DE102010042122A1

DE102010042122A1 - Kühlvorrichtung eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102010042122A1
Application number: DE201010042122
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Florian Wieschollek; Christian Rebinger; Dirk Schroeder
Original assignee: Audi AG; Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Audi AG; Hanon Systems Corp
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: US20120085512A1; CN102555732A; JP2012083100A; DE102010042122B4; CN102555732B; JP5403766B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) und ein Verfahren zum Betreiben der Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung der Batterie (2) eines Fahrzeuges mit einem Kühlmittelkreislauf (3). Der Kühlmittelkreislauf weist eine Pumpvorrichtung (13), einen Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel und der Batterie (2), einen Wärmeübertrager (6) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebung sowie einen Wärmeübertrager (10) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und einem in einem Kältemittelkreislauf (4) zirkulierenden Kältemittel auf. Der Kältemittelkreislauf (4) ist zusätzlich mit einem Wärmeübertrager (19) und einem dazugehörigen Expansionsorgan ausgebildet. Zudem weist der Kältemittelkreislauf (4) zwei weitere Expansionsorgane (14, 15) auf, wobei das erste Expansionsorgan (14) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Wärmeübertrager (10) und das zweite Expansionsorgan (15) hinter dem Wärmeübertrager (10) angeordnet ist. Damit sind die kältemittelseitig als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager (10, 19) mit unterschiedlichen Druckniveaus und Temperaturniveaus betreibbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Batterie eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges oder Hybridfahrzeuges, mit einem Kühlmittelkreislauf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Kühlvorrichtung.
Die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzten Batterien mit großer Kapazität dienen zum Speichern elektrischer Energie. Die Energie wird der Batterie durch den Anschluss an eine Stromversorgungsquelle zugeführt. Zusätzlich kann bei Hybridfahrzeugen während der Bremsvorgänge des Fahrzeuges Energie zurückgewonnen werden. Während des Betriebes erhitzen sich sowohl die Batteriezellen der Batterie als auch andere Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie der Elektromotor und die Leistungselektronik. Insbesondere sollte die Batterie beim Entladen und Laden mit einer optimalen Temperatur betrieben werden. Dabei ist die entstehende und freigesetzte Wärme abzuführen, da eine erhöhte Betriebstemperatur zu einer sehr starken thermischen Belastung der Batteriezellen führt. Auf Grund der eingeschränkten Temperaturbeständigkeit der Batterien müssen diese aktiv gekühlt werden. Geeignete Medien zur Kühlung der Batterie und anderer elektronischer Bauteile des Antriebsstranges sind Umgebungsluft, Luft des Fahrzeuginnenraumes, Kältemittel und Kühlmittel. Als Kühlmittel wird beispielsweise Wasser beziehungsweise Glykol eingesetzt. Die Kühlung der Batterie führt zur Erhöhung ihrer Lebensdauer und sollte derart erfolgen, dass die Temperaturen der gekühlten Batterie lediglich innerhalb eines begrenzten Bereiches variieren. Für den Betrieb bei einer optimalen Betriebstemperatur der Batterien der Elektrofahrzeuge ist aber nicht nur die entstehende Wärme abzuführen, sondern gleichfalls bei zu geringer Umgebungstemperatur, insbesondere beim Starten, der kalten Batterie Wärme zuzuführen.
Die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien weisen einen engen Temperaturbereich auf, in welchem der Betrieb möglich ist. Bei niedrigen Temperaturen der Batteriezellen, insbesondere bei Temperaturen bis 0°C, muss die elektrische Leistung der Batterie reduziert werden, um eine Schädigung der Zellen zu verhindern. Im Temperaturbereich bis 0°C ist auch das Laden der Batterien nicht möglich. Mit ansteigender Betriebstemperatur steigt der elektrische Wirkungsgrad der Lithium-Ionen-Batterien an. Bei Temperaturen oberhalb von 40°C setzt jedoch eine erhöhte Alterung der Batteriezellen ein, die bei Temperaturen von über 50°C sogar zur Beschädigung der Zellen führen kann.
Speziell bei Lithium-Ionen Batterien, welche bereits bei Zelltemperaturen ab etwa 40°C eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit aufweisen, ist die Kühlung mit Umgebungsluft nicht bei jedem Zustand der Umgebung realisierbar. An einem heißen Sommertag kann die Außenlufttemperatur Werte von 40°C erreichen oder übersteigen, sodass eine Kühlung mit unbehandelter Umgebungs- oder Außenluft nicht möglich ist. Bei diesen Außenbedingungen könnte die Leistung der Batterie reduziert werden, um die entstehende Wärme zu begrenzen. Dann wird die Batterie jedoch nicht die notwendige maximale Leistung zur Verfügung stellen. Andererseits besteht die Möglichkeit, Kühlluft aus dem klimatisierten Fahrzeuginnenraum zu entnehmen und zur Batterie zu leiten. Die Verwendung von Kühlluft aus dem Fahrzeuginnenraum ermöglicht zwar einen schmaleren Temperaturbereich als die Verwendung von Umgebungsluft, allerdings führt die Entnahme von Luft aus dem Fahrzeuginnenraum zur Steigerung der Geräusche im Fahrzeug und verringert damit den Komfort. Außerdem kann es bei einer Luftkühlung der Batterien, welche mit Temperaturdifferenzen im Bereich von 0 bis 5 K eine hohe Anforderung an die Homogenität der Temperaturverteilung stellen, zu einer hohen Temperaturspreizung zwischen den einzelnen Batteriezellen kommen. Zur Verminderung der Temperaturspreizung muss mit einem sehr großen Luftmassenstrom gekühlt werden. Neben den bereits erwähnten starken Strömungsgeräuschen und der von den Umgebungsbedingungen abhängigen Kühlleistung ist bei einem Kühlsystem mit Luft zudem unter Verwendung von Lüftern mit großen Abmessungen und großen Strömungsquerschnitten ein großer Bauraumbedarf für die Luftführung sicherzustellen.
