CN115768639A - 电池供电机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置和操作热泵布置的方法 - Google Patents

电池供电机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置和操作热泵布置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热泵布置和操作热泵布置的方法。热泵布置具有制冷剂回路和冷却剂回路，其中，冷却剂回路被配置用于进行间接电池加热。

Description

电池供电机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置和操作热 泵布置的方法
技术领域
本发明涉及用于电池供电的机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置。
本发明还涉及在选定的操作模式下操作热泵布置的方法。
本发明的应用领域是通常使用高压电池(HV电池)作为用于向车辆的传动系供应能量的能量储存装置的电动车辆领域。
背景技术
车辆的有效热供应与电池和电传动系的最佳热管理结合发挥着重要作用。
电池供电的电动车辆生成相对较少的废热，并且因此在这样的车辆中通常需要有效地生成用于加热车舱的热量并使其以足够的量在适当的温度水平下可用。
在现有技术中，针对这一系列想法，已知针对电池供电的车辆专门定制的用于制冷系统的制冷剂回路和热泵回路。
然而，这些系统通常很复杂，并且很少能够将车辆乘员对经由车辆的空气调节系统进行足够热供应的需要和需求与在各种操作状态下最佳所需的电池和电动传动系的冷却或加热相结合。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供用于电池供电的车辆的热泵布置，该热泵布置将用于向空气调节系统供应用于机动车辆的乘客舱的热量的热泵的提高的效率与针对电池进行最佳热供应的可能性结合，这除了有效冷却之外，还包括在某些操作状态下所需的加热。
问题的解决方案
该目的通过具有根据独立权利要求的特征的热泵布置和方法来实现。其他发展在从属权利要求中进行阐述。
本发明的目的通过一种用于电池供电的机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置来实现，所述热泵布置借助于下述特征化的回路布置来实现。
该热泵布置具有制冷剂回路，所述制冷剂回路具有压缩机、加热冷凝器、3/2通式膨胀阀、外部热交换器、具有相关联的膨胀元件的至少一个蒸发器以及与该蒸发器并联布置的第二3/2通式膨胀阀、和电池制冷器(chiller)。在这种情况下，在加热冷凝器与3/2通式膨胀阀之间分支出具有膨胀元件和传动系制冷器的旁路。
此外，该热泵布置具有制冷剂回路，所述制冷剂回路具有冷却剂冷却器(cooler)和带有相关联的冷却剂泵的电池热交换器、以及与电池热交换器并联布置的带有相关联的冷却剂泵的至少一个传动系冷却器。在这种情况下，在冷却剂侧，具有电池热交换器、冷却剂泵、3/2通式阀和电池制冷器的电池温度控制环路与具有传动系冷却器、冷却剂泵、3/2通式阀和传动系制冷器的电驱动冷却环路以下述方式形成：使得电池温度控制环路和电驱动冷却环路能够作为单独的回路彼此独立地并且独立于冷却剂回路地操作。此外，该热泵布置具有由加热冷凝器、冷却剂泵、加热装置以及热能热交换器(thermal heat exchanger)形成的加热回路，并且该加热回路具有间接电池加热环路。该间接电池加热环路能够经由3/2通式阀连接至加热回路并且具有间接热交换器，该间接热交换器将来自电池加热环路的热传递到制冷剂回路或热载体回路中，所述热载体回路被称为二级旁路回路并且通过电池热交换器、冷却剂泵、3/2通式阀和该间接热交换器形成为冷却剂回路的一部分。间接热交换器将加热回路的电池加热环路与二级旁路回路耦接，使得加热冷凝器的热量可以从制冷剂回路经由加热回路和间接电池加热环路在间接热交换器中传递至二级旁路回路并最终传递至电池热交换器。可替选地或另外地，来自加热装置的热可以经由加热回路和间接电池加热环路在间接热交换器中传递至二级旁路回路并最终传递至电池热交换器。
特别有利地，3/2通式膨胀阀被形成为具有膨胀功能和旁路功能。
此外，有利地，在制冷剂回路中布置有加热冷凝器旁路作为压缩机的高压出口与3/2通式膨胀阀之间的连接。可以越过加热冷凝器经由加热冷凝器旁路将制冷剂从压缩机引导至外部热交换器。
制冷剂收集器优选地被布置在制冷剂回路中在压缩机的上游，其中，该位置信息与所述流体的流动方向有关。
电池电子器件冷却器有利地被布置在二级旁路回路中，以便除了电池本身之外还最佳地控制电池中的控制和调节部件的温度，并从而对这些控制和调节部件进行冷却或者在必要时进行加热。
外部热交换器和冷却剂冷却器优选地被组合在冷却器单元中，其中，外部热交换器被沿环境空气的流动方向布置在冷却剂冷却器的下游。
此外，有利地在制冷剂回路中与电池制冷器并联地布置有旁路。
本发明的目的还通过一种操作热泵布置以用于对车舱进行主动冷却的方法来实现，在该方法中，压缩机下游的制冷剂经由加热冷凝器旁路和3/2通式膨胀阀流向作为冷凝器操作的外部热交换器，并且随后在膨胀元件中膨胀并在蒸发器中被蒸发。电池热交换器使冷却剂流动经过电池热交换器，并且同时，电池温度控制环路和二级旁路回路并行操作。冷却剂回路进一步通过冷却剂冷却器和传动系冷却器来进行操作以用于对传动系进行被动冷却。
