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Die Erfindung betrifft ein Temperierungssystem eines Kraftfahrzeuges mit einem einen Elektromotor aufweisenden Antrieb, mit einer der Luftkonditionierung eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges dienenden Klimaanlage, deren Kältekreis mit einem Kühlkreis, in den mindestens eine temperaturerhöhende Einrichtung des Fahrzeuges eingebunden ist, koppelbar ist.
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Aus der
EP 1 264 715 A1 ist ein Fahrzeug-Kühlsystem für eine temperaturerhöhende Einrichtung, insbesondere eine Fahrbatterie oder Brennstoffzelle, vorzugsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bekannt, wobei die temperaturerhöhende Einrichtung unter Einbeziehung eines Kühlmittels einer der Luftkonditionierung der Fahrgastzelle des Fahrzeuges dienenden Klimaanlage gekühlt wird.
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Zweck dieses bekannten Fahrzeug-Kühlsystems ist es somit, zur Kühlung der Fahrbatterie oder Brennstoffzelle das Kühlmittel der Klimaanlage mit zu verwenden, um dadurch deutlich höhere Wärmelasten von der Fahrbatterie bzw. Brennstoffzelle abführen zu können als mit einer reinen Luftkühlung der Fahrbatterie oder Brennstoffzelle.
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Des Weiteren ist aus der
EP 1 526 974 B1 eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf mit mehreren Wärmeübertragern bekannt, wovon ein Wärmeübertrager zugleich Teil eines Kühlmittelkreislaufes ist. Bei Bedarf ist eine Kältemittelrückführung aus im Heizbetrieb stillgelegten Teilen des Kältemittelkreislaufes in einen im Heizbetrieb aktiven Teil des Kältemittelkreislaufes vorgesehen, wobei der Wärmeübertrager für den Kältemittelrückführungsbetrieb vom Fluss des Kühlmittelkreislaufes trennbar ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 199 30 148 A1 eine Temperatursteuerung in Elektrofahrzeugen offenbart, bei der ein Kältemittelkreis einen Primärkreis mit einem inneren Wärmetauscher, der zum Wärmetausch mit einem ersten, in den Innenraum gerichteten Luftfluss vorgesehen ist, und einem externen Wärmetauscher zum Wärmetausch mit einem zweiten Luftfluss umfasst. Des Weiteren ist ein Sekundärkreis mit einem Kompressor und eine Umschalteinrichtung bezüglich der Zirkulationsrichtung des Kältefluids bzw. Kältemittels in den Primärkreis vorgesehen, sodass das System im Heizmodus oder im Kühlmodus für den Innenraum betrieben werden kann. Ein Wasserkühlkreis ermöglicht es dabei, die Batterien zu kühlen. Dieser Kreis umfasst eine Abzweigung, die einen Wärmetauscher vom Typ Flüssigkeit/Luft in dem Pfad des ersten Luftflusses enthält, sowie einen Wärmetauscher vom Typ Flüssigkeit/Kältemittel bzw. Kältefluid in dem Sekundärkreis. Das Kühlwasser bzw. die Kühlflüssigkeit tritt im Heizmodus durch diese Abzweigung.
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Nachteilig ist bei diesen bekannten Lösungen eine unzureichende Nutzung von Abwärme temperaturerhöhender Einrichtungen des Fahrzeugs mit der Folge eines erhöhten Energiebedarfs, welcher sich bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug in einer Verringerung der Leistung und/oder der Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Temperierungssystem eines Kraftfahrzeuges mit einem einen Elektromotor aufweisenden Antrieb zu schaffen, bei dem durch eine effiziente Nutzung von Abwärme temperaturerhöhender Einrichtungen der Gesamtenergiebedarf des Fahrzeugs reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird mit einem Temperierungssystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Elektromotor nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen eines Temperierungssystems eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges nach der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung sieht somit ein Temperierungssystem eines Kraftfahrzeuges mit einem wenigstens einen Elektromotor aufweisenden Antrieb vor, mit einer der Luftkonditionierung eines Innenraums des Kraftfahrzeuges dienenden Klimaanlage, bei der ein Kältemittel in einem Kältekreis geführt wird, welcher mindestens einen inneren Wärmetauscher umfasst, mittels dem der Kältekreis thermisch mit einem Kühlkreis, in dem ein Kühlmittel geführt wird und in den mindestens eine temperaturerhöhende Einrichtung des Fahrzeugs eingebunden ist, koppelbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Elektromotor und/oder Leistungselektronikkomponenten des Antriebs eine temperaturerhöhende Einrichtung des Kühlkreises sind.