Neben der Kühlung der Batterie mittels durch die von der Fahrzeugklimaanlage abgekühlten Luft aus dem Fahrzeuginnenraum sind weitere Verfahren bekannt, die Batteriekühlvorrichtung an das Klimasystem des Fahrzeuges anzubinden. Zum einen ist es möglich, die Batterie direkt mit Kältemittel und zum anderen mittels eines Sekundärkreislaufes des Klimasystems zu kühlen. Bei direkter Kühlung wird der Wärmeübertrager zur Aufnahme der innerhalb der Batterie entstehenden Wärme mit Kältemittel beaufschlagt. Bei der Kühlung mit einem Sekundärkreislauf wird die im Wärmeübertrager der Batterie aufgenommene Wärme in einem zweiten Wärmeübertrager an das Klimasystem des Fahrzeuges abgeführt. Als umlaufender Wärmeträger im Sekundärkreislauf ist zum Beispiel Wasser oder Glykol einsetzbar. Bei der Kühlung der Batterie mit Kältemittel ist auch bei Umgebungsbedingungen, die keine Konditionierung der Luft des Fahrzeuginnenraumes erfordern, der Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage zu betreiben, sodass elektrische Energie für den Betrieb des Verdichters aufgewendet werden muss. Auch für die Kühlung der Batterie mit einem Kühlmittel ist elektrische Energie notwendig. Die Leistung zum Fördern des Kühlmittels ist jedoch wesentlich geringer als die erforderliche Verdichterleistung zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes. Allerdings gibt das Kühlmittel innerhalb eines Niedertemperaturkreislaufes die von der Batterie aufgenommene Wärme an die Umgebung ab, was aus bekannten Gründen ebenfalls nur bei Umgebungstemperaturen unter 40°C möglich ist, da die Temperatur der Batterie nicht über 40°C ansteigen sollte. Bei Temperaturen der Umgebungsluft oberhalb von 40°C wird das Kühlmittel mittels des Kältemittelkreislaufes der Fahrzeugklimaanlage unter die Umgebungstemperatur abgekühlt. Der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager wird auch als Chiller bezeichnet und bezüglich des Kältemittels als Verdampfer betrieben. In dem Verdampfer wird das am Eintritt mit einem hohen Flüssigkeitsanteil zweiphasig vorliegende Kältemittel verdampft und gegebenenfalls überhitzt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dem Chiller ein thermostatisches Expansionsventil zur Regelung einer konstanten Überhitzung am Austritt des Chillers vorzuschalten. Dabei ist für den Betriebszustand, bei dem keine Kälteleistung am Chiller benötigt wird, im thermostatischen Expansionsventil eine Absperrfunktion integriert. Die Absperrfunktion wird mittels eines Magnet- oder Schrittmotorventils realisiert. Wenn die Temperatur der Batterie eine obere Schaltgrenze überschreitet, ist die Batterie zu kühlen. Das Magnetventil wird geöffnet. Die Kälteleistung regelt sich „automatisch” über das thermostatische Expansionsventil. Die Batterie wird dabei entsprechend abgekühlt. Beim Unterschreiten einer unteren Schaltgrenze, wird das Magnetventil geschlossen. Die Temperatur der Batterie steigt langsam wieder an. Da das thermostatische Expansionsventil mechanisch regelt, kann die Kälteleistung zur Batteriekühlung nicht bedarfsorientiert bereitgestellt werden, was die Effizienz der Batteriekühlung vermindert. Die Batterie wird stärker abgekühlt als erforderlich und somit mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben. Mit ansteigender erforderliche Kühlleistung steigt auch die aufzubringende elektrische Leistung für den Betrieb der Batteriekühlung an.
Aus der DE 10 2009 035 329 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuges mit einer mehrere Einzelzellen aufweisenden Batterie hervor. Das Gehäuse der Batterie wird von einem Kühlmittel durchströmt, das innerhalb eines Kühlmittelkreislaufes von einer Pumpeneinheit gefördert wird. Der Kühlmittelkreislauf ist über einen Wärmeübertrager mit einem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt. In Abhängigkeit von einer momentanen Umgebungstemperatur und/oder einer momentanen Geschwindigkeit des Fahrzeuges wird die Drehzahl eines im Kältemittelkreislauf angeordneten Verdichters verändert. Der Verdichter ist zudem über den Wärmeübertrager, der als Chiller ausgebildet ist, mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Der Chiller, der über ein Absperrventil vom Kältemittelkreislauf hydraulisch trennbar ist, wird dabei taktend beziehungsweise pulsierend betrieben. Damit können der Verdampfer und der Chiller einzeln oder gleichzeitig aber lediglich mit gleichem Druckniveau des Kältemittels betrieben werden.
In der DE 10 2007 012 893 A1 wird eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von aus Speicherzellen aufgebauten Batterien beschrieben. Die Batterie ist innerhalb eines Batteriekastens untergebracht. Zur bedarfsgerechten Kühlung umfasst die Kühlvorrichtung einen Kühlmittelkreislauf mit einem Luftwärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft, einem Flüssigkeitskühler zum Übertragen von Wärme an eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise das Kältemittel im Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage, und einem 3-Wege-Ventil zum Umschalten zwischen den beiden parallel geschalteten Wärmeübertragern. Beim Überschreiten einer zulässigen Zellmanteltemperatur der Batterie wird über das 3-Wege-Ventil der externe Luftwärmeübertrager mit Axiallüftern geschlossen und der Flüssigkeitskühler mit direkter Anbindung an die Klimaanlage des Fahrzeuges freigegeben.