有利地，形成了一种操作热泵布置以用于对车辆电池进行主动冷却的方法，在该方法中，压缩机下游的制冷剂经由加热冷凝器旁路和第一3/2通式膨胀阀流向作为冷凝器操作的外部热交换器，并且随后在第二3/2通式膨胀阀中膨胀并在电池制冷器中被蒸发。具有电池制冷器、电池热交换器的电池温度控制环路与电池电子器件冷却器并联并且在二级旁路中连接。冷却剂回路通过冷却剂冷却器和传动系冷却器来进行操作以用于对传动系进行被动冷却。
制冷剂回路在蒸发器中提供冷量(cold)的操作被称为主动冷却。除了空气调节系统的蒸发器之外，电池制冷器和传动系制冷器也用作制冷剂回路中的蒸发器。
有利地，制冷剂回路通过冷却剂冷却器和电池热交换器以及与之并联的传动系冷却器来操作以用于对车辆电池进行被动冷却，其中，二级旁路回路通过电池电子器件冷却器来并行地操作。
优选地，冷却剂回路通过冷却剂冷却器和传动系冷却器来操作以用于对传动系进行被动冷却，其中，具有电池热交换器的电池温度控制环路和具有电池电子器件冷却器的二级旁路回路彼此并行地并且独立于冷却剂回路地进行操作。
根据用于车舱的再加热模式的方法的配置，在压缩机的下游，制冷剂经由加热冷凝器和3/2通式膨胀阀被路由至作为冷凝器或蒸发器操作的外部热交换器，并且随后在膨胀元件中膨胀并在蒸发器中蒸发。电池温度控制环路和二级旁路并行操作。具有传动系冷却器的电驱动冷却环路以及具有加热冷凝器的加热回路在该模式下也进行操作。
车辆空气调节系统的再加热模式被理解为意指这样的空气处理：其中，首先对空气进行冷却和除湿，并且然后将其加热至期望的温度。因此，在空气调节系统中需要进行冷却空气和加热空气热两者。
在用于车舱的再加热模式的方法中，加热装置也优选地在加热回路中操作。
在车舱的再加热模式下，加热冷凝器下游的制冷剂的部分流体优选地被路由经过旁路并且在膨胀元件中膨胀并在传动系制冷器中蒸发，以便吸收传动系部件的另外的废热。
同样地，为了对车舱进行再加热，优选地以使得外部热交换器中的制冷剂的温度与环境空气的温度对应的方式来设置外部热交换器中的中间压力水平。
为了利用传动系的废热对车舱进行加热，压缩机下游的制冷剂优选地被引导经过加热冷凝器和旁路，并且随后在膨胀元件中膨胀并在传动系制冷器中蒸发。电池热交换器使冷却剂流动经过电池热交换器，并且电池温度控制环路和二级旁路并行操作。具有传动系冷却器的电驱动冷却环路以及具有加热冷凝器和热能热交换器的加热回路以相同的方式操作。
为了利用环境热量对车舱进行加热，压缩机下游的制冷剂被经由加热冷凝器引导至3/2通式膨胀阀并且在外部热交换器中膨胀和蒸发。电池热交换器使冷却剂流动经过电池热交换器，并且同时，电池温度控制环路和二级旁路并行操作。具有传动系冷却器的电驱动冷却环路以及具有加热冷凝器和热能热交换器的加热回路以相同的方式操作。
为了对电池进行间接加热，利用加热装置将加热回路加热至期望的温度，并且经由3/2通式阀和间接电池加热环路将加热回路的热载体路由至间接热交换器。在这种情况下，加热冷凝器和热能热交换器不操作。二级旁路回路吸收间接热交换器中的热量并且将其释放到电池热交换器。电驱动冷却环路通过传动系冷却器单独操作。
为了利用传动系的废热对电池进行间接加热，压缩机下游的制冷剂流动经过加热冷凝器和旁路。然后制冷剂到达膨胀元件、膨胀并最终在传动系制冷器中被蒸发。电驱动冷却回路相应地操作，其中，废热在传动系制冷器中用于制冷剂的蒸发。加热回路和间接电池加热环路操作并经由间接热交换器将冷凝热量(heat of condensation)输送至电池热交换器。在该模式下，加热回路中的加热装置不操作。
为了利用环境热对电池进行间接加热，压缩机下游的制冷剂被经由加热冷凝器引导至3/2通式膨胀阀，并且同时，制冷剂在外部热交换器中膨胀和蒸发。然后，制冷剂经由旁路中的3/2通式膨胀阀流向电池制冷器，其中，加热装置不操作。加热回路和间接电池加热环路操作并且经由间接热交换器将冷凝热量从加热冷凝器输送至电池热交换器。
电池的间接加热被理解为意指来自各种源和冷却剂或热载体或制冷剂回路的用于对电池进行加热的热或废热被经由一个或更多个热交换器一次或更多次间接传递至电池。
在本发明的上下文中，热能热交换器被理解为意指机动车辆的空气调节系统内向空气调节系统的空气流释放热量以用于对车舱进行加热的热交换器。加热冷凝器作为热交换器将制冷剂回路和冷却剂回路热耦接。在制冷剂回路内，加热冷凝器实现冷凝器的功能，并且将冷凝的热量释放到冷却剂回路。根据其功能，冷却剂回路被称为加热回路。提供热交换器作为外部热交换器，其作为散热器在所述布置的热泵模式下从环境空气中吸收热量，或者在制冷系统模式下向环境空气释放热量。
电池制冷器是在一侧集成到制冷剂回路中并且在另一侧集成到冷却剂回路中的热交换器，其中，电池制冷器在冷却剂侧向电池热交换器供应冷量并在制冷剂侧释放热量。
制冷剂收集器也被称为蓄集器，并且还可以可选地被实施并作为压缩机上游的液体制冷剂的分离器来操作。
旁路被理解为意指绕过制冷剂回路的部件或者将部分制冷剂质量流平行地引导至相关部件的制冷剂管道。
车辆的冷却剂回路经由制冷器热耦接至制冷剂回路并且通常包含水-乙二醇混合物，该水-乙二醇混合物根据整个系统的操作状态起冷却剂或热载体的作用。
