制冷剂循环回路的冷凝热量输出给用于加热车舱的制冷剂加热换热器，并且其他冷凝热量经由环境换热器输出给环境空气。电池冷却器与加热装置在独立的循环回路中连接以用于电池升温。
在车舱加热和被动的电传动系升温以及主动的电池冷却的情况下，来自制冷剂循环回路的废热输出给制冷剂加热换热器。电池冷却剂循环回路与电池冷却器和冷却器连接。电传动系冷却剂循环回路被动地自升温地经由旁路在循环回路中连接。
优选地，在增压模式中的密集的车舱加热和被动的电传动系升温的情况下，来自制冷剂循环回路的废热输出给制冷剂加热换热器。电池冷却剂循环回路与冷却器和加热装置连接并且加温冷却剂，其中在二位三通阀下游电池冷却器不被穿流，并且冷却剂在旁路中引导至电池冷却器。电传动系冷却剂循环回路被动地自升温地经由旁路在循环回路中连接。
本发明的构思在于，冷却剂循环回路的分离导致构件的不同的穿流顺序。
与在传动系冷却剂散热器下游附加的二位三通阀结合，现在可能的是，将阀切换成，使得电传动系不再与散热器处于相同的冷却剂循环回路中。由此，散热器的整个环境侧的传热面可为制冷剂循环回路用作为热沉。在车辆停车并且牵引电池同时快速充电时的运行中，所述运行模式是特别有利的。在此期间，传动系不被冷却，而是仅在小的回路中被穿流，以便维持冷却剂的均匀化功能。
在电池冷却循环回路中设有具有附加的阀的附加的旁路线路。通过所述扩展，在热泵情况下能够维持电池均匀化化功能，而不会从牵引电池中提取热量，而同时又可以从传动系中提取热量。如果牵引电池由于热稳定性不允许继续冷却，但是尽管如此仍需要热量，以便能够有效地为车舱提供加热功率，则所述功能是有利的。
在加热运行中，使用制冷剂加热换热器、也称为内部冷凝器替代冷却剂换热器，以便加热流入车舱的空气。由此，消除始终必须使用冷却剂制冷剂换热器、冷凝器的必要性。这总体上引起更有效的运行，并且在需要时，如果必须将牵引电池和传动系中的非常大量废热直接输出给环境，并且为此应该不使用制冷剂循环回路，在10℃至20℃的温和的环境温度下，能够实现更有效的被动电池冷却，。
本发明的优点在于，在车辆静止并且牵引电池的同时的快速充电功能下的运行中，如果二位四通阀连接成，使得对于制冷循环回路，不仅制冷剂空气换热器(“再冷却器(Subcooler)”)、而且冷却剂空气换热器(“散热器(Radiator)”)可作为热沉提供，那么换热器的穿流方向是最佳的。
同时有利的是，在不存在需要时，传动系不必始终被一起冷却。这节省制冷功率，所述制冷功率可以用于调节牵引电池或车舱。
在加热模式中，如果热量应该经由冷却器不仅从牵引电池而且从传动系中提取，则添加优点，即在热稳定下可以继续提取热量。在现有技术中，则不能同时从传动系中提取热量。
也有利的是，在加热模式中，借助于制冷剂空气换热器将热量耦合输入到车舱中。通过直接馈送来自制冷剂循环回路的热量，热量的供应具有最佳的能源效率。
附图说明
本发明的设计方案的其他细节、特征以及优点参照所属的附图从对实施例的以下描述中得出。附图示出：
图1示出具有两个冷却器的空气调节和电池冷却装置的电路图，
图2示出具有冷却器的空气调节和电池冷却装置的电路图，
图3示出在高温下快速充电时的制冷功率需求的流程图，
图4示出在对于车舱的空气调节和电传动系的冷却的制冷功率需求高的情况下的流程图，
图5示出在被动的电传动系冷却和被动的电池冷却时在对于车舱的空气调节的制冷功率需求适度的情况下的流程图，
图6示出在车舱加热和电池升温时以及在对于主动电传动系冷却的制冷功率需求适度的情况下的流程图，
图7示出在车舱加热和被动的电传动系加热以及主动的电池冷却的情况下的流程图，并且
图8示出在密集的车舱加热和被动的电传动系升温时的流程图。