Eine ähnliche Kühlvorrichtung, wie in der DE 10 2007 012 893 A1 , wird in der US 2009/0321532 A1 offenbart. Die Kühlvorrichtung weist ebenfalls einen Kühlmittelkreislauf mit einem Luftwärmeübertrager und einem Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Kühlmittel an das Kältemittel der Klimaanlage des Fahrzeuges auf. Die Wärmeübertrager sind dabei parallel geschaltet und werden über ein Drei-Wege-Ventil bedarfsgerecht zugeschaltet. Dabei sind beide Wärmeübertrager gleichzeitig durchströmbar, wobei je nach vom Kühlmittel abzuführender Leistung einer der Wärmeübertrager außer Betrieb gesetzt ist und nur als Bypass durchströmt wird. Der Bedarf an Kühlleistung der Batterie und des zuzuschaltenden Wärmeübertragers wird mithilfe von Sensoren zum Bestimmen der Temperaturen der Batterie und der Umgebung bestimmt.
Den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist zueigen, dass die Chiller parallel zum Verdampfer zur Konditionierung der Luft des Fahrzeuginnenraumes betrieben werden. Da die Kältemittelleitungen jeweils nach dem Verdampfer und dem Chiller miteinander verbunden werden, weist das Kältemittel in beiden Komponenten den gleichen Druck und somit das gleiche Verdampfungstemperaturniveau auf. Die Drucklage und das Temperaturniveau im Chiller können somit nicht unabhängig vom Verdampfer der Fahrzeugklimaanlage geregelt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kombinierten Kühlung der Batterie eines Fahrzeuges und Konditionierung der Luft zum Fahrzeuginnenraum, insbesondere eines Elektrofahrzeuges oder Hybridfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen. Die Kühlvorrichtung ist so auszubilden, dass für den Betrieb ein minimaler Einsatz an elektrischer Energie für die Kühlung der Batterie aufzubringen ist, um die Effizienz des Antriebssystems und des Klimatisierungssystems des Fahrzeuges zu maximieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung zur kombinierten Kühlung der Batterie und Konditionierung der Luft zum Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeuges gelöst. Die Kühlvorrichtung weist einen Kühlmittelkreislauf mit einer Pumpvorrichtung, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel und der Batterie, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebung sowie einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und einem in einem Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage zirkulierenden Kältemittel auf. Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel ist kältemittelseitig als Verdampfer ausgebildet und wird im Weiteren auch als Chiller bezeichnet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf mit zwei Expansionsorganen ausgebildet. Das erste Expansionsorgan ist dabei in Strömungsrichtung des Kältemittels unmittelbar vor dem Chiller und das zweite Expansionsorgan unmittelbar hinter dem Chiller angeordnet. Unter unmittelbar ist dabei eine direkte Aufeinanderfolge der Komponenten erstes Expansionsorgan und Chiller sowie Chiller und zweites Expansionsorgan zu verstehen, ohne dass, ausgenommen von Verbindungsleitungen, weitere Komponenten des Kältemittelkreislaufes dazwischen angeordnet sind. Der Chiller stellt als Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel eine thermische Kopplung von Kühlmittelkreislauf und Kältemittelkreislauf dar.
Der Kältemittelkreislauf ist bevorzugt als Komponente einer Klimaanlage zur Konditionierung der Zuluft in einen Fahrzeuginnenraum vorgesehen. Neben dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weist der Kältemittelkreislauf einen weiteren als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager auf, welcher ebenfalls als Verdampfer des Kältemittels betrieben wird. Der geschlossene Kältemittelkreislauf umfasst des Weiteren einen Kältemittelverdichter, einen Kondensator sowie ein dem als Verdampfer ausgebildeten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager zuzuordnendes Expansionsorgan.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel innerhalb des Kältemittelkreislaufes parallel zum als Verdampfer ausgebildeten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager der Fahrzeugklimaanlage geschaltet angeordnet. Nach einer zweiten Ausgestaltung ist der Chiller anstatt in Parallelschaltung in Serie beziehungsweise in Reihenschaltung in Strömungsrichtung des Kältemittels vor oder hinter dem Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager der Fahrzeugklimaanlage im Kältemittelkreislauf integriert.
Die kältemittelseitig um den Chiller angeordneten Expansionsorgane sind bevorzugt als regelbare Expansionsventile ausgebildet. Damit ist der Kältemittelkreislauf am Chiller vorteilhaft mit einer 2-stufigen Expansion betreibbar, sodass das Temperaturniveau der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel unabhängig vom Temperaturniveau der Wärmeübertragung innerhalb des Luft/Kältemittel-Wärmeübertragers regelbar ist. Die regelbaren Expansionsventile sind thermostatische Expansionsventile, die bevorzugt extern ansteuerbar ausgebildet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebung als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ein Lüfter zugeordnet ist, welcher drehzahlregelbar ausgestaltet ist. Damit ist der Massenstrom der Umgebungsluft über die Wärmeübertragungsflächen des Luft/Kühlmittel-Wärmeübertragers einstellbar, sodass die vom Kühlmittel an die Luft zu übertragende Wärme variierbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie eines Fahrzeuges wird die von der Batterie abzuführende Wärme in einem Wärmeübertrager, auch als Batteriekühler bezeichnet, an ein Kühlmittel übertragen. Das von einer Pumpvorrichtung innerhalb eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufes umgewälzte Kühlmittel ist dabei über einen Wärmeübertrager, den sogenannten Chiller, mit einem Kältemittel thermisch gekoppelt. Das Kältemittel zirkuliert wiederum innerhalb eines geschlossenen Kältemittelkreislaufes. Die von der Batterie an das Kühlmittel übertragene und vom Kühlmittel nunmehr wieder abzuführende Wärme wird abhängig von der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den als Batteriekühler ausgebildeten Wärmeübertrager und der Umgebungstemperatur geregelt. Bei der Umgebungstemperatur handelt es sich insbesondere um die Temperatur der Umgebungsluft. Die Wärme wird vom Kühlmittel in einem Wärmeübertrager an die Umgebungsluft und/oder im Chiller an das Kältemittel übertragen.