冷却剂冷却器是向环境空气释放热量的散热器。电池热交换器在冷却剂回路中从电池吸收废热并将其耗散，以便使电池能够最佳操作。传动系冷却器也从传动系的部件吸收热量以对传动系进行冷却。传动系的部件是例如产生电子废热的部件，以及电动马达驱动器本身。
热管理系统包括完全成熟的热泵系统，利用该热泵系统可以从环境空气获得热量并从电传动系部件获得废热。
在制冷剂侧，冷凝热量既可以通过水冷式加热冷凝器释放到A/C-冷却剂回路中，也可以通过外部热交换器释放到环境空气中。在加热冷凝器(其也被称为水冷式冷凝器)与外部热交换器之间使用具有膨胀功能的3/2通制冷剂阀使得能够利用旁路来绕过制冷剂侧的水冷式冷凝器，或者改变或扩大水冷式冷凝器与外部热交换器之间的压力水平。通过设置该所谓的中间压力水平，外部热交换器可以被用作冷凝器以用于将热量释放到环境中，或者被用作蒸发器以用于从环境空气中吸收热量。
电池温度控制环路和电驱动冷却环路用于吸收HV电池和电驱动部件的废热。这两个冷却剂回路可以合并或者彼此完全分开，这取决于热量是要被释放到环境空气中还是要被回收。
系统使用电池制冷器和传动系制冷器，电池制冷器可以对电池进行主动冷却，传动系制冷器用于从电气和电子驱动部件吸收废热，并将其作为蒸发热提供给制冷剂回路。在与组合使用环境空气以及电传动系部件的废热作为热源对应的组合热泵模式下，在外部热交换器与传动系制冷器之间的制冷剂质量流被划分为两个平行流。经过这两个部件的平行流致使制冷剂回路的吸入侧的压力损失减少。在纯水热泵操作中，在水冷式冷凝器的下游，制冷剂被引导绕过外部热交换器并直接到达传动系制冷器。以这种方式，来自电气和电子驱动部件的废热可以在可以远高于环境温度的较高温度水平下被吸收。这使得系统能够在更高的吸入压力下操作，这同时带来了更高的性能和效率。
通过在加热调风装置(heating register)的出口处使用3/2通式冷却剂阀，可以通过间接冷却剂-冷却剂热交换器来使冷却剂流转向。该热交换器用于将热量从加热回路的间接电池加热环路传递到二级旁路回路中，其中，在将热量传递到电池温度控制环路中的操作模式下，电池被加热。以这种方式，加热装置的HV-PTC可以被用来对电池进行加热。然而，在这种情况下，来自制冷剂回路的冷凝余热也可以经由加热回路被馈送到电池温度控制环路中以便在那里被用作电池制冷器中的蒸发热量或者被用作用于对电池进行加热的热源。间接热交换器被安装在到电池制冷器的旁路线路(即二级旁路回路)中，使得在主动式电池冷却中，该部件不经受在HV电池的电池热交换器与电池制冷器之间循环以对电池进行冷却的主要冷却剂体积流(main coolant volume flow)。以这种方式，间接热交换器不会在电池冷却模式下造成任何附加的压力损失。
特别有利地，利用该特定系统可以设置多达十五种不同的操作模式。在这种情况下，用于在25℃与50℃之间的环境温度下进行冷却的四种不同的操作模式被实现为车舱冷却、主动式电池冷却、被动式电池冷却和传动系冷却。
在0℃至25℃的环境温度下的除湿及再加热模式下，实现了针对车舱空气除湿和车舱再加热回路的五种操作模式。
作为在-18℃与0℃之间的温度下进行加热的第三主要操作模式，实现了可以被细分为车舱加热和电池加热的组的六种操作模式。
附图说明
本发明的配置的其他细节、特征和优点从以下参照相关联的附图对示例性实施方式的描述中显现。
图1：示出了制冷系统和热泵回路，
图2：示出了车舱冷却，
图3：示出了主动式电池冷却，
图4：示出了被动式电池冷却，
图5：示出了传动系冷却，
图6：示出了车舱除湿，
图7：示出了车舱再加热，
图8：示出了利用传动系废热进行车舱再加热，
图9：示出了利用加热装置或制冷系统废热进行车舱再加热，
图10：示出了利用加热装置进行车舱加热，
图11：示出了利用传动系废热进行车舱加热，
图12：示出了车舱加热，
图13：示出了利用加热装置进行电池加热，
图14：示出了利用传动系废热进行电池加热，
图15：示出了利用环境热进行电池加热，以及
图16：示出了具有增加的冷却能力的制冷系统回路。
具体实施方式
图1以示意图示出了用于电池供电的机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置的制冷系统和热泵回路。该系统基本上包括经由各种间接热交换器热耦接至冷却剂回路的制冷剂回路。
在制冷剂回路的基本形式中，制冷剂回路包括压缩机1和加热冷凝器2，加热冷凝器2也被称为水冷式冷凝器2。在加热冷凝器2的下游，在制冷剂侧布置3/2通式膨胀阀3以及外部热交换器4。此外，在外部热交换器4的下游，蒸发器5以及电池制冷器9并联布置在制冷剂回路中，在蒸发器5和电池制冷器9之后，制冷剂经由蓄集器10被馈送回压缩机1。在根据图1的图示中，两个蒸发器5并联连接，这两个蒸发器5被配置作为例如用于车辆的空气调节系统的前部区域的蒸发器5和用于车辆的空气调节系统的后部区域的蒸发器5。相关联的膨胀元件6被分配给蒸发器5中的每一个，其中，3/2通式膨胀阀8被分配给电池制冷器9。3/2通式膨胀阀8具有到旁路13的出口，旁路13被连接成绕过电池制冷器9并将制冷剂直接路由至制冷剂收集器10。
制冷剂回路还具有加热冷凝器旁路36，加热冷凝器旁路36在压缩机1的紧下游并联地绕过水冷式冷凝器2，并在3/2通式膨胀阀3中重新集成到制冷剂回路中。
此外，制冷剂回路具有旁路12，旁路12在加热冷凝器2的下游形成支路并经由膨胀元件14将制冷剂引导至相关联的传动系制冷器15，之后经由制冷剂收集器10(其也被称为蓄集器)将制冷剂馈送至压缩机1。