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Durch die thermische Kopplung des Kältekreises der Klimaanlage mit dem Kühlkreis des Elektromotors, wobei der Begriff eine als Generator und Motor betreibbare elektrische Maschine umfasst, und/oder von Leistungselektronikkomponenten des Antriebs kann die Abwärme des Elektromotors und von Leistungselektronikkomponenten des Antriebs zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes in einem Heizbetrieb der Klimaanlage genutzt werden, womit ein energieeffizientes Kühl- und Klimatisierungssystem bereitgestellt wird, welches den Bedarf an elektrischen Zuheizern, deren hoher Energiebedarf zu Lasten der Ladekapazität einer Fahrbatterie geht, verringert und somit eine erhöhte Reichweite des elektrobetriebenen Fahrzeugs ermöglicht.
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Es ist hierfür zweckmäßig, wenn der innere Wärmetauscher in einem Heizbetrieb der Klimaanlage aktivierbar ist, wobei er den Kältekreis mit dem Kühlkreis thermisch koppelt, und in einem Kühlbetrieb der Klimaanlage deaktivierbar ist.
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Der das Kältemittel der Klimaanlage, vorzugsweise das Kältemittel R134a führende Kältekreis umfasst gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mindestens einen Kompressor, mindestens einen Kondensator, mindestens ein Expansionsventil und mindestens einen, der Luftkonditionierung dienenden Verdampfer.
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Im Kühlbetrieb der Klimaanlage kann das Kältemittel in Strömungsrichtung gesehen konventionell durch den Kompressor, den Kondensator, einen Sammler, ein erstes Expansionsventil und den Verdampfer geführt werden.
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Im Heizbetrieb der Klimaanlage kann diese in einem klassischen Wärmepumpenprozess betrieben werden, wobei das Kältemittel in Strömungsrichtung gesehen durch den Kompressor, den Verdampfer, einen Sammler, ein zweites Expansionsventil und den inneren Wärmetauscher geführt wird.
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Um einen einfachen Wechsel der Kältemittelführung zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb der Klimaanlage zu ermöglichen, kann der Kältekreis stromab des Kompressors ein 2/3-Wege-Ventil aufweisen, welches im Kühlbetrieb einen Durchgang an eine zu dem Kondensator führende Leitung und im Heizbetrieb einen Durchgang an eine zu dem Verdampfer führende Leitung freigibt.
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Weiterhin kann der Kältekreis stromab des Sammlers ein 2/3-Wege-Ventil aufweisen, welches im Kühlbetrieb einen Durchgang an eine zu dem ersten Expansionsventil und dem nachgeschalteten Verdampfer führende Leitung und im Heizbetrieb einen Durchgang an eine zu dem zweiten Expansionsventil und dem nachgeschalteten inneren Wärmetauscher führende Leitung freigibt.
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Hinsichtlich der Rückführung des Kältemittels ist es zweckmäßig, wenn nach dem Kondensator eine Leitung zur Kältemittelrückführung abzweigt, welche in eine dem Kompressor vorgeschaltete Leitung mündet.
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In das Temperierungssystem nach der Erfindung kann ebenfalls die Kühlung einer als Energiespeicher dienenden Fahrbatterie oder einer Brennstoffzelle und/oder einer weiteren temperaturerhöhenden Einrichtung integriert sein. Dies ist auf einfache Weise dadurch realisierbar, dass der Verdampfer einen ersten Verdampfer bildet, zu dem parallel geschaltet wenigstens ein zweiter Verdampfer zur Kühlung der Fahrbatterie oder der Brennstoffzelle und/oder einer weiteren temperaturerhöhenden Einrichtung vorgesehen ist.