Nach der Konzeption der Erfindung wird der Chiller innerhalb des Kältemittelkreislaufes als Verdampfer mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten ersten Expansionsorgan und einem nachgeschalteten zweiten Expansionsorgan betrieben. Gleichzeitig wird ein im Kältemittelkreislauf integrierter und ebenfalls als Verdampfer ausgebildeter Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager betrieben. Das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Chiller wird dabei vorteilhaft unabhängig vom Temperaturniveau der Verdampfung im Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager geregelt. Neben dem Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels wird mittels der Expansionsorgane der Massenstrom des Kältemittels durch den Chiller eingestellt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der als Verdampfer ausgebildete Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager der Klimaanlage des Fahrzeuges und der Verdampfer zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel mit dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten ersten Expansionsorgan und dem nachgeschalteten zweiten Expansionsorgan im Kältemittelkreislauf in Parallelschaltung zueinander betrieben. Dabei werden die vorteilhaft als regelbare Expansionsventile, insbesondere thermostatische Expansionsventile, ausgebildeten Expansionsorgane extern angesteuert. Das Kältemittel wird vor dem Einströmen in den Chiller und je nach Bedarf nach dem Ausströmen aus dem Chiller entspannt. Durch die Vorgänge der Entspannung des Kältemittels vor und nach dem Chiller wird der Kältemittelkreislauf mit einer 2-stufigen Expansion betrieben. Während des Betriebes der Kühlvorrichtung wird das mittels der 2-stufigen Expansion erzeugte Zwischendruckniveau des Kältemittels innerhalb des Chillers abhängig vom Kühlbedarf der Batterie und der Umgebungstemperatur auf verschiedenen Temperaturniveaus der Verdampfung eingestellt und variiert. Als Zwischendruck ist der Druck nach der ersten Expansion im ersten Expansionsorgan, der dem Druckniveau innerhalb des Chillers entspricht, zu verstehen. Das Temperaturniveau der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel innerhalb des Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertragers, ist folglich vorteilhaft unabhängig vom Verdampfer der Fahrzeugklimaanlage regelbar.
Die von der Batterie abzuführende Wärme wird zudem bevorzugt über die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Batteriekühler mit einer elektrisch angetriebenen Pumpvorrichtung kontinuierlich geregelt. Mithilfe der Kühlmittelpumpe wird das Kühlmittel bedarfsgerecht im Kühlmittelkreislauf umgewälzt.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die beim Durchströmen des Batteriekühlers an das Kühlmittel übertragene Wärme bei niedrigen Umgebungstemperaturen in einem als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager an die Umgebungsluft abgegeben. Niedrige Umgebungstemperaturen liegen bei Werten der Temperatur der Umgebungsluft von bis zu 30°C vor. Dabei wird der durch den Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager geleitete Massenstrom der Umgebungsluft mittels der Drehzahl eines dem Wärmeübertrager zugeordneten Lüfters geregelt. Der Chiller zum Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel ist deaktiviert. Das Kühlmittel strömt nach dem Austreten aus dem Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager entweder durch einen Bypass um den Chiller herum oder/und der Chiller wird kältemittelseitig nicht durchströmt. Bei beiden Regelungsvarianten wird keine Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen.
Beim Übersteigen der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler einer zulässigen Temperatur wird die vom Kühlmittel abzuführende Wärme im Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft und gleichzeitig im Chiller an das Kältemittel übertragen. Der Chiller ist folglich zum Übertragen der Wärme an das Kältemittel aktiviert. Das Kühlmittel strömt nunmehr durch den Chiller hindurch und nicht über den Bypass um den Chiller herum. Gleichzeitig wird der Chiller auch kältemittelseitig durchströmt. Dabei werden das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Chiller sowie die Kälteleistung mittels der Veränderung der Querschnitte der vor- und nachgeordneten Expansionsventile geregelt. Das Verfahren mit gleichzeitigem beziehungsweise kombiniertem Einsatz von Chiller und Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager wird insbesondere bei mittleren Umgebungstemperaturen, das heißt Temperaturen der Luft zwischen 30°C und 40°C, betrieben.
Bei hohen Umgebungstemperaturen wird die vom Kühlmittel abzuführende Wärme im Chiller an das Kältemittel übertragen. Hohe Umgebungstemperaturen liegen bei Werten der Temperatur der Umgebungsluft ab 40°C und darüber vor. Es werden wiederum das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Chiller sowie die Kälteleistung mittels der Veränderung der Querschnitte der vor- und nachgeordneten Expansionsventile variiert. Der Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager zum Übertragen der Wärme an die Umgebungsluft ist deaktiviert. Dabei ist entweder lediglich der Lüfter des Wärmeübertragers außer Betrieb gesetzt und damit der Wärmeübertrager luftseitig abgesperrt oder das Kühlmittel wird je nach Ausgestaltung des Kühlmittelkreislaufes durch einen Bypass um den Wärmeübertrager herum geleitetet, sodass dieser nicht vom Kühlmittel durchströmt wird. In diesem Fall ist der Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager kühlmittelseitig abgesperrt beziehungsweise vom Kühlmittelkreislauf hydraulisch getrennt. In beiden Fällen wird im Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager keine Wärme an die Umgebungsluft übertragen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage des Fahrzeuges als Luft-Wärmepumpe. Dabei wird der als Verdampfer ausgebildete Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufes von Umgebungsluft umströmt. Die Umgebungsluft wird dabei als Wärmequelle genutzt. Bei Umgebungstemperaturen, die niedriger sind als die notwendige Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler, wird das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Chiller sowie die Kälteleistung mittels der Veränderung der Querschnitte der Expansionsventile nach Bedarf des Kühlmittels im Batteriekühler geregelt.