制冷剂回路热耦接至A/C冷却剂回路以及电池冷却剂回路和电传动系回路(e-drive train circuit)。A/C冷却剂回路包括加热回路34，加热回路34在冷却剂侧从加热冷凝器2经由冷却剂泵27和加热装置24路由至热能热交换器7。此外，加热回路34包含间接电池加热环路32，间接电池加热环路32在热能热交换器7的下游经由3/2通式阀31路由至间接热交换器11，并且被构造为加热回路的环路。电池冷却环路和电传动系冷却环路是冷却剂回路17的一部分，冷却剂回路17最初包括冷却剂冷却器18，在冷却剂冷却器18中，环境空气29吸收或者释放热。
冷却剂冷却器18与外部热交换器4一起容纳在机动车辆的冷却器单元30中。冷却剂回路17使电池热交换器19的冷却以及与传动系冷却器16的冷却并联地分支。电池温度控制环路22包含电池热交换器19，并且具有两个3/2通式阀25以及电池制冷器9。该冷却剂环路由冷却剂泵20驱动。
此外，在电池冷却环路中设置有二级旁路回路35，该二级旁路回路经由3/2通式阀25断开耦接并经由间接热交换器11和电池电子器件冷却器(battery electronicscooler)33以及电池热交换器19进行引导。
间接热交换器11将间接电池加热环路32与二级旁路回路35热耦接。通过间接热交换器11，加热回路34的热量从加热冷凝器2经由间接电池加热环路32传递至二级旁路回路35，该二级旁路回路最终将热量释放给电池热交换器19。
在冷却剂侧，传动系冷却器16被集成到可以经由传动系制冷器15主动冷却的电驱动冷却环路23中。根据图1，针对前部区域和后部区域设置两个传动系冷却器16，其中，冷却剂泵21输送冷却剂。电驱动冷却环路23经由3/2通式阀26在冷却剂泵21的下游从冷却剂回路17分支。
利用图1所示的制冷系统和热泵回路，可以操作现代电池电动车辆的各种热管理方法。在下面的图2至图16中，示出并说明了进行冷却或加热供应的方法的不同变型。
图2中示出了车舱冷却的模式。为了进行车舱冷却，操作压缩机1并压缩制冷剂，然后该制冷剂经由加热冷凝器旁路36和3/2通式膨胀阀3到达外部热交换器4、在外部热交换器4处凝结从而释放热、并且然后在膨胀元件6中膨胀并利用从车舱空气中吸收的热在相关联的蒸发器5中蒸发。在通过止回阀28到达制冷剂收集器10并到达压缩机1之后，该回路闭合。
作为示例，图2示出了并行连接的两个蒸发器5，其中一个蒸发器5是现代多区空气调节系统的前蒸发器，并且另一蒸发器5是现代多区空气调节系统的后蒸发器。在冷却剂已经在传动系冷却器16中吸收了热量之后，冷却剂回路17经由冷却剂泵21路由至冷却剂冷却器18，冷却剂冷却器18作为散热器向环境空气29释放热量。然后，经冷却的冷却剂到达传动系冷却器16；该回路闭合。独立于冷却剂回路17，电池冷却环路22通过电池热交换器19和冷却剂泵20以及并联的间接热交换器11和电池电子器件冷却器33来实现。冷却剂并行地流动经过不在制冷剂侧操作的电池制冷器9以及通过间接热交换器11的分支流动经过电池热交换器19。电池冷却环路22与二级旁路回路35并联耦接，并且电池冷却环路22与二级旁路回路35可以独立于冷却剂回路17操作。
总之，在该模式下，由针对车辆的空气调节系统的前部区域和后部区域并联布置的两个蒸发器5对流入舱室的空气进行冷却。
在这种情况下，制冷剂被引导绕过水冷式冷凝器2。在水冷式冷凝器2与外部热交换器4之间的3/2通式膨胀阀3的连接1至3被完全地打开，使得制冷剂从压缩机1流入外部热交换器4而没有任何明显的压力损失。在外部热交换器4中，制冷剂的冷凝热量被释放到环境空气29中。制冷剂膨胀到并联布置的蒸发器5中，以便对流入舱室的空气进行冷却。
图3示出了主动式电池冷却。与图2相比，没有流体经过蒸发器5，而是替代地，向带有相关联的3/2通式膨胀阀8的电池制冷器9供应液体制冷剂以供蒸发。然后，制冷剂蒸汽经由制冷剂收集器10被路由至压缩机1。电池制冷器9中提供的冷量(cold)经由电池冷却环路22被输送至电池热交换器19，并且从而该电池热交换器被冷却。并行地，还向电池电子器件冷却器33供应冷量。传动系冷却器16在冷却剂回路17中工作，冷却剂泵21输送冷却剂以经由冷却剂冷却器18进行间接冷却，其中，环境空气29吸收传动系部件的热量。
总之，在该模式下，HV电池通过向制冷剂释放热量被主动地冷却。在这种情况下，制冷剂在加热冷凝器旁路36中被引导绕过水冷式冷凝器2。在水冷式冷凝器2与外部热交换器4之间的3/2通式膨胀阀3的连接1至3被完全地打开，使得制冷剂从压缩机1流入外部热交换器4而没有任何明显的压力损失。在外部热交换器4中，制冷剂的冷凝热量被释放到环境空气29中。制冷剂膨胀进入电池制冷器9以便对流动经过该制冷器的冷却剂进行冷却。
二级旁路回路35中集成在HV电池周围的电池电子器件也被从电池热交换器19离开的冷却剂冷却。经过二级旁路回路35的流体由电池热交换器19下游的第一3/2通式阀25调节，使得主要体积流量(main volumeflow)流过电池制冷器9，而辅助体积流量(auxiliary volume flow)流过电池电子器件冷却器33。
图4示出了被动式电池冷却。在这种情况下，冷却剂回路17通过冷却剂冷却器18来操作，并且冷却剂被并行地路由经过电池热交换器19和电池电子器件冷却器33以及经过传动系冷却器16。根据图4，这些并行分支由冷却剂泵20和冷却剂泵21操作。
