DE102011016613A1 - Thermal management system for motor car, has low temperature circuit and high temperature circuit as coolant circuits such that air supplied to vehicle cabin is directly heated by circuits - Google Patents

Thermal management system for motor car, has low temperature circuit and high temperature circuit as coolant circuits such that air supplied to vehicle cabin is directly heated by circuits Download PDF

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Abstract

The system (1) has a low temperature circuit (2) and a high temperature circuit (3) as coolant circuits such that air supplied to a vehicle cabin is directly heated by the circuits. Heat exchangers (23, 31) i.e. double-flow heat exchangers, are arranged in one of the circuits. The high temperature circuit comprises a heater circuit (32), and the low temperature circuit comprises an electric drive motor (24). The exchangers are switchable to the low temperature circuit of a coolant flowing in current linkage between associated heat exchanger and heat on environment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a thermal management system having the features of the preamble of patent claim 1.

In der Automobiltechnik werden verstärkt Wärmemanagementsysteme verwendet, die einerseits Kühlaufgaben erledigen, die sich durch alternative Antriebsformen oft vielfältig gestalten. So sind beispielsweise elektrische Aggregate zu kühlen, die einen anderen Kühltemperaturbereich aufweisen, als eine Verbrennungskraftmaschine. Dabei können sich Komforteinbußen ergeben, die aus einer zu geringen Heizleistung herrühren. So ist in der DE 10 2004 035 879 A1 ein Wärmemanagementsystem offenbart, das über zwei verschiedene Kühlmittelkreisläufe verfügt, von denen einer als Niedertemperaturkreislauf betrieben werden kann.In automotive engineering, thermal management systems are increasingly being used, which, on the one hand, perform cooling tasks that are often varied through alternative drive systems. For example, electric units that have a different cooling temperature range than an internal combustion engine are to be cooled. This can result in loss of comfort resulting from a too low heat output. So is in the DE 10 2004 035 879 A1 discloses a thermal management system having two different coolant circuits, one of which can be operated as a low temperature circuit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein derartiges Wärmemanagementsystem zu schaffen, das eine möglichst komfortable Heizfunktion mit möglichst geringem Energieaufwand und Kraftstoffverbrauch ermöglicht.The invention is based on the object to provide such a thermal management system that allows the most comfortable heating function with the lowest possible energy consumption and fuel consumption.

Die Aufgabe wird durch ein Wärmemanagementsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein derartiges Wärmemanagementsystem eines Kraftfahrzeugs weist einen Niedertemperaturkreislauf und einen Hochtemperaturkreislauf auf, wobei ein der Fahrzeugkabine zugeführter Luftstrom mittels beider Kreisläufe direkt über mindestens einen durchströmten Wärmetauscher heizbar ist. Dadurch wird bewirkt, dass je nach Betriebsfall sowohl Wärme eines Niedertemperaturkreislaufs, als auch Wärme eines Hochtemperaturkreislaufs effektiv genutzt werden kann, so dass ein Energieaufwand für Zuheizmaßnahmen möglichst gering gehalten werden kann. Dabei kann der Hochtemperaturkreislauf beispielsweise an eine Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sein und nur zeitweise Abwärme liefern. Zur direkten Beheizung des Luftstromes mittels des Nieder- und des Hochtemperaturkreislaufs kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der beispielsweise durch Umschaltung wahlweise mit einem Kühlmittelstrom des Nieder- oder des Hochtemperaturkreislaufs beaufschlagbar ist.The object is achieved by a thermal management system having the features of patent claim 1. Such a thermal management system of a motor vehicle has a low-temperature circuit and a high-temperature circuit, wherein an air stream supplied to the vehicle cabin can be heated by means of both circuits directly via at least one through-flowed heat exchanger. This has the effect that, depending on the operating conditions, both heat of a low-temperature circuit and heat of a high-temperature circuit can be used effectively, so that an energy expenditure for additional heating measures can be kept as low as possible. In this case, the high-temperature circuit may be connected, for example, to an internal combustion engine and only temporarily provide waste heat. For direct heating of the air flow by means of the low and the high-temperature circuit, a heat exchanger may be provided which can be acted upon, for example by switching with either a coolant flow of the low or the high-temperature circuit.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Wärmemanagementsystems sind zwei separate Wärmetauscher vorgesehen, von denen einer im Niedertemperaturkreislauf und einer im Hochtemperaturkreislauf angeordnet ist. Einerseits können die beiden Wärmetauscher baulich besonders frei auf die jeweils zu Grunde liegenden technischen Anforderungen im Niedertemperaturkreislauf und im Hochtemperaturkreislauf abgestimmt werden, andererseits können diese auch aus Gründen der Bauraumoptimierung voneinander separiert angeordnet werden.In an advantageous embodiment of the thermal management system, two separate heat exchangers are provided, one of which is arranged in the low-temperature circuit and one in the high-temperature circuit. On the one hand, the two heat exchangers structurally particularly free to the respective underlying technical requirements in the low-temperature circuit and in the high-temperature circuit can be tuned, on the other hand, they can also be separated from each other for reasons of space optimization.