Die erfindungsgemäße Lösung zur kontinuierlichen Regelung der Temperatur der Batterie ermöglicht einen Betrieb der Batterie bei optimaler Temperatur und weist dabei diverse Vorteile auf:

– maximaler Wirkungsgrad und minimale Verlustleistung der Batterie,
– minimale elektrische Leistungsaufnahme für die Konditionierung der Batterie,
– maximale Effizienz des Gesamtsystems, insbesondere des Antriebsystems,

– maximale Reichweite des Fahrzeuges.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Kühlvorrichtung mit einem Kühlmittelkreislauf mit Luft und/oder dem Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage als Wärmesenke sowie
2: Kühlvorrichtung mit Bypass um den Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager.
1 zeigt die Kühlvorrichtung 1 mit einem Kühlmittelkreislauf 3, der zur Kühlung beziehungsweise Wärmeabfuhr von einem chemischen Energiespeicher 2 ausgebildet ist. Anstelle des Energiespeichers 2, der im Weiteren auch als Batterie 2 bezeichnet wird, könnten ebenso andere Komponenten des Antriebsstranges des Fahrzeuges, wie der Motor oder Leistungselektronik, thermisch mit der Kühlvorrichtung 1 gekoppelt sein. Der Kühlmittelkreislauf 3 weist eine Pumpvorrichtung 13 zum Fördern des Kühlmittels auf. In Strömungsrichtung des Kühlmittels an die Kühlmittelpumpe 13 anschließend ist ein Wärmeübertrager 5 angeordnet, welcher thermisch mit der Batterie 2 gekoppelt ist. Dabei sind verschiedene Arten der Wärmeübertragung denkbar. Das Kühlmittel wird entweder direkt in den zwischen den Batteriezellen ausgebildeten Zwischenräumen hindurchströmen und damit in direktem Kontakt mit den Oberflächen der Batteriezellen stehen.
Alternativ wird die Wärme über eine Kontaktoberfläche des Gehäuses der Batterie 2 an das Kühlmittel übertragen. In Strömungsrichtung des Kühlmittels an den Batteriekühler 5 nachfolgend ist ein weiterer Wärmeübertrager 6 angeordnet, der die im Batteriekühler 5 aufgenommene Wärme an die Umgebung, speziell an die Umgebungsluft, wieder abgibt. Zur besseren Wärmeübertragung ist der Wärmeübertrager 6, auch als Niedertemperaturkühler 6 oder Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager 6 bezeichnet, mit einem Lüfter 7 ausgebildet, der einen Luftmassenstrom durch den Wärmeübertrager 6 beziehungsweise über dessen Oberfläche fördert. Mit der Variation des Massenstromes des Kühlmittels und damit der Regelung der Kühlmitteldurchflussmenge durch Veränderung der Leistung der elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe 13 ist sowohl die Wärmeaufnahme des Kühlmittels innerhalb des Batteriekühlers 5 als auch die Wärmeabgabe innerhalb des Wärmeübertragers 6 an die Umgebungsluft kontinuierlich regelbar. Zudem ist die Wärmeübertragung im Niedertemperaturkühler 6 mit der durchströmenden Luftmenge veränderbar. Der Massenstrom der Luft wird mit dem Einstellen, Abstellen oder einer Drehzahlveränderung des Ventilators 7 variiert. Nach dem Austritt aus dem Wärmeübertrager 6 strömt das Kühlmittel zu einer Abzweigung 8, an der der Massenstrom des Kühlmittels in einen Strömungspfad 9 sowie einen Bypass 11 aufteilbar ist. Der Strömungspfad 9 und der Bypass 11 erstrecken sich jeweils bis zu einer Mündungsstelle 12, die als T-Stück 12 ausgebildet ist. Von der Mündungsstelle 12 strömt das Kühlmittel zur Pumpvorrichtung 13. Der Kühlmittelkreislauf 3 ist geschlossen. Der Strömungspfad 9 weist zwischen der Abzweigung 8 und der Mündungsstelle 12 einen Wärmeübertrager 10 auf, der einerseits vom Kühlmittel und andererseits von Kältemittel der Klimaanlage des Fahrzeuges durchströmt wird. Über den Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 ist der Kühlmittelkreislauf 3 mit dem Kältemittelkreislauf 4 thermisch gekoppelt. Innerhalb des Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertragers 10, der bezogen auf den Kältemittelkreislauf 4 als Verdampfer 10 betrieben wird, wird das durchströmende Kältemittel unter Wärmeaufnahme in den gasförmigen Zustand überführt. Dem Kühlmittel wird dabei Wärme entzogen, es wird abgekühlt. Mittels des Bypasses 11 besteht die regelungstechnische Möglichkeit, das Kühlmittel am Wärmeübertrager 10 vorbeizuführen, sodass keine Wärmeübertragung zum Kältemittel erfolgt. Die Abzweigung 8 ist als Drei-Wege-Ventil beziehungsweise Umschaltventil 8 ausgebildet. Das Kühlmittel kann einerseits über den Strömungspfad 9 mit dem Verdampfer 10, auch als Chiller 10 bezeichnet, geleitet werden, sodass der Kühlmittelkreislauf 3 direkt mit dem Kältemittelkreislauf 4 verbunden ist. Andererseits kann das Kühlmittel mithilfe des Umschaltventils 8 durch den Bypass 11 und damit um den Verdampfer 10 herum geleitet werden. Alternativ ist der Massenstrom des Kühlmittels an der Abzweigung 8 auch auf den Strömungspfad 9 und den Bypass 11 aufteilbar.