在该模式下，HV电池通过向环境空气29释放热量而被动地冷却。在这种情况下，HV电池的废热连同电传动系的废热一起经由冷却剂冷却器18释放到环境空气29中，冷却剂冷却器18根据其温度水平而被分类为低温冷却器。
二级旁路回路35中集成在HV电池周围的电池电子器件被从电池热交换器19离开的冷却剂冷却。经过二级旁路回路35的流体由电池热交换器19下游的第一3/2通式阀25调节，使得主要体积流量流过电池热交换器19，而辅助体积流量流过电池电子器件冷却器33。
图5示出了传动系冷却，其中，与图4相比，经由电池冷却环路22和二级旁路回路35独立于冷却剂回路17操作电池热交换器19。仅传动系冷却器16被集成在冷却剂回路17中，并且通过环境空气29在冷却剂冷却器18中释放热量而被被动冷却。
总之，在该模式下，通过使冷却剂在电气和电子驱动部件与冷却剂冷却器18之间循环来对电传动系进行冷却。以这种方式，废热被冷却剂吸收并被释放到环境空气29中。
图6示出了车舱除湿。为了进行车舱除湿，操作制冷剂回路以对车舱空气进行除湿。为此，压缩机1压缩制冷剂，然后制冷剂被经由加热冷凝器旁路36和3/2通式膨胀阀3路由至外部热交换器4，在外部热交换器4处制冷剂将热量释放到环境空气29中。经冷凝的制冷剂最终在蒸发器5的膨胀元件6中膨胀并且然后在蒸发器5中被蒸发。车舱空气中的湿气在蒸发器上冷凝并从而被从空气中去除。制冷剂气体经由制冷剂收集器10再次到达蒸发器1。如图5所描述的，冷却剂回路17以及电池冷却环路22和二级旁路回路35在该模式下起作用。
图7示出了车舱的再加热模式。在再加热模式下，向车舱提供热量和冷量两者，并且首先对车舱的空气进行除湿，然后将其加热至期望的温度。为此，压缩机1中的制冷剂被引导到加热冷凝器2上方，在加热冷凝器2处制冷剂向加热回路34释放热量，加热回路34引导冷却剂(其在该模式下充当热载体)经过热能热交换器7，在热能热交换器7处热量被释放到车舱的空气中。在加热冷凝器2的下游，制冷剂到达外部热交换器4，并且在膨胀元件6中膨胀之后，制冷剂到达蒸发器5，在蒸发器5中用于对空气进行除湿的热量被吸收。针对电池热交换器19操作电池冷却环路22和二级旁路回路35，并且电驱动冷却环路23通过传动系冷却器16与其独立操作。
总之，在该模式下，流入车舱的空气首先被除湿，然后被加热至期望的温度。空气在流动经过蒸发器5时被除湿。在蒸发器5的下游，空气在流动经过热能热交换器7时被加热。
在这种情况下，在高压力侧制冷剂流动经过水冷式冷凝器2。对加热冷凝器2与外部热交换器5之间的3/2通式膨胀阀3的连接2至3进行调节，以便将在再加热的情况下所需的热量设置到冷却剂回路中或者将制冷剂的过多的冷凝热量释放到环境空气29中。例如，这可以通过设置外部热交换器4中的压力水平来实现。取决于环境温度和所需的相应加热或冷却能力，外部热交换器4可以作为冷凝器操作以用于将冷凝热量释放到环境中，或者作为蒸发器操作以用于从环境空气29中吸收蒸发热量。
在图8中，在扩展模式下操作车舱的再加热操作，根据该扩展模式，通过下述方式来扩展制冷系统回路：经由旁路12，利用相关联的膨胀元件14使部分流体到达传动系制冷器15。以这种方式，传动系制冷器15被主动冷却，并且电驱动冷却环路23的冷却剂对传动系冷却器16进行冷却。
除了以上在图7中描述的操作模式之外，还可以使膨胀元件14在传动系制冷器15的入口处打开，以在没有蒸发热量的情况下另外吸收电驱动部件的废热。在这种情况下，在水冷式冷凝器2中释放热量之后，制冷剂流在外部热交换器4与传动系制冷器15之间并行分流。
图9示出了根据图7的再加热回路，其中，冷却剂加热器(coolant heating)被另外用作加热回路34中的加热装置24，以便附加地将冷却剂加热至期望的目标温度。
在该模式下，流入舱室的空气首先被除湿，然后被加热至期望的温度。空气在流动经过蒸发器5时被除湿。在蒸发器5的下游，空气在流动经过热能热交换器7被加热。
在这种情况下，在高压侧制冷剂经由水冷式冷凝器2流动。对加热冷凝器2与外部热交换器4之间的3/2通式膨胀阀3的连接2至3进行调节。在这种情况下，将外部热交换器4中的中间压力水平设置成使得外部热交换器4中的制冷剂的温度与环境温度对应。由于缺乏温度差，因此在制冷剂与环境空气29之间不存在热传递。以这种方式，既不向环境空气29释放热量，也不从环境空气29带走热量。
图10示出了用于车舱加热的回路。在这种情况下，车舱被以纯电方式加热。
在该模式下，因为流经热能热交换器7的冷却剂由加热装置24直接加热，所以流入舱室的空气经由热能热交换器7被加热。以这种方式，加热舱室所需的加热能力由加热装置24以纯电方式提供。
借助于加热装置24，加热回路34通过冷却剂泵27和热能热交换器7来操作以用于对车舱空气进行加热。电池热交换器19和传动系冷却器16在其冷却剂环路中彼此独立地并行操作，而无需外部热交换器4起作用。
图11示出了利用传动系部件的废热进行车舱加热的方法。在这种情况下，压缩机1和加热冷凝器2经由旁路12连接至膨胀元件14、连接至传动系制冷器15并且连接至制冷剂收集器10。在加热冷凝器2中冷凝热量被释放到加热回路34中，并且加热回路34在热能热交换器7中将冷凝热量释放到车舱空气中。如在根据图11、图10、图9和图7的模式下那样，电池热交换器19和传动系冷却器16并行且彼此独立地操作。