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Die Leistungselektronikkomponenten können dabei alle typischen einem Elektromotor zugeordneten Elektronikkomponenten wie z. B. einen Fahrstromregler und einen Spannungswandler umfassen. Je nach Zusammenfassung der Elektronikkomponenten im Fahrzeug können die in den Kühlkreislauf eingebundenen Leistungselektronikkomponenten jedoch auch anderen Bauteilen insbesondere des Antriebs, z. B. einer Brennstoffzelle, zugeordnet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Klimaanlage eine Klimasteuereinrichtung aufweist, welche an eine zentrale Energiesteuereinheit angeschlossen ist, welche weiterhin mit einer die Leistungselektronikkomponenten enthaltenden Elektro-Motorsteuereinrichtung und gegebenenfalls Steuereinheiten weiterer Antriebssystem- und Komfortsystemkomponenten verbunden ist und die angeschlossenen Steuereinrichtungen in Abhängigkeit einer vorgegebenen Gewichtung angeforderter Fahr- und Komfortfunktionen zentral steuert.
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Dadurch wird ein hocheffizientes Energiemanagement geschaffen, bei dem die Energie verbrauchenden Systeme des Fahrzeugs entsprechend der gegebenen Betriebssituation mit ihren an der zentralen Energiesteuereinheit eingehenden Energiebedarfdaten zur Erfüllung der angeforderten Fahrleistungs- und Komfortanforderungen situationsgerecht mit der zur Verfügung stehenden Energie versorgt werden können.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungen eines Temperierungssystems eines Kraftfahrzeuges nach der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung.
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Nachfolgend ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperierungssystems eines Kraftfahrzeuges mit einem einen Elektromotor aufweisenden Antrieb anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
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Es zeigt:
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1 ein prinzipmäßiges Funktionsschema eines Temperierungssystems eines Kraftfahrzeuges mit einem Elektroantrieb;
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2 ein vereinfachtes Funktionsschema des Temperierungssystems der 1 mit einem Kältemittel führenden Kältekreis einer Klimaanlage und einem Kühlmittel führenden Kühlkreis, in den ein Elektromotor und eine Elektro-Motorsteuereinrichtung eingebunden ist, wobei ein Kälteprozess der Klimaanlage dargestellt ist; und
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3 das Funktionsschema der 2, worin ein Wärmepumpenprozess der Klimaanlage dargestellt ist.
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Die 1 zeigt ein Temperierungssystem 1 eines Kraftfahrzeuges mit einem einen Elektromotor 2 aufweisenden Antrieb und einer der Luftkonditionierung eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges dienenden Klimaanlage 3, wobei das Temperierungssystem 1 einen der Klimaanlage 3 zugeordneten Kältekreis 4 und einen Kühlkreis 5, in dem sich der Elektromotor 2 und Leistungselektronikkomponenten 6 einer Motorsteuereinrichtung 7 befinden, aufweist. Der Kühlkreis 5 wird mit einem Kühlmittel betrieben, bei dem es sich um ein Glycol-H2O-Gemisch handelt. Der Kältekreis 4 wird vorliegend mit einem R134a-Kältemittel betrieben.
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Der Kältekreis 4 umfasst einen inneren Wärmetauscher 8, über den dieser mit dem Kühlkreis 5 koppelbar ist, einen Kompressor 9 zur Förderung des Kältemittels, einen Kondensator 10, wenigstens ein Expansionsventil 11 und wenigstens einen Verdampfer 12, welcher der Luftkonditionierung dient.
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Wie mit strichlierter Linie in 1 gezeigt ist, kann parallel zu dem ersten, der Luftkonditionierung dienenden Verdampfer 12 ein zweiter oder weiterer Verdampfer 13 geschaltet sein, welcher zur Kühlung einer Fahrbatterie oder einer Brennstoffzelle und/oder einer weiteren temperaturerhöhenden Einrichtung vorgesehen sein kann.
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Im Bereich des Kondensators 10 ist ein Lüfter 14 und im Bereich des Verdampfers 12 ein Gebläse 15 der Klimaanlage 3 angeordnet.
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Weiterhin weist die Klimaanlage 3 einen PTC-Heizer 17 vorliegend vom Typ eines Hochvolt-PTC-Heizers auf, welcher von einer als Klimasteuergerät 16 ausgebildeten Klimasteuereinrichtung insbesondere bei einer Umschaltung von einem Kühlbetrieb auf einen Heizbetrieb der Klimaanlage 3 zugeschaltet werden kann, um ein Beschlagen der Windschutzscheibe, ein so genanntes „Flash-Fogging” zu vermeiden. Hierbei handelt es sich um ein redundantes Bauteil, welches für bestimmte Betriebssituationen als Sicherheitsmaßnahme vorgesehen ist.