具体实施方式
在图1中作为电路图示出具有两个冷却器12和14的空气调节和电池冷却装置1，所述电路图具有所有重要组件以及可选的布线。除制冷设施外，由冷却剂和制冷剂循环回路的组合构成的热学总系统也具有热泵功能。这可以理解为，借助空气调节和电池冷却装置，可以为车辆提供冷量和热量。
所述系统由两个冷却剂循环回路和一个制冷剂循环回路组成，其中冷却剂循环回路可以彼此耦联。
A/C冷却剂循环回路以细双线示出。
制冷剂循环回路以中等线宽的双线示出。包括电池冷却循环回路的电传动系冷却剂循环回路以粗双线示出。
在具有不同运行状态的电路中，没有运行的线路以单细线示出。
设有二位四通冷却剂阀21用于耦联冷却剂循环回路，以便将A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路在大的串联循环回路中组合或也完全地彼此分离。
通过A/C冷却剂循环回路的子线路与电传动系冷却剂循环回路的串联耦联，除了A/C冷却剂散热器20和制冷剂循环回路的环境换热器5之外，传动系冷却剂散热器32可以附加地用于将冷凝热量输出给环境空气33。此外，诸如反相器29、转换器30、电动机换热器31的电传动系部件可以用作为储热器，以便在停车时存储来自制冷设施系统的一定量的废热。当冷却剂循环回路在行驶运行中完全地分离时，所述暂存的热量可以稍后输出给环境。
在加热模式中，在热泵运行中，暂存的热量或来自电传动系组件的废热可用作为用于制冷剂的蒸发的热源，并且所述热量借此能够可供系统使用以加热。以这种方式，空气调节和电池冷却装置的热学总系统允许以非常有效的方式提供制冷或加热功率。
制冷剂循环回路由压缩机2和冷凝器3组成，制冷剂加热换热器19经由二位三通阀18.2与所述压缩机和冷凝器连接。如果冷凝器3不被穿流，则在冷凝器3下游的止回阀15防止制冷剂转移到冷凝器3中。
膨胀机构4同时是二位三通阀和朝向环境换热器5的分支点，并且替选地直接连接至蒸发器10和11。制冷剂从环境换热器5的回流经由止回活门15至并联连接的蒸发器10和11以及至并联连接的冷却器12和14与相关联的膨胀机构6、7、8和9进行。膨胀机构9同时是二位三通阀，并且能够实现制冷剂至冷却器12和14以及蒸发器10和11的旁路。制冷剂经由低压收集器13返回至压缩机2，循环回路闭合。
第一冷却器12与冷却剂泵22、加热装置23、二位三通阀24、电池冷却器25以及截止阀26形成电池冷却剂线路。经由二位三通阀24，旁路可以连接至电池冷却器25。电池冷却剂线路经由二位三通阀34与电驱动器冷却剂线路连接。止回活门15防止冷却剂在电动机换热器31之后从电传动系冷却剂循环回路流动到电池冷却剂线路中。
第二冷却器14与自身的膨胀机构6在制冷剂循环回路的与第一冷却器12的并联线路中示出。在电传动系中的冷却剂侧，冷却器14经由二位三通阀27示出，所述二位三通阀用作为前轮驱动器换热器和后轮驱动器换热器(也称为电动机换热器31)和相应的没有进一步说明的分支点的并联的冷却剂线路的汇合。
为了加热车舱，设有制冷剂加热换热器19并且在下游的蒸发器11中设有附加加热装置36。
冷却剂二位四通阀21具有四个冷却剂端口。一个端口与电传动系冷却剂循环回路连接。一个端口与传动系冷却剂散热器32的输入端连接。另一端口与A/C冷却剂散热器20的输出端连接，并且最后的端口与冷凝器3的输入端连接。
此外，附加的冷却剂二位三通阀18.1在流动方向上设置在传动系冷却剂散热器32的下游。冷却剂线路可以从二位三通阀18.1引向冷凝器3的输入端。
通过二位四通阀21和冷却剂二位三通阀18.1的这种布置，可能的是，在车辆停车时在牵引电池的快速充电功能从而在与热沉相比空气质量流较小的同时高的所需要的制冷功率的情况下，可以优化换热器的空气侧的穿流，以及防止从传动系中提取热量。