Um den Vorteil einer kompakten und integralen Bauform des Wärmetauschers zu erreichen, ist bei einer Ausgestaltung des Wärmemanagementsystems ein zweiflutiger Wärmetauscher vorgesehen, dessen beide Fluten jeweils einem der beiden Kühlmittelkreisläufe zugeordnet sind. Die beiden Fluten können beispielsweise durch Gestaltung der jeweiligen Durchströmung, der Tauschergitter oder der Tiefe trotzdem gut spezifisch auf den jeweiligen Kreislauf abgestimmt werden.In order to achieve the advantage of a compact and integral design of the heat exchanger, a two-flow heat exchanger is provided in one embodiment of the thermal management system, the two floods are each associated with one of the two coolant circuits. Nevertheless, the two floods can be adapted to the respective circuit, for example, by designing the respective throughflow, the exchanger grid or the depth.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist im Hochtemperaturkreislauf ein Zuheizer angeordnet. Dieser Zuheizer kann beispielsweise bei einem Hybridantrieb zusätzlich zu einem anderen, eventuell nur temporär heizenden Aggregat im Hochtemperaturkreislauf angeordnet sein und bei entsprechender Heizleistungsanforderung und fehlender Erwärmung durch dieses Aggregat das Kühlmittel erwärmen. Es kann aber auch, beispielsweise bei einem reinen Elektroantrieb ein Hochtemperaturkreislauf vorgesehen sein, der im Wesentlichen den Zuheizer, eine Umwälzpumpe, die gegebenenfalls im Zuheizer integriert ist, und den Wärmetauscher aufweist. Dieser Hochtemperaturkreislauf wird dann bei einer entsprechend hohen Heizleistungsanforderung in Betrieb genommen, die vom Niedertemperaturkreislauf nicht abgedeckt werden kann.In a particularly advantageous embodiment, a heater is arranged in the high-temperature circuit. In the case of a hybrid drive, for example, this auxiliary heater can be arranged in the high-temperature circuit in addition to another, possibly only temporary, heating unit and, given a corresponding heating power requirement and lack of heating by this unit, heat the coolant. However, it may also be provided, for example in a pure electric drive, a high-temperature circuit, which essentially has the auxiliary heater, a circulating pump, which is optionally integrated in the auxiliary heater, and the heat exchanger. This high-temperature circuit is then put into operation at a correspondingly high heating power requirement, which can not be covered by the low-temperature circuit.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmemanagementsystems weist einen Niedertemperaturkreislauf auf, in dem ein Elektro-Antriebsmotor des Fahrzeugs durchströmt angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die im Elektro-Antriebsmotor entstehende Wärme mittels eines entsprechend abgestimmten Wärmetauschers zum Beheizen der Fahrzeugkabine zu nutzen.An advantageous embodiment of the thermal management system has a low-temperature circuit in which an electric drive motor of the vehicle flows through. This makes it possible to use the heat generated in the electric drive motor by means of a suitably tuned heat exchanger for heating the vehicle cab.