Im Chiller 10 wird die Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel der Klimaanlage des Fahrzeuges übertragen. Der Kältemittelkreislauf 4 weist dabei als herkömmliche, nicht dargestellte Komponenten einen Verdichter und einen Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe an die Umgebung sowie einen Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager 19 zur Konditionierung der Zuluft in den Fahrzeuginnenraum auf. Der Chiller 10 ist bevorzugt parallel zum als Verdampfer 19 ausgebildeten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager 19 zur Konditionierung der Zuluft geschaltet und weist zwei Expansionsorgane 14, 15 auf, die als regelbare Expansionsventile 14, 15 beziehungsweise thermostatische Expansionsventile ausgebildet sind. Dabei ist in Strömungsrichtung des Kältemittels ein erstes Expansionsventil 14 vor und ein zweites Expansionsventil 15 nach dem Verdampfer 10 angeordnet. Mittels der extern ansteuerbaren Expansionsventile 14, 15 ist der Kältemittelkreislauf 4 mit einer 2-stufigen Expansion am Chiller 10 betreibbar. Aufgrund der Möglichkeit des Betriebes mit Zwischendruck, das heißt mit der Entspannung im ersten Expansionsventil 14 auf Zwischendruckniveau, sind kältemittelseitig verschiedene Verdampfungsdrücke beziehungsweise Verdampfungstemperaturen des Kältemittels im Chiller 10 einstellbar. Damit kann das Temperaturniveau der Wärmeaufnahme durch das Kältemittel gestuft variiert werden. Zudem wird der Kältemittelmassenstrom durch den Chiller 10 mithilfe der regelbaren Expansionsventile 14, 15 eingestellt. Alternativ kann der Chiller 10 auch in Serie vor oder hinter dem Verdampfer 19 zur Konditionierung der Zuluft in den Fahrzeuginnenraum im Kältekreislauf 4 angeordnet werden
In 2 wird die Kühlvorrichtung 1 aus 1 mit der Erweiterung des Bypasses 18 um den Niedertemperaturkühler 6 dargestellt. Mithilfe des Bypasses 18, der sich von einer Abzweigung 16 zu einer Mündungsstelle 17 erstreckt, kann das Kühlmittel um den Kühler 6 herum geleitet werden. Die als T-Stück 16 ausgebildete Abzweigung 16 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Wärmeübertrager 6, die Mündungsstelle 17 hinter dem Wärmeübertrager 6 angeordnet. Der Massenstrom des Kältemittels wird mithilfe eines Umschaltventils 17 beziehungsweise eines Drei-Wege-Ventils 17, das als Mündungsstelle 17 dient, geregelt. Der Massenstrom des Kühlmittels wird je nach Bedarf vollständig durch den Kühler 6 oder durch den Bypass 18 um den Niedertemperaturkühler 6 geleitet.
Die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Batterie 2 wird in verschiedenen Modi abhängig von der Umgebungstemperatur geregelt.
Bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise bei Temperaturen der Luft bis 30°C, erfolgt die Regelung der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Batterie 2 über die Drehzahl des Lüfters 7, der den Massenstrom der Umgebungsluft über den Niedertemperaturkühler 6 leitet. Die Kühlmitteltemperatur wird folglich lediglich über den Wärmeübertrager 6 geregelt. Das Kühlmittel strömt nach Durchqueren des Wärmeübertragers 6 entweder durch den Bypass 11 um den Chiller 10 herum oder der Chiller 10 ist kältemittelseitig außer Betrieb. In diesem Fall strömt kein Kältemittel durch den Verdampfer 10. Das Kühlmittel gibt in keiner der beiden Regelungsvarianten des Umschaltventils 8 Wärme an das Kältemittel ab. Der Wärmeübertrager 6 wird mit dem Lüfter 7 bis zu Temperaturen der Umgebungsluft von 30°C betrieben. Erst wenn die Temperatur des ausschließlich luftgekühlten Kühlmittels eine zulässige Temperatur zur Kühlung der Batterie 2 übersteigt, wird zusätzlich der Wärmeübertrager 10 des Kältemittelkreislaufes 4 in Betrieb genommen. Der Vorteil des Betriebes des Niedertemperaturkühlers 6 als ausschließliche Kühlung des Kühlmittels mit Luft besteht darin, dass der Kältemittelkreislauf 4 und damit die Klimaanlage des Fahrzeuges erst bei Temperaturen der Umgebungsluft ab etwa 30°C eingesetzt wird. Damit ist die Klimaanlage des Fahrzeuges nicht ständig zu betreiben, es wird Energie gespart, die zum Antrieb des Fahrzeuges verwendet werden kann, sodass die Reichweite des Fahrzeuges maximiert wird.
Beim kombinierten Betrieb des Chillers 10 und des Niedertemperaturkühlers 6 werden die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Batterie 2 mittels der Drehzahl des Lüfters 7 am Niedertemperaturkühler 6 sowie gleichzeitig das Temperaturniveau der Verdampfung und die Kälteleistung im Chiller 10 geregelt. Das Niveau der Verdampfungstemperatur und die Kälteleistung werden dabei über die Querschnitte der Expansionsventile 14, 15 eingestellt. Die Kühlvorrichtung 1 wird bei mittleren Umgebungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen der Luft zwischen 30°C und 40°C, im gleichzeitigen beziehungsweise kombinierten Einsatz von Chiller 10 und Niedertemperaturkühler 6 betrieben.
Bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen der Luft ab 40°C, erfolgt die Regelung der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Batterie 2 ausschließlich über die Variation des Temperaturniveaus der Verdampfung und der Kälteleistung im Chiller 10. Die gesamte vom Kühlmittelkreislauf 3 abzuführende Wärme wird an das Kältemittel im Kältemittelkreislauf 4 übertragen und damit kältemittelseitig geregelt. Das Temperaturniveau beziehungsweise das Druckniveau des Kältemittels im Verdampfer 10 wird über die Querschnitte der Expansionsventile 14, 15 eingestellt. Gleichzeitig ist der Lüfter 7 des Niedertemperaturkühlers 6 außer Betrieb, sodass im Wärmeübertrager 6 keine Wärme übertragen wird. Der Niedertemperaturkühler 6 ist damit luftseitig abgesperrt und nicht aktiv. Alternativ dazu kann je nach Ausgestaltung des Kühlmittelkreislaufes 3 das Kühlmittel durch den Bypass 18 geleitetet werden, sodass der Niedertemperaturkühler 6 nicht von Kühlmittel durchströmt wird. Der Niedertemperaturkühler 6 ist dann kühlmittelseitig abgesperrt und ebenfalls nicht aktiv. Die Zufuhr sehr warmer Umgebungsluft, mit Temperaturen von über 40°C, zum Wärmeübertrager 6 könnte ansonsten dazu führen, dass der Kühlmittelkreislauf 3 mit Kühlmittel bei geringerer Temperatur als die Umgebungsluft zusätzliche Wärme aus der Umgebung aufnimmt.
Speziell für die Einbindung des Verdampfers 10 im Kältemittelkreislauf 4 der Klimaanlage, die als Luft-Wärmepumpe betrieben wird, bieten die in 1 und 2 dargestellten Anordnungen Vorteile. Bei Umgebungstemperaturen, die niedriger sind als die notwendige Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 3 der Batterie 2, kann das Verdampfungstemperaturniveau im Verdampfer 10 unabhängig vom Temperaturniveau im parallel geschalteten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager 19 des Kältemittelkreislaufes 4, der beim Betrieb der Klimaanlage als Luft-Wärmepumpe in Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft betrieben wird, geregelt werden. Auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen der Luft unter 0°C, wird dann das Temperaturniveau der Verdampfung im Chiller 10 über die Querschnitte der Expansionsventile 14, 15 geregelt. Speziell bei der Übertragung der Abwärme der Batterie 2 aus dem Kühlmittelkreislauf 3 in den Kältemittelkreislauf 4 der Klimaanlage des Fahrzeuges, die im Wärmepumpenmodus mit Nutzung der Umgebungsluft als Wärmequelle betrieben wird, können bei Umgebungstemperaturen unter 0°C beim Einschalten der Kühlvorrichtung 1 ansonsten sehr hohe Temperaturgradienten innerhalb der Batterie 2 auftreten. Zur Vermeidung der hohen Temperaturgradienten innerhalb der Batterie 2 wird das Temperaturniveau im Chiller 10 unabhängig vom im parallel geschalteten Verdampfer 19 des Kältemittelkreislaufes 4 geregelt. Die unabhängige Regelung der Druckniveaus beziehungsweise Temperaturniveaus innerhalb der Verdampfer 10, 19 im Kältemittelkreislauf 4 wird über die zweistufige Expansion mittels der Anordnung der Expansionsventile 14, 15 ermöglicht. Das Temperaturniveau der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel der Klimaanlage innerhalb des Chillers 10 ist damit unabhängig vom Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager 19 der Klimaanlage regelbar.
Die beschriebenen Verschaltungsvarianten und Betriebsmodi sind für unterschiedliche Kältemittel anwendbar, die niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig erfahren und dabei Wärme aufnehmen. Hochdruckseitig gibt das Kältemittel durch Enthitzung beziehungsweise Gaskühlung, mit anschließender Kondensation und gegebenenfalls Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke, beispielsweise Umgebungsluft oder Zuluft zum Fahrzeuginnenraum, wieder ab. Als geeignete Kältemittel sind zum Beispiel natürliche Stoffe, wie R744, sowie chemische Stoffe, wie R134a, R152a, HFO1234yf, einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: Kühlvorrichtung
2: Energiespeicher, Batterie
3: Kühlmittelkreislauf
4: Kältemittelkreislauf
5: Wärmeübertrager, Batteriekühler
6: Wärmeübertrager, Niedertemperaturkühler, Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager
7: Lüfter, Ventilator
8: Abzweigung, Umschaltventil, Drei-Wege-Ventil
9: Strömungspfad
10: Wärmeübertrager, Verdampfer, Chiller, Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager
11: Bypass Chiller
12: Mündungsstelle, T-Stück
13: Pumpvorrichtung, Kühlmittelpumpe
14: erstes Expansionsorgan, Expansionsventil
15: zweites Expansionsorgan, Expansionsventil
16: Abzweigung, T-Stück
17: Mündungsstelle, Umschaltventil, Drei-Wege-Ventil
18: Bypass Niedertemperaturkühler
19: Wärmeübertrager, Verdampfer, Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009035329 A1 [0007]
DE 102007012893 A1 [0008, 0009]
US 2009/0321532 A1 [0009]

Claims

Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung der Batterie (2) eines Fahrzeuges mit einem Kühlmittelkreislauf (3), aufweisend eine Pumpvorrichtung (13), einen Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel und der Batterie (2), einen Wärmeübertrager (6) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebung sowie einen Wärmeübertrager (10) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und einem in einem Kältemittelkreislauf (4) zirkulierenden Kältemittel, wobei der Kältemittelkreislauf (4) zusätzlich einen Wärmeübertrager (19) mit einem dazugehörigen Expansionsorgan aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (4) mit zwei Expansionsorganen (14, 15) ausgebildet ist, wobei das erste Expansionsorgan (14) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Wärmeübertrager (10) und das zweite Expansionsorgan (15) hinter dem Wärmeübertrager (10) angeordnet ist, sodass die kältemittelseitig als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager (10, 19) mit unterschiedlichen Druckniveaus und Temperaturniveaus betreibbar sind.