在制冷循环回路中可提供包括膨胀机构6和止回阀16的附加的并联连接的冷却器14。
附加的冷却器14设置和连接成，使得传动系可以经由附加的冷却器14在加热情况下与牵引电池分离地用作为热源，尤其由此冷却剂侧的温度水平不再彼此关联。
替代否则常见的冷却剂空气换热器，制冷剂加热换热器19被设为内部的冷凝器。
制冷剂二位三通阀18.2插入到制冷剂循环回路中，以便能够区分内部的冷凝器与水冷的冷凝器3的穿流。
通过所述改变，出自制冷剂的热量能够直接传递到流入车舱的空气上。
根据图2的空气调节和电池冷却装置1与在图1中所示出的空气调节和电池冷却装置1仅关于以下描述的特征不同。在冷却剂电池回路中设置有两个冷却剂二位三通阀。二位三通阀24放置在电池冷却器25与加热装置23、电冷却剂加热器之间。第二二位三通阀37处于冷却剂泵22的上游，所述冷却剂泵也称为电池泵。
此外，设有附加的冷却剂线路，其将两个二位三通阀37与24彼此连接。通过所述改变可能的是，在加热情况中，当不允许从电池中提取热量时，可以将电池冷却循环回路与电传动系冷却循环回路完全地分离，并且在此同时借助于冷却器12从电传动系中提取热量，而不从电池回路中提取热量。在不与电传动系冷却剂循环回路连接的情况下，独立的电池冷却剂循环回路可接入，并且牵引电池冷却器由冷却剂的连续穿流因此经由冷却剂泵22、加热装置23、二位三通阀24以及电池冷却器25返回至二位三通阀37，在此处循环回路闭合。
与根据图1的空气调节和电池冷却装置1的另一不同在于，电传动系冷却剂循环回路和制冷剂循环回路不具有第二冷却器。依照根据图2的电路布置，仅设有冷却器12用于耦联制冷剂循环回路与电池冷却剂线路以及电驱动器冷却剂线路。
在没有用于附加的冷却器的并联线路的情况下，制冷剂循环回路与根据图1的制冷剂循环回路相同。A/C冷却剂循环回路也相同地构成。在此，冷凝器3在冷却剂侧接合，并且经由冷却剂泵17与A/C冷却剂散热器20连接。A/C冷却剂散热器20的输出端与二位四通阀21连接，所述二位四通阀经由节点与冷凝器3的冷却剂输入端流体地连接。在A/C冷却剂循环回路中设有从冷凝器输入端至冷却剂二位三通阀18.1的线路，所述线路将A/C冷却剂循环回路在传动系冷却剂散热器32的输出处与电传动系冷却剂循环回路连接。
在制冷剂循环回路中，制冷剂加热换热器19和冷凝器3经由作为分配器的制冷剂二位三通阀18.2并联连接。在制冷剂循环回路中，在并联线路汇合之后，膨胀机构4具有二位三通阀的功能。所述二位三通阀在一侧与环境换热器5连接，并且在另一侧与用于供应蒸发器10和11的制冷剂线路连接用于冷却车舱。在蒸发器10和11处，在空气侧还设有附加加热装置36，经由所述附加加热装置，车舱在加热情况下构成为可附加地加热，优选地可电加热。优选地，PTC加热元件用作为附加加热装置。
与蒸发器10、11并联地设置有冷却器12，所述冷却器经由膨胀机构9结合到制冷剂循环回路中，所述膨胀机构也具有二位三通阀功能。在膨胀机构9处还设有旁通管路，所述旁通管路跨越用于连接并联线路的节点并且通向低压收集器13并且从所述低压收集器至压缩机2。电传动系冷却剂循环回路从二位四通阀21开始与传动系冷却剂散热器32连接，随后与二位三通阀18.1连接，并且所述二位三通阀与二位三通阀34连接。在此，进行到电池冷却剂线路以及至冷却器12的划分。二位三通阀34的其余端口与电驱动器冷却剂线路连接，所述电驱动器冷却剂线路又具有用于前轮电动机换热器和后轮电动机换热器31以及在上游连接的转换器30和反相器29以及冷却剂泵28的并联线路。此外，旁路38与电驱动器冷却剂线路的换热器29、30、31以及35、30、31连接，所述旁路经由截止阀26可接入。通过所述附加的旁路可能性，循环回路可以独立地仅经由直接电驱动器冷却剂线路的换热器连接，所述循环回路与散热器20、5、32脱耦。例如，这对于散热器20、5、32的冷却容量优先用于其他冷却任务的运行状态是有利的。