Um eine gesicherte Wärmeabfuhr an den zum Niedertemperaturkreislauf gehörenden Aggregaten zu gewährleisten, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wärmemanagementsystems der Kühlmittelstrom des Niedertemperaturkreislaufs zwischen einer Durchflutung des zugehörigen Wärmetauschers und eines Wärme an die Umgebung abführenden Kühlers umschaltbar.In order to ensure reliable heat dissipation to the units belonging to the low-temperature circuit, in an advantageous embodiment of the thermal management system of the coolant flow of the low-temperature circuit between a flooding of the associated heat exchanger and a heat to the environment dissipating radiator switchable.

Ein Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems ist in der Fig. dargestellt.An embodiment of the thermal management system is shown in the figure.

Das Wärmemanagementsystem 1 weist einen Niedertemperaturkreislauf 2, einen Hochtemperaturkreislauf 3, einen Kältemittelkreislauf 4 und einen Batteriekühlkreislauf 5 auf.The thermal management system 1 has a low temperature circuit 2 , a high-temperature cycle 3 , a refrigerant circuit 4 and a battery cooling circuit 5 on.

Im Niedertemperaturkreislauf 2 ist eine das Kühlmittel umlaufend fördernde Umwälzpumpe 20 angeordnet, stromab derer ein Dreiwegeventil 21 vorgesehen ist, das die Förderseite der Umwälzpumpe 20 entweder mit einem Niedertemperaturkühler 22 des Fahrzeugs oder mit einem einen Kabinenluftstrom des Fahrzeugs erhitzenden Wärmetauscher 23 verbindet. Dieses Dreiwegeventil 21 kann entweder zwischen diesen beiden Leitungen umschaltend vorgesehen sein und bei Vorliegen einer Heizleistungsanforderung das von der Umwälzpumpe 20 geförderte Kühlmittel vollständig über den Wärmetauscher 23 oder ohne entsprechende Heizleistungsanforderung vollständig über den Niedertemperaturkühler 22 leiten. Dabei kann ein Abgleich einer Heizleistung auf die Heizleistungsanforderung durch eine zyklische Taktung des Schaltvorganges erfolgen. Das Dreiwegeventil 21 kann aber auch so gestaltet sein, dass Zwischenstellungen angesteuert werden können, in denen der Kühlmittelstrom in zwei abstimmbare Teilströme aufgeteilt wird, die eine Heizleistung am Wärmetauscher 21 und eine Kühlleistung am Niedertemperaturkühler 22 bewirken.In the low temperature circuit 2 is a coolant circulating promotional promotional circulating pump 20 arranged downstream of which a three-way valve 21 is provided, which is the delivery side of the circulation pump 20 either with a low temperature cooler 22 the vehicle or with a cabin air flow of the vehicle heated heat exchanger 23 combines. This three-way valve 21 can be provided switching over either between these two lines and in the presence of a heating power requirement that of the circulation pump 20 delivered coolant completely over the heat exchanger 23 or completely without the corresponding heating power requirement via the low-temperature cooler 22 conduct. In this case, an adjustment of a heating power to the heating power requirement by a cyclic timing of the switching operation done. The three-way valve 21 but can also be designed so that intermediate positions can be controlled, in which the coolant flow is divided into two tunable sub-streams, which has a heat output at the heat exchanger 21 and a cooling capacity at the low temperature cooler 22 cause.