总之，在该模式下，因为制冷剂的冷凝热量被释放到流经热能热交换器7的冷却剂中，所以流入舱室的空气经由热能热交换器7被加热。
在水冷式冷凝器2中将热量释放之后，制冷剂经由传动系制冷器15流回压缩机1。以这种方式，电传动系的废热被用作热泵系统的热源。从而，使用水-热泵功能(water-heatpump functionality)。
图12示出了在没有利用制冷剂回路进行主动式电池冷却的情况下的车舱加热。制冷剂在压缩机1中被压缩，在加热冷凝器2中被至少部分地冷凝，并且然后经由3/2通式膨胀阀3被路由至外部热交换器4。在加热冷凝器2的下游，制冷剂在3/2通式膨胀阀3中膨胀，并且在外部热交换器4中从环境空气29中吸收热量，并且然后经由旁路13通过处于旁路位置的3/2通式膨胀阀8到达制冷剂收集器10并最终到达压缩机1。此处，同样地，电池热交换器19和传动系冷却器16单独进行再循环。
总之，在该模式下，因为制冷剂的冷凝热量被释放到流经热能热交换器7的冷却剂中，所以流入舱室的空气经由热能热交换器7被加热。
在水冷式冷凝器2中将热量释放之后，制冷剂继续流经3/2通式膨胀阀3。在水冷式冷凝器2与外部热交换器4之间的3/2通式膨胀阀3的连接2至3被调节成使得：在外部热交换器4中，能够从环境空气29中吸收热泵操作所需的制冷剂的蒸发量(evaporationcapacity)。制冷剂继续向电池制冷器9流动以经由旁路13返回压缩机1。从而，使用空气热泵功能。
在组合式热泵操作中，同时执行根据图11和图12的模式。
图13示出了借助于加热装置24来进行电池加热。加热回路34内的加热装置24对冷却剂进行加热，在这种情况下冷却剂用作热载体，并且该热载体通过3/2通式阀31经由间接电池加热环路32到达间接热交换器11，在间接热交换器11处热量被释放到二级旁路回路35中并最终被释放到电池热交换器19中。二级旁路回路35经由冷却剂泵20和第一3/2通式阀25再循环到间接热交换器11和电池电子器件冷却器33并通过电池热交换器19进行冷却。
在该操作模式下，电驱动冷却环路23与其独立操作。
总之，在该模式下，在热能热交换器7的出口处的3/2通式阀31被连接成使得冷却剂能够流经间接热交换器11。根据其功能，间接热交换器11是将热量从间接电池加热环路32传递至二级旁路回路35的冷却剂-冷却剂热交换器。在此之前，通过加热装置24将流经间接热交换器11的冷却剂加热至期望的温度。
在间接热交换器11中，加热电池所需的热量从A/C冷却剂回路传递至电池冷却剂回路。在电池冷却剂回路中，冷却剂经由较小的二级旁路回路35仅流过集成的电子器件和电池热交换器19。
在图14中，电池加热再次经由加热回路34和间接电池加热环路32进行连接，其中，制冷剂回路代替加热装置24操作，并且冷凝热量经由加热冷凝器2馈送到加热回路34中。制冷剂在压缩机1中被压缩，在加热冷凝器2中被冷凝并且被经由旁路12路由至传动系制冷器15的膨胀元件14。如上所述，传动系制冷器15吸收传动系冷却器16的废热，并且使该废热经由制冷剂收集器10和压缩机1并且然后经由加热冷凝器2而可被电池热交换器19利用。
总之，在该模式下，在热能热交换器7的出口处的3/2通式阀31被连接成使得冷却剂能够流动经过间接冷却剂-冷却剂热交换器11。在此之前，通过制冷剂的冷凝热量将流动经过间接冷却剂-冷却剂热交换器11的冷却剂加热至期望的温度。
在水冷式冷凝器2中将热量释放之后，制冷剂经由传动系制冷器15流回压缩机1。以这种方式，电驱动系的废热被用作热泵系统的热源。从而，使用水-热泵功能。
最后，图15示出了通过另外使用环境空气29的环境热量来进行电池加热。制冷剂在压缩机1中被压缩，在加热冷凝器2中被冷凝，并且然后在3/2通式膨胀阀3中膨胀。在外部热交换器4中，制冷剂利用蒸发来吸收环境空气29的热量。蒸发的制冷剂经由3/2通式膨胀阀8和其旁路出口经由旁路13到达制冷剂收集器10和压缩机1。经由间接热交换器11向具有电池热交换器19的二级旁路回路35供应热量。所述热量经由加热冷凝器2被馈送到加热回路34中并经由间接电池加热环路32到达间接热交换器11。传动系冷却器16独立于间接电池加热环路32在电驱动冷却环路23中进行再循环。
总之，在该模式下，在热能热交换器7出口处的3/2通式阀被连接成使得冷却剂能够流动经过间接冷却剂-冷却剂热交换器11。在此之前，通过制冷剂的冷凝热量将流动经过间接冷却剂-冷却剂热交换器11的冷却剂加热至期望的温度。
在水冷式冷凝器2中将热量释放之后，制冷剂继续流动经过3/2通式膨胀阀3。在水冷式冷凝器2与外部热交换器4之间的3/2通式膨胀阀3的连接2至3被调节成使得：在外部热交换器4中，热泵操作所需的制冷剂的蒸发量能够从环境空气中吸收。制冷剂继续向电池制冷器9流动以经由旁路13返回压缩机1。因此，使用了空气热泵功能。
根据图16的制冷系统回路是根据图1的制冷系统和热泵回路的简化版本，该简化版本主要被设计用于在高环境温度下提供较高冷却能力。代替根据图1的回路中的外部热交换器，设置具有主动过冷却区段(activesub-cooling section)的A/C冷凝器37和收集器。A/C冷凝器37被设计作为用于将冷凝热量释放到环境空气29中并且在相同的边界条件下实现比外部热交换器高的输出的热交换器。同时，在A/C冷凝器37的情况下，不再存在空气热泵的从环境空气中吸收热量的功能。因此在加热操作中，制冷系统回路仅能依靠来自冷却剂回路17的电气和电子传动部件的废热作为制冷剂的蒸发热量。由于缺失空气热泵功能，因此也不再需要制冷剂绕过电池制冷器。