图3至图8的以下描述阐述了根据图2的空气调节和电池冷却装置1的主要运行模式，借助所述主要运行模式，系统可以在分别特定的基本任务情况下运行。当然，在特定状况下，描述的模式的组合也是可能的。
在各个模式内流体穿流的流体连接作为双线示出。在涉及的模式中，单线不是流体穿流的。
图3示出在相对较高的环境温度、例如诸如从25℃至45℃下在电池的快速充电的情况下根据图2的空气调节和电池冷却装置1的流程图。在电池的快速充电的情况下，需要高的冷却容量，以便避免电池的过热和伴随于此的损坏。因此，在制冷剂循环回路中，具有所属的膨胀机构9的冷却器12优先运行。在必要情况下，附加地为蒸发器10和11提供制冷剂，以冷却车舱。在制冷剂蒸气在压缩机2中压缩之后，制冷剂二位三通阀18.2朝向冷凝器3的方向连接。冷凝器3在A/C冷却剂循环回路的冷却剂侧将A/C冷却剂散热器20中的冷凝废热输出给环境空气33，此后，冷却剂经由二位四通阀21引导到因此串联连接的传动系冷却剂散热器32中，并且冷却剂又将热量输出给环境空气33。然后，冷却的冷却剂经由冷却剂二位三通阀18.1返回至冷凝器3的冷却剂侧的输入端。冷却剂循环回路由冷却剂泵17驱动。
在冷凝器3中冷却的制冷剂经由膨胀机构4到达环境换热器5中，在此，制冷剂继续将热量输出给环境空气33，并且冷凝或过冷。随后，制冷剂经由止回活门15到达用于具有所属的膨胀机构7的上游的压缩机10，具有所属的膨胀机构8的下游的蒸发器11和具有所属的膨胀机构9的冷却器12的各个并联的制冷剂线路，在此根据需要和调节，在吸收热量的条件下制冷剂蒸发。
冷却器12在冷却剂侧结合到由冷却剂泵22驱动的电池冷却剂循环回路中。冷却剂经由加热装置23的在所述状况中未加热的换热器并且经由二位三通阀24流动到电池冷却器25中，在此快速充电的废热由冷却剂流吸收。经由打开的截止阀26，电池冷却剂流的循环回路至冷却器12闭合，并且循环回路闭合。二位三通阀37在根据图3的所述循环回路位置中接通从冷却器12至冷却剂泵22的连接。
在所述配置中，电传动系没有被冷却，而是经由旁路38作为小的闭合的循环回路环行。在此，冷却剂泵28驱动冷却剂流经过换热器29、30、31以及35、30、31，并且经由打开的截止阀26，经由旁路38建立循环回路。并联的电传动系冷却剂线路在端侧由两个二位三通阀34和27限界，所述二位三通阀相应地为了冷却剂循环回路引导而接入。两个二位三通阀34和27朝向二位四通阀21和二位三通阀18.1的外部线路分别截止。
在所述模式中，三个散热器5、20、32，即空气换热器，作为废热热沉用于冷却电池和车舱，其中A/C冷却剂散热器20和传动系冷却剂散热器32串联连接。
在图4中示出在传动系通过高速来高负荷并且同时在高温下对冷却车舱的制冷功率需求高的情况下根据图2的空气调节和电池冷却装置1的流程图。
电传动系冷却剂循环回路经由二位三通阀34连接，并且冷却剂泵28输送冷却剂通过换热器29、30、31以及35。用于前轮换热器和后轮换热器的两个并联的冷却剂线路在二位三通阀27中汇合，并且然后经由二位四通冷却剂阀21引导至传动系冷却剂散热器32。在那里，将来自传动系的废热传递至环境空气33，并且冷却的冷却剂经由二位三通阀18.1到达二位三通阀34，在此电传动系冷却剂循环回路的循环回路在所述工作模式中闭合。因此，电传动系仅经由传动系冷却剂散热器32被动地冷却，并且所述电传动系不与车辆的制冷剂循环回路连接。