Stromab von Niedertemperaturkühler 22 und Wärmetauscher 23 münden die beiden parallelen Strömungswege an einer Verzweigung, in der wiederum in zwei parallelen Strömungsstrecken einerseits der Elektro-Antriebsmotor 24 mit der zugehörigen Leistungselektronik 25 und andererseits, über ein Ventil 26 absperrbar, ein On-Board-Lader 27 angeordnet sind. Diese beiden parallelen Leitungen münden an der Einlassseite der Umwälzpumpe 20.Downstream of low temperature coolers 22 and heat exchangers 23 the two parallel flow paths open at a junction, in turn, in two parallel flow paths on the one hand, the electric drive motor 24 with the associated power electronics 25 and on the other hand, via a valve 26 lockable, an on-board loader 27 are arranged. These two parallel lines open at the inlet side of the circulation pump 20 ,

Der Hochtemperaturkreislauf 3 weist bei einem als reines Elektrofahrzeug gestaltetem Fahrzeug nur eine Umwälzpumpe 30, einen Wärmetauscher 31 und einen Zuheizer 32 auf. Der Wärmetauscher 31 ist dabei integral mit dem Wärmetauscher 23 des Niedertemperaturkreislaufs 2 ausgeführt. Der Wärmetauscher weist somit zwei Einlässe und zwei Auslässe auf.The high temperature circuit 3 indicates in a designed as a pure electric vehicle vehicle only a circulation pump 30 , a heat exchanger 31 and a heater 32 on. The heat exchanger 31 is integral with the heat exchanger 23 of the low temperature circuit 2 executed. The heat exchanger thus has two inlets and two outlets.

Der Kältemittelkreislauf 4 weist einen Kältemittelkompressor 40 auf, der das Kältemittel im Kältemittelkreislauf fördert und zur Hochdruckseite hin verdichtet. Das bei der Verdichtung erwärmte Kältemittel wird im Kondensator 41 mittels eines Außenluftstroms abgekühlt und dann einem luftseitigen Verdampfer 42, der auf den Kabinenluftstrom wirkt und einem Chiller-Verdampfer 43, der einen Kühlmittelstrom abkühlt, zugeführt. Beide Verdampfer sind mit einem steuerbaren Expansionsventil versehen, an dem das Kältemittel zur Niederdruckseite hin entspannt wird und über das der jeweilige Kältemittelstrom steuerbar ist. So kann die Beaufschlagung und damit die Kälteleistung am luftseitigen Verdampfer 42 und am Chiller-Verdampfer 43 gesteuert werden.The refrigerant circuit 4 has a refrigerant compressor 40 on, which promotes the refrigerant in the refrigerant circuit and compressed to the high pressure side. The heated during compression refrigerant is in the condenser 41 cooled by an outside air flow and then an air side evaporator 42 acting on the cabin airflow and a chiller evaporator 43 , which cools a coolant flow supplied. Both evaporators are provided with a controllable expansion valve to which the refrigerant is expanded to the low pressure side and over which the respective refrigerant flow is controllable. So can the admission and thus the cooling capacity on the air side evaporator 42 and at the chiller-evaporator 43 to be controlled.

Des Weiteren ist ein Batteriekühlkreislauf 5 vorgesehen. Dieser kann entweder in einen anderen Kühlkreislauf, wie beispielsweise den Niedertemperaturkreislauf, integriert sein, oder auch als ein absperrbarer Teilkreislauf eines solchen Kühlkreislaufs gestaltet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein separat ausgeführter Batteriekühlkreislauf 5 vorgesehen, der eine Dauerdurchströmung von Antriebsbatterien 53 und 54 sicherstellt und nur über eine Kühlmittelausgleichsleitung und einen gemeinsamen Kühlmittelausgleichsbehälter 28 mit dem Niedertemperaturkreislauf 2 verbunden ist.Furthermore, a battery cooling circuit 5 intended. This can either be integrated into another cooling circuit, such as the low-temperature circuit, or designed as a shut-off partial circuit of such a cooling circuit. In the illustrated embodiment, a separately executed battery cooling circuit 5 provided, the a continuous flow of drive batteries 53 and 54 ensures and only via a coolant compensation line and a common coolant expansion tank 28 with the low temperature circuit 2 connected is.