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Wenngleich sich bei dem vorliegenden Anwendungsfall ein Hochvolt-PTC-Heizer, welcher beispielsweise eine Leistung von 2,5 kW haben kann, vorteilhaft ist, kann hierfür auch ein Niedervolt-PTC-Heizer zur Anwendung kommen, um Wärme im Bereich der Windschutzscheibe aufzubringen, für die die im Kältekreis 4 der sich im Heizbetrieb befindlichen Klimaanlage 3 zur Verfügung stehende Wärme nicht ausreicht. Die Regelung des PTC-Heizers 17 erfolgt über das Klimasteuergerät 16 und eine Temperaturklappe herkömmlicher Art.
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In den Kühlkreis 5, in dem die Förderung des Kühlmittels über eine Kühlmittelpumpe 36 erfolgt, sind neben dem Elektromotor 2 und den Leistungselektronikkomponenten 6 der Motorsteuereinrichtung 7 ein Ausgleichsbehälter 18, der als Kühlmittelvorratsbehälter des Kühlkreises 5 dient, und ein Fahrzeugkühler 19 eingebunden, wobei der Fahrzeugkühler 19 erst ab einer bestimmten Temperatur des Elektromotors 2 zugeschaltet wird, um Druckverluste zu vermeiden. Der Fahrzeugkühler 19 ist vorliegend in Fahrzeugvorwärtsrichtung vor dem Kondensator 10 angeordnet um zu verhindern, dass der Fahrzeugkühler 19, welcher beispielsweise bei 20°C bis 40°C betrieben wird, durch den vergleichsweise heißen Kondensator, welcher beispielsweise bei 60°C bis 80°C betrieben wird, aufgeheizt und in seiner Funktion beeinträchtigt wird.
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In den vereinfachten Funktionsschemata der Zeichnung sind der Kühlbetrieb der Klimaanlage 3 in 2 und der Heizbetrieb der Klimaanlage 3 in 3 dargestellt, wobei jeweils nicht durchströmte Leitungen mit strichpunktierter Linie dargestellt sind.
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Im Kühlbetrieb gemäß 2 ist der innere Wärmetauscher 8 deaktiviert und somit der Kältekreis 4 von dem Kühlkreis 5 entkoppelt.
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Das Kältemittel wird durch den Kompressor 9 gefördert und an den Kondensator 10 geführt, von dem es über ein in Richtung des Kondensators 10 öffnendes Rückschlagventil 19 an einen Sammler 20 strömt, welcher dazu dient, dass das Kältemittel stets im flüssigen Zustand vorliegt. Von dem Sammler 20 wird das Kältemittel dem ersten Expansionsventil 11 zugeführt, durch das das Kältemittel entspannt wird.
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Anschließend wird das Kältemittel über eine Leitung 37 an den Verdampfer 12 gefördert, an dem das Kältemittel expandiert. Die an dem Verdampfer 12 über das Gebläse 15 vorbei geführte Luft wird dabei abgekühlt, und das erwärmte Kältemittel wird erneut über ein Magnetventil 21 und den Kompressor 9 zur Kühlung dem Kondensator 10 zugeführt.
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Bei Bedarf kann hier auch der in 1 dargestellte Fahrzeugkühler in den Kältekreis 4 integriert werden sowie der Hochvolt-PTC-Heizer 17 zugeschaltet werden, wobei die Regelung jeweils über eine Temperaturklappe erfolgt.
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Im in der 3 dargestellten Heizbetrieb der Klimaanlage 3, welcher einem Wärmepumpenprozess entspricht, ist der innere Wärmetauscher 8 aktiviert, wobei er den Kältekreis 4 mit dem Kühlkreis 5 thermisch koppelt.
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Das Kältemittel wird hierbei in Strömungsrichtung gesehen durch den Kompressor 9 über ein nachgeschaltetes Sicherheitsventil, welches als ein ab einem Druck von 35 bar aktiviertes Abblasventil ausgebildet ist, einem 2/3-Wege-Ventil 22 zugeführt, das nun derart geschaltet ist, dass es eine zu dem Kondensator 10 führende Leitung 23 sperrt und einen Durchgang an eine zu dem Verdampfer 12 führende Bypassleitung 24 freigibt, über die das Kältemittel direkt dem Verdampfer 12 zugeführt wird.