除了用于车舱冷却的蒸发器10和11之外，车辆的制冷剂循环回路也供应冷却器12，所述冷却器实现电池冷却。
电池冷却循环回路从电池冷却器25经由打开的截止阀26连接至冷却器12，并且从那里经由二位三通阀37、冷却剂泵22、穿过无功能的加热装置23以及二位三通阀24，最终连接至电池冷却器25。
因此，电池冷却循环回路在所述运行模式中与电传动系冷却剂循环回路脱耦。
在压缩机2之后，制冷剂循环回路经由二位三通阀18.2连接至冷凝器3，并且经由止回活门15以及膨胀机构4连接至环境换热器5。在所述运行模式中，在冷却剂侧，A/C冷却剂循环回路经由AC冷却剂散热器20用于输出出自制冷剂循环回路中的冷凝热量，并且也并行地还将冷凝热量经由制冷剂循环回路的环境换热器5输出给环境空气33。
在根据图4的运行模式中，电池冷却和车舱的冷却主动地经由制冷剂循环回路运行，然而电传动系冷却仅经由传动系冷却剂散热器32被动地实现。
在图5中示出在电传动系冷却剂循环回路由车辆的高速来高负荷的情况下以及在从10℃到20℃的适度温度下的被动电池冷却的情况下根据图2的空气调节和电池冷却装置1的流程图。
电池冷却和电传动系冷却经由电传动系冷却剂循环回路被动地进行，所述电传动系冷却剂循环回路并联地引导用于冷却电池和驱动的线路，并且随后经由二位四通阀21和无功能冷凝器3结合，这通过冷却剂泵17支持，首先引向A/C冷却剂散热器20，在那里将废热的第一部分输出给环境空气33。随后，冷却剂流经由二位四通阀21到达传动系冷却剂散热器32，在该处，废热的第二部分输出给环境空气33。电传动系冷却剂循环回路经由二位三通阀18.1朝向二位三通阀34闭合，在该处，冷却剂流分配到电池冷却线路或电传动系上。
在所述模式下，车舱以通常的方式从制冷剂循环回路经由蒸发器10和11进行空气调节，其中在所述适度的环境温度下可能需要的热量可以经由作为内部的冷凝器的制冷剂加热换热器19输出给车舱，或经由具有二位三通功能的膨胀机构4朝向环境换热器5输出给环境空气33。
在图6中示出在低的环境温度和冷的、还未处于运行温度的部件的情况下的车舱加热的流程图。
在低的环境温度下，在制冷剂循环回路中的蒸发器10和11不由制冷剂供应，并且仅冷却器12为了吸收热量接入制冷剂循环回路中。制冷剂循环回路以通常的方式经由压缩机2，朝向二位三通阀18.2，至制冷剂加热换热器19做功，在此冷凝热量输出给车舱。最后，其他的冷凝热量经由组合的膨胀二位三通阀4在环境换热器5中输出，并且循环回路至冷却器12闭合。
冷却器12在冷却剂侧从电传动系获取热量。冷却剂流从电传动系经由二位三通阀27和打开的截止阀26至冷却器12进行，并且随后冷却剂经由二位三通阀34到达并联的电传动系冷却器29、30、31、35。冷却剂分别通过冷却剂泵28运动。
在所述模式下，电池不冷却，而是被动地和/或主动地升温到运行温度。这在单独的循环回路中进行，所述循环回路由冷却剂泵22经由加热装置23连接，所述加热装置可能将附加的热量输出给冷却剂流。冷却剂流经由二位三通阀24输送至电池冷却器25，但是在所述运行模式下，电池冷却器25使电池升温。冷却剂的回流经由旁路进行，其中二位三通阀37相应地连接成，使得冷却剂在所述小的回路中循环。截止阀26将电池冷却循环回路朝向电传动系冷却循环回路限制或将其截止。
在图7中示出在预调节电池的情况下处于加热运行中的根据图2的空气调节和电池冷却装置1的流程图。