由于功能减少，因此制冷系统回路不那么复杂，并且与根据图1的制冷系统和热泵回路相比还需要较少的部件。
工业适用性
本发明涉及用于电池供电的机动车辆的具有间接电池加热的热泵布置。
本发明还涉及在选定的操作模式下操作热泵布置的方法。
本发明的应用领域是通常使用高压电池(HV电池)作为用于向车辆的传动系供应能量的能量储存装置的电动车辆领域。

Claims (20)

1.一种用于电池供电的车辆的具有间接电池加热的热泵布置，
-具有制冷剂回路，所述制冷剂回路具有压缩机(1)、加热冷凝器(2)、3/2通式膨胀阀(3)、外部热交换器(4)、具有相关联的膨胀元件(6)的至少一个蒸发器(5)以及与所述蒸发器(5)并联布置的3/2通式膨胀阀(8)、和电池制冷器(9)，其中，
-在所述加热冷凝器(2)与所述3/2通式膨胀阀(3)之间布置有具有膨胀元件(14)和传动系制冷器(15)的旁路(12)，并且
-具有冷却剂回路(17)，所述冷却剂回路(17)具有冷却剂冷却器(18)和带有相关联的冷却剂泵(20)的电池热交换器(19)、以及与所述电池热交换器(19)并联布置的带有相关联的冷却剂泵(21)的至少一个传动系冷却器(16)，其中，
-在冷却剂侧的具有所述电池热交换器(19)、所述冷却剂泵(20)、3/2通式阀(25)和所述电池制冷器(9)的电池温度控制环路(22)与
-在冷却剂侧的具有所述传动系冷却器(16)、所述冷却剂泵(21)、3/2通式阀(26)和所述传动系制冷器(15)的电驱动冷却环路(23)以下述方式形成：
-使得所述电池温度控制环路(22)和所述电驱动冷却环路(23)能够作为单独的回路彼此独立地并且独立于所述冷却剂回路(17)地进行操作，并且
-具有加热回路(34)，所述加热回路(34)具有所述加热冷凝器(2)、冷却剂泵(27)、加热装置(24)、热能热交换器(7)以及具有间接热交换器(11)的间接电池加热环路(32)，所述间接电池加热环路(32)能够经由3/2通式阀(31)进行连接，并且
-具有作为所述冷却剂回路(17)的一部分的二级旁路回路(35)，所述二级旁路回路(35)具有所述电池热交换器(19)、所述冷却剂泵(20)、所述3/2通式阀(25)和所述间接热交换器(11)。
2.根据权利要求1所述的热泵布置，其特征在于，所述3/2通式膨胀阀(3、8)被形成为具有膨胀功能和旁路功能。
3.根据权利要求1或2所述的热泵布置，其特征在于，在所述制冷剂回路中布置有加热冷凝器旁路(36)作为所述压缩机(1)的高压出口与所述3/2通式膨胀阀(3)之间的连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵布置，其特征在于，在所述制冷剂回路中在所述压缩机(1)的上游布置有制冷剂收集器(10)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵布置，其特征在于，在所述二级旁路回路(35)中布置有电池电子器件冷却器(33)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热泵布置，其特征在于，所述外部热交换器(4)和所述冷却剂冷却器(18)一起形成在冷却器单元(30)中，其中，所述外部热交换器(4)被沿环境空气(29)的流动方向布置在所述冷却剂冷却器(18)的下游。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的热泵布置，其特征在于，在所述制冷剂回路中与所述电池制冷器(9)并联地布置有旁路(13)。
8.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以用于对车舱进行主动冷却的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器旁路(36)和所述3/2通式膨胀阀(3)流向作为冷凝器操作的所述外部热交换器(4)，并且随后在所述膨胀元件(6)中膨胀并在所述蒸发器(5)中被蒸发，其中，所述电池热交换器(19)使冷却剂流动经过所述电池热交换器(19)，并且同时，所述电池温度控制环路(22)和所述二级旁路回路(35)并行操作，并且所述冷却剂回路(17)通过所述冷却剂冷却器(18)和所述传动系冷却器(16)来操作以用于对传动系进行被动冷却。
9.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以用于对车辆电池进行主动冷却的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器旁路(36)和所述3/2通式膨胀阀(3)流向作为冷凝器操作的所述外部热交换器(4)，并且随后在所述3/2通式膨胀阀(8)中膨胀并在所述电池制冷器(9)中被蒸发，其中，所述电池温度控制环路(22)连接至所述电池制冷器(9)、所述电池热交换器(19)并且并行连接至所述二级旁路回路(35)中的所述电池电子器件冷却器(33)，并且所述冷却剂回路(17)通过所述冷却剂冷却器(18)和所述传动系冷却器(16)来操作以用于对传动系进行被动冷却。