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Das an dem Verdampfer 12 abgekühlte Kältemittel wird in Folge einer Sperrung des Magnetventils 21 statt an den Kompressor 9 über eine nach dem Verdampfer 12 abzweigende Leitung 25 mit einem Rückschlagventil 26 an den Sammler 20 geführt, wonach es aufgrund der entsprechenden Schaltung eines zwischen dem Sammler 20 und dem ersten Expansionsventil 11 angeordneten 2/3-Wege-Ventil 27 statt über die Leitung 37 dem ersten Expansionsventil 11 und dem nachgeschalteten Verdampfer 12 nun über eine Zweigleitung 28 einem zweiten Expansionsventil und dem nachgeschalteten inneren Wärmetauscher 8 zugeführt wird.
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Nach dem Wärmetauscher 8 wird das erwärmte Kältemittel über ein Rückschlagventil 30 wieder in eine den Verdampfer 12 mit dem Kompressor 9 im Kühlbetrieb verbindende Leitung 31 zurückverzweigt und erneut über das Sicherheitsventil 32 und das 2/3-Wege-Ventil 22 an den Verdampfer 12 gefördert.
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Zur Kältemittelrückführung bei einem Umschalten von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb zweigt nach dem Kondensator 10 und dem diesem nachgeschalteten Rückschlagventil 29 eine Kältemittelrückführleitung 33 von einer von dem Kondensator 10 zu dem Sammler 20 führenden Leitung 34 ab, wobei die Kältemittelrückführleitung 33 über ein weiteres Rückschlagventil 34 und ein Magnetventil 35 wieder zu der dem Kompressor 9 vorgeschalteten Leitung 31 führt.
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Auch im Heizbetrieb, bei dem der Kondensator 10 umgangen wird, kann bei Bedarf der Fahrzeugkühler 19 in den Kältekreis integriert werden und der Hochvolt-PTC-Heizer 17 geregelt durch eine Temperaturklappe zugeschaltet werden.
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Die Steuerung der Komponenten des Kältekreises 5 erfolgt über die in der 1 ersichtliche elektronische Klimasteuereinrichtung 16, welche in üblicher Weise einen Prozessor und Speichereinheiten aufweist. Eingangssignale der Klimasteuereinrichtung sind dabei z. B. die Temperatur vor und in dem Kompressor 9, ein Saugdruck in dem Kompressor 9, ein Druck nach dem Kondensator 10, ein Zustand eines Temperaturreglers im Innenraum sowie die Position einer Umluftklappe und einer Temperaturklappe im Innenraum, die Temperatur nach dem Verdampfer 12, die Temperatur in dem Gebläse 15, eine Raumlufttemperatur im Fahrzeuginneren, der Zustand eines Schalters für Umluft sowie eines Betätigungsschalters der Klimaanlage und einer Anzeige über die Aktivierung von Großverbrauchern.
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Ausgangssignale sind beispielsweise PWM-Signale an den Hochvolt-PTC-Heizer 17, die Ansteuerung der 2/3-Wege-Ventile 22 und 27 und des Magnetventils 21, eine Drehzahlregelung des Kompressors 9, Steuersignale an einen Motor einer Staudruck-Umluftklappe, einer Temperaturklappe und einer Temperatursensorumströmung sowie an die Beleuchtung des Klimareglers, eine Lampe eines Klimaschalters und eines Umluftschalters.
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Bei der gezeigten Ausführung ist die Klimasteuereinrichtung 16 der Klimaanlage 3 an eine in der 1 prinzipmäßig dargestellte zentrale Energiesteuereinheit 38 angeschlossen, welche auch mit der die Leistungselektronikkomponenten 6 enthaltenden Elektro-Motorsteuereinrichtung 7 und auch weiteren Steuereinheiten weiterer Antriebssystem- und Komfortsystemkomponenten verbunden ist und die angeschlossenen Steuereinrichtungen 7, 16 in Abhängigkeit einer vorgegebenen Gewichtung angeforderter Fahr- und Komfortfunktionen computerimplementiert zentral steuert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1264715 A1 [0002]
- EP 1526974 B1 [0004]
- DE 19930148 A1 [0005]