制冷剂循环回路在所述模式下运行以加热车舱。因此，经由二位三通阀18.2出自压缩机2的热的制冷剂气体在作为内部冷凝器的冷却剂加热换热器19中完全地冷凝，并且可能过冷，并且冷凝热量输出给车舱用于加热。然后，冷凝的制冷剂经由膨胀机构4和膨胀机构9到达冷却器12以吸收热量，此后制冷剂气体被输送给低压收集器13，并且之后被输送给压缩机2。
用于使制冷剂在冷却器12中蒸发的热量在冷却剂侧来自电池冷却器25，所述电池冷却器经由打开的截止阀26、冷却器12以及二位三通阀37以及朝向电池冷却器25的冷却剂泵22集成到电池冷却循环回路中。
在所述模式中，类似于在根据图3的模式中，电传动系在短的循环回路中运行，此后在截止阀26打开的情况下旁路38接入，并且冷却剂泵28输送冷却剂经过用于前轮传动系和后轮传动系的换热器29、30、31以及并联的换热器35、30、31。
在图8中示出在用于特别密集地加温车舱的所谓的增压模式中根据图2的空气调节和电池冷却装置1的流程图。
为了密集地加温车舱，在电池冷却剂循环回路中激活附加加热装置23，其中电池冷却器25经由二位三通阀24在旁路中被绕过。冷却剂经由处于打开位置的截止阀26时导入冷却器12，此后循环回路经由二位三通阀27至冷却剂泵22至加热装置23再次闭合。
电池冷却剂循环回路的热量在冷却器12中在制冷剂侧由制冷剂吸收，并且在压缩机2下游在制冷剂加热换热器19中输出给车舱。通过二位三通阀18.2的相应的连接，仅制冷剂加热换热器19加载有热的制冷剂蒸汽，而冷凝器3不加载热的制冷剂蒸气，使得可以将所有冷凝热量输出给车舱。随后，流体的制冷剂经由二位三通阀和膨胀机构4以及膨胀机构9再次输送给冷却器12，在此制冷剂在加热装置23的热量的热量吸收的条件下蒸发，并且制冷剂循环回路朝向低压收集器13和压缩机2闭合。类似于在图7和图3中示出的和描述的模式，电传动系冷却剂循环回路再次短路。
附图标记
1 空气调节和电池冷却装置
2 压缩机
3 冷凝器
4 膨胀机构
5 环境换热器OHX
6 膨胀机构
7 膨胀机构
8 膨胀机构
9 膨胀机构
10 上游的蒸发器
11 下游的蒸发器
12 冷却器
13 低压收集器
14 附加冷却器
15 止回活门
16 止回活门
17 冷却剂泵
18.1 冷却剂二位三通阀
18.2 制冷剂二位三通阀
19 制冷剂加热换热器/内部冷凝器
20 A/C冷却剂散热器
21 二位四通冷却剂阀
22 冷却剂泵
23 加热装置
24 二位三通阀
25 电池冷却器
26 截止阀
27 二位三通阀
28 冷却剂泵
29 反相器
29 转换器
31 电动机换热器
32 传动系冷却剂散热器
33 环境空气
34 二位三通阀
35 充电器
36 附加加热装置
37 二位三通阀
38 旁路

Claims (15)

1.一种空气调节和电池冷却装置(1)，其具有A/C冷却剂循环回路和电传动系冷却剂循环回路以及制冷剂循环回路，其中
-所述A/C冷却剂循环回路和所述电传动系冷却剂循环回路经由二位四通冷却剂阀(21)彼此耦联成，使得所述A/C冷却剂循环回路和所述电传动系冷却剂循环回路构成为可独立地运行或可序列地穿流，并且
-所述A/C冷却剂循环回路具有：用于将热量输出给环境空气(33)的至少一个A/C冷却剂散热器(20)、冷却剂泵(17)和冷凝器(3)，经由所述冷凝器，所述A/C冷却剂循环回路与所述制冷剂循环回路热连接，并且
-所述电传动系冷却剂循环回路具有：至少一个电池冷却器(25)、冷却剂泵(22)、用于将热量输出给环境空气(33)的传动系冷却剂散热器(32)；和冷却器(12)，经由所述冷却器，所述电传动系冷却剂循环回路与所述制冷剂循环回路热连接，并且
-所述制冷剂循环回路具有：至少一个压缩机(2)、冷凝器(3)、用于将热量输出给环境空气(33)或从环境空气(33)中吸收热量的环境换热器(5)、膨胀机构(9)以及所述冷却器(12)，