10.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以用于对车辆电池进行被动冷却的方法，其特征在于，所述冷却剂回路(17)通过所述冷却剂冷却器(18)和所述电池热交换器(19)以及并联的所述传动系冷却器(16)来操作以用于进行被动冷却，其中，具有所述电池电子器件冷却器(33)的所述二级旁路回路(35)并行地进行操作。
11.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以用于对传动系进行被动冷却的方法，其特征在于，对具有所述冷却剂冷却器(18)和所述传动系冷却器(16)的所述冷却剂回路(17)进行操作以进行被动冷却，其中，具有所述电池热交换器(19)的所述电池温度控制环路(22)和具有所述电池电子器件冷却器(33)的所述二级旁路回路(35)彼此并行地并独立于所述冷却剂回路(17)地进行操作。
12.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以用于对车舱进行再加热的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器(2)和所述3/2通式膨胀阀(3)流向作为冷凝器或作为蒸发器操作的所述外部热交换器(4)，并且随后在所述膨胀元件(6)中膨胀并在所述蒸发器(5)中被蒸发，其中，所述电池热交换器(19)使冷却剂流经动经过所述电池热交换器(19)，并且同时，所述电池温度控制环路(22)和所述二级旁路回路(35)并行操作，并且所述电驱动冷却环路(23)通过所述传动系冷却器(16)来进行操作，并且所述加热回路(34)通过所述加热冷凝器(2)和所述热能热交换器(7)来进行操作。
13.根据权利要求12所述的操作热泵布置以用于对车舱进行再加热的方法，其特征在于，加热装置(24)也在所述加热回路(34)中进行操作。
14.根据权利要求12或13所述的操作热泵布置以用于对车舱进行再加热的方法，其特征在于，所述加热冷凝器(2)下游的制冷剂的部分流体经由所述旁路(12)流动并且在所述膨胀元件(14)中膨胀并在所述传动系制冷器(15)中被蒸发，以便附加地吸收所述传动系部件的废热。
15.根据权利要求12或13所述的操作热泵布置以用于对车舱进行再加热的方法，其特征在于，以使所述外部热交换器(4)中的制冷剂的温度与所述环境空气(29)的温度对应的方式来设置所述外部热交换器(4)中的中间压力水平。
16.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以利用传动系的废热对车舱进行加热的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器(2)和所述旁路(12)流动，并且随后在所述膨胀元件(14)中膨胀并在所述传动系制冷器(15)中被蒸发，其中，所述电池热交换器(19)使冷却剂流动经过所述电池热交换器(19)，并且同时，所述电池温度控制环路(22)和所述二级旁路回路(35)并行操作，并且所述电驱动冷却环路(23)通过所述传动系冷却器(16)来进行操作，以及所述加热回路(34)通过所述加热冷凝器(2)和所述热能热交换器(7)来进行操作。
17.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以利用环境热对车舱进行加热的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器(2)流向所述3/2通式膨胀阀(3)并且在所述外部热交换器(4)中膨胀并被蒸发，其中，所述电池热交换器(19)使冷却剂流动经过所述电池热交换器(19)，并且同时，所述电池温度控制环路(22)和所述二级旁路回路(35)并行操作，并且所述电驱动冷却环路(23)通过所述传动系冷却器(16)来进行操作，以及所述加热回路(34)通过所述加热冷凝器(2)和所述热能热交换器(7)来进行操作。
18.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的热泵布置以用于对电池进行间接加热的方法，其特征在于，所述加热回路(34)通过所述加热装置(24)被加热至期望的温度并且经由所述3/2通式阀(31)连接至所述间接热交换器(11)，其中，所述加热冷凝器(2)和所述热能热交换器(7)不操作，并且所述二级旁路回路(35)连接至所述电池热交换器(19)和所述间接热交换器(11)，并且所述电驱动冷却环路(23)通过所述传动系冷却器(16)来进行操作。
19.根据权利要求18所述的操作热泵布置以利用传动系的废热对电池进行间接加热的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器(2)和所述旁路(12)流动，并且随后在所述膨胀元件(14)中膨胀并在所述传动系制冷器(15)中被蒸发，其中，所述加热装置(24)不被操作。
20.根据权利要求18所述的操作热泵布置以利用环境热对电池进行间接加热的方法，其特征在于，所述压缩机(1)下游的制冷剂经由所述加热冷凝器(2)流向所述3/2通式膨胀阀(3)，并且在所述外部热交换器(4)中膨胀并被蒸发，并且随后经由所述3/2通式膨胀阀(8)流向所述压缩机(1)，其中，所述加热装置(24)不被操作。
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