Der Batteriekühlkreislauf 5 umfasst die beiden Antriebsbatterien 53 und 54 welche auf der Saugseite der Umwälzpumpe 50 angeordnet sind. Auf der Förderseite der Umwälzpumpe 50 ist eine Verzweigung vorgesehen, so dass die Umwälzpumpe 50 das Kühlmittel entweder über den Chiller-Verdampfer 43 oder aber über einen mittels eines Ventils 51 absperrbaren Batteriekühler 52 fördert, der die Wärme an einen Außenluftstrom abgibt.The battery cooling circuit 5 includes the two drive batteries 53 and 54 which on the suction side of the circulation pump 50 are arranged. On the delivery side of the circulation pump 50 a branch is provided so that the circulation pump 50 the coolant either via the chiller evaporator 43 or via a means of a valve 51 lockable battery cooler 52 promotes, which gives off the heat to an outside air stream.

Zur Konditionierung des Luftstromes der Fahrzeugkabine ist in einem in der Zeichnung nur skizzenhaft umrissenen Klimagerät der luftseitig wirkende Verdampfer 42 zum Abkühlen der Luft vorgesehen. Im Luftstrom ist stromab folgend die Niedertemperaturflut 23 und darauf folgend die Hochtemperaturflut 31 des Wärmetauschers angeordnet. Ist nun nur eine geringe Heizleistung erforderlich, kann die Konditionierung der Kabinenluft über den abkühlenden Verdampfer 42 und die von der Abwärme des Elektro-Antriebsmotors 24 und der zugehörigen Leistungselektronik 25 gespeiste Niedertemperaturflut 23 erfolgen.For conditioning of the air flow of the vehicle cabin is in an only sketchily outlined in the drawing air conditioner of the air side acting evaporator 42 intended to cool the air. Downstream in the air flow is the low temperature tide 23 and then the high temperature tide 31 arranged the heat exchanger. If only a low heat output is required, the conditioning of the cabin air via the cooling evaporator 42 and that of the waste heat of the electric drive motor 24 and the associated power electronics 25 fed low temperature tide 23 respectively.

Der Niedertemperaturkreislauf 2 führt im Fahrbetrieb Wärme am Elektro-Antriebsmotor 24 und der zugehörigen Leistungselektronik 25 und im Ladebetrieb am On-Board-Lader ab und führt sie bei Heizleistungsanforderung, die auch im Ladebetrieb beispielsweise zum Vorheizen der Kabine vorliegen kann, dem Wärmetauscher 23 zu. Sollte die Kabine ausreichend beheizt sein, wird das Kühlmittel am umgeschalteten Dreiwegeventil 21 dem Kühler 22 zugeführt.The low temperature circuit 2 When driving, it generates heat at the electric drive motor 24 and the associated power electronics 25 and in charging mode on the on-board loader and leads them in heating power requirement, which may also be present in the loading operation, for example, for preheating the cabin, the heat exchanger 23 to. If the cabin is sufficiently heated, the coolant at the switched three-way valve 21 the radiator 22 fed.

Sollte bei niedrigen Außentemperaturen ein höherer Heizbedarf in der Kabine bestehen, wird der Hochtemperaturkreislauf 3 in Betrieb genommen und die Fahrzeugkabine über den auf die Hochtemperaturflut 31 des Wärmetauschers wirkenden Zuheizer 32 aufgewärmt.Should there be a higher heating demand in the cabin at low outside temperatures, the high temperature circuit will become 3 put into operation and the vehicle cabin over the on the high temperature tide 31 the heat exchanger acting heater 32 warmed up.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004035879 A1 [0002] DE 102004035879 A1 [0002]

Claims (6)

Wärmemanagementsystem (1) eines Kraftfahrzeugs, das als Kühlmittelkreisläufe einen Niedertemperaturkreislauf (2) und einen Hochtemperaturkreislauf (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein einer Fahrzeugkabine zugeführter Luftstrom mittels beider Kreisläufe (2, 3) direkt heizbar ist.Thermal management system ( 1 