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (4) als Komponente einer Klimaanlage des Fahrzeuges ausgebildet ist und der Wärmeübertrager (19) als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (19) zur Konditionierung der Zuluft in einen Fahrzeuginnenraum vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel innerhalb des Kältemittelkreislaufes (4) parallel zum Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (19) der Fahrzeugklimaanlage geschaltet angeordnet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsorgane (14, 15) als regelbare Expansionsventile (14, 15) ausgebildet sind, sodass der Kältemittelkreislauf (4) mit einer 2-stufigen Expansion am Wärmeübertrager (10) derart betreibbar ist, dass das Temperaturniveau der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel unabhängig vom Temperaturniveau der Wärmeübertragung innerhalb des Luft/Kältemittel-Wärmeübertragers regelbar ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (6) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebung als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager (6) mit einem Lüfter (7) ausgebildet ist, sodass die Wärme vom Kühlmittel an einen Massenstrom der Umgebungsluft übertragbar ist, wobei der Lüfter (7) drehzahlregelbar ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung einer Batterie (2) eines Fahrzeuges, wobei – die von der Batterie (2) abzuführende Wärme in einem Wärmeübertrager (5) an ein Kühlmittel übertragen wird, wobei das Kühlmittel von einer Pumpvorrichtung (13) innerhalb eines Kühlmittelkreislaufes (3) umgewälzt wird und über einen Wärmeübertrager (10) mit einem Kältemittel, welches innerhalb eines Kältemittelkreislaufes (4) umgewälzt wird, thermisch gekoppelt ist, – die vom Kühlmittel abzuführende Wärme abhängig von der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Wärmeübertrager (5) und der Umgebungstemperatur durch Übertragen in einem Wärmeübertrager (6) an die Umgebungsluft und/oder im Wärmeübertrager (10) an das Kältemittel, geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) innerhalb des Kältemittelkreislaufes (4), aufweisend einen als Verdampfer ausgebildeten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (19), als Verdampfer (10) mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten ersten Expansionsorgan (14) und einem nachgeschalteten zweiten Expansionsorgan (15) betrieben wird, wobei das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Wärmeübertrager (10) unabhängig vom Temperaturniveau der Verdampfung im Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (19) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Verdampfer ausgebildete Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (19) und der Verdampfer (10) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel mit dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschalteten ersten Expansionsorgan (14) und dem nachgeschalteten zweiten Expansionsorgan (15) im Kältemittelkreislauf (4) in paralleler Schaltung zueinander betrieben werden, wobei – die als regelbare Expansionsventile (14, 15) ausgebildeten Expansionsorgane (14, 15) extern angesteuert werden und – das Kältemittel vor dem Einströmen in den Verdampfer (10) und nach dem Ausströmen aus dem Verdampfer (10) entspannt wird, sodass das Kältemittel über dem Verdampfer (10) eine 2-stufige Expansion erfährt und das Zwischendruckniveau des Kältemittels innerhalb des Verdampfers (10) abhängig vom Kühlbedarf der Batterie (2) und der Umgebungstemperatur auf verschiedenen Temperaturniveaus der Verdampfung eingestellt und variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Batterie (2) abzuführende Wärme über die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den als Batteriekühler ausgebildeten Wärmeübertrager (5) mit einer elektrisch angetriebenen Pumpvorrichtung (13) kontinuierlich geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kühlmittel abzuführende Wärme – bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Wärmeübertrager (6) an die Umgebungsluft übertragen wird, wobei – mittels der Drehzahl eines dem Wärmeübertrager (6) zugeordneten Lüfters (7) der Massenstrom der Umgebungsluft über den Wärmeübertrager (6) geregelt wird und – der Wärmeübertrager (10) zum Übertragen der Wärme an das Kältemittel deaktiviert ist, – bei Übersteigen der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Wärmeübertrager (5) einer zulässigen Temperatur im Wärmeübertrager (6) an die Umgebungsluft und im Wärmeübertrager (10) an das Kältemittel übertragen wird, wobei der Wärmeübertrager (10) zum Übertragen der Wärme an das Kältemittel aktiviert ist und das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Wärmeübertrager (10) sowie die Kälteleistung mittels der Veränderung der Querschnitte der Expansionsventile (14, 15) geregelt werden, – bei hohen Umgebungstemperaturen im Wärmeübertrager (10) an das Kältemittel übertragen wird, wobei – das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Wärmeübertrager (10) sowie die Kälteleistung mittels der Veränderung der Querschnitte der Expansionsventile (14, 15) geregelt werden und – der Wärmeübertrager (6) zum Übertragen der Wärme an die Umgebungsluft deaktiviert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes (4) der Klimaanlage des Fahrzeuges als Luft-Wärmepumpe, wobei der als Verdampfer ausgebildete Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (19) von Umgebungsluft umströmt wird, und bei Umgebungstemperaturen, welche niedriger sind als die notwendige Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Wärmeübertrager (5), das Temperaturniveau der Verdampfung des Kältemittels im Wärmeübertrager (10) sowie die Kälteleistung mittels der Veränderung der Querschnitte der Expansionsventile (14, 15) geregelt werden.