-其中所述二位四通冷却剂阀(21)将所述A/C冷却剂散热器(20)的输出端与所述传动系冷却剂散热器(32)的输入端连接，并且在所述传动系冷却剂散热器(32)的输出端处与所述A/C冷却剂循环回路连接地设置有二位三通阀(18.1)。
2.根据权利要求1所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
所述制冷剂循环回路具有作为内部冷凝器用于加热所述车舱的制冷剂加热换热器(19)，所述制冷剂加热换热器可与所述冷凝器(3)并联连接地或可替选于所述冷凝器(3)连接地设置在所述制冷剂循环回路中。
3.根据权利要求1或2所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
所述电传动系冷却剂循环回路具有加热装置(23)，所述加热装置串联地在所述电池冷却器(25)上游连接，并且此外，构成至所述电池冷却器的旁路，并且替选地附加地构成至所述加热装置(23)的旁路。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
在所述电传动系冷却剂循环回路中，冷却剂泵(28)和/或反相器(29)和/或电动机换热器(31)构成为与所述电池冷却器(25)并联地可穿流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
在所述制冷剂循环回路中，在所述冷凝器(3)下游并且在所述环境换热器(5)上游设置有膨胀机构(4)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
在所述制冷剂循环回路中，并联连接地设置有上游的蒸发器(10)连同所属的且在上游连接的膨胀机构(7)和/或下游的蒸发器(11)连同所属的且在上游连接的膨胀机构(8)，和/或在所述制冷剂循环回路中在所述压缩机(2)上游设置有低压收集器(13)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
在所述下游的蒸发器(11)上和/或在所述制冷剂加热换热器(19)上设置有附加加热装置(36)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)，
其特征在于，
在所述电传动系冷却剂循环回路中构成有用于冷却前轮驱动器和后轮驱动器的两个并联线路。
9.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)的方法，
其特征在于，
在对于电池快速充电的高的制冷功率需求的情况下，运行所述制冷剂循环回路中的冷却器(12)，并且将来自所述制冷剂循环回路的冷凝热量部分地经由所述冷凝器(3)传递给AC冷却剂循环回路，并且部分地经由所述环境换热器(5)传递给环境空气(33)，其中所述冷却剂循环回路由串联连接的A/C冷却剂散热器(20)、所述二位四通冷却剂阀(21)以及所述传动系冷却剂散热器(32)和所述二位三通阀(18.1)以及冷却剂侧的冷凝器(3)连接，并且将冷凝热量输出给所述环境空气(33)，其中所述A/C冷却剂散热器(20)和所述传动系冷却剂散热器(32)经由所述二位四通冷却剂阀串联连接，并且所述电池冷却器(25)与所述制冷剂循环回路的冷却器(12)形成独立的冷却剂循环回路，并且所述电传动系冷却剂循环回路经由循环回路中的旁路(38)与所述电传动系的换热器(29，30，31，35)连接。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
在所述制冷剂循环回路中，除了所述冷却器(12)之外，附加地运行所述上游的蒸发器(10)和/或所述下游的蒸发器(11)以产生冷量，用于对所述车舱进行空气调节。
11.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)的方法，
其特征在于，
在对所述车舱的空气调节和冷却电传动系以冷却电池的高的制冷功率需求的情况下，运行所述制冷剂循环回路中的所述冷却器(12)和所述上游的蒸发器(10)和/或所述下游的蒸发器(11)，并且将来自所述制冷剂循环回路的冷凝热量经由所述环境换热器(5)输出给所述环境空气(33)，以及经由所述冷凝器(3)输出给所述A/C冷却剂循环回路并且经由所述A/C冷却剂散热器(20)输出给所述环境空气(33)，其中所述传动系冷却剂散热器(32)将来自所述电传动系冷却剂循环回路的废热输出给环境空气(33)，其中所述电池冷却器(25)与所述制冷剂循环回路的冷却器(12)一起形成独立的冷却剂循环回路。
12.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)的方法，
其特征在于，
在对车舱的空气调节的适度的制冷功率需求的情况下，在被动的电传动系冷却和被动的电池冷却的情况下，运行所述制冷剂循环回路中的所述上游的蒸发器(10)和/或所述下游的蒸发器(11)，并且将来自所述制冷剂循环回路的冷凝热量经由所述环境换热器(5)输出给所述环境空气(33)，其中将来自所述电传动系冷却剂循环回路和来自与所述传动系并联连接的电池冷却器(25)的废热经由串联连接的AC/冷却剂散热器(20)和所述传动系冷却剂散热器(32)输出给环境空气(33)，其中所述冷却剂循环回路从所述二位三通阀(27)经由所述二位四通阀(21)、所述冷凝器(3)和所述AC/冷却剂散热器(20)引导至作为用于驱动器冷却线路和电池冷却线路的分支点的二位三通阀(34)。
13.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)的方法，
其特征在于，
在车舱加热和电池升温的情况下，和在用于主动的电传动系冷却的适度的制冷功率需求的情况下，运行所述制冷剂循环回路中的冷却器(12)，并且将来自所述制冷剂循环回路的冷凝热量输出给所述制冷剂加热换热器(19)并且输出给所述车舱，并且经由所述环境换热器(5)输出给环境空气(33)，其中所述电池冷却器(25)与所述加热装置(23)在用于电池升温的独立的循环回路中连接。
14.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)的方法，
其特征在于，
在车舱加热和被动的电传动系升温以及主动的电池冷却的情况下，将来自所述制冷剂循环回路的废热输出给所述制冷剂加热换热器(19)，其中所述电池冷却剂循环回路与所述电池冷却器(25)和所述冷却器(12)连接，并且所述电传动系冷却剂循环回路被动地自升温地经由旁路(38)在所述循环回路中连接。
15.一种用于运行根据权利要求1至8中任一项所述的空气调节和电池冷却装置(1)的方法，
其特征在于，
在密集的车舱加热和被动的电传动系升温的情况下，将来自所述制冷剂循环回路的废热输出给所述制冷剂加热换热器(19)，其中所述电池冷却剂循环回路与所述冷却器(12)和所述加热装置(23)连接并且升温，其中在所述二位三通阀(24)下游不穿流所述电池冷却器(25)，并且所述电传动系冷却剂循环回路被动地自升温地经由旁路(38)在所述循环回路中连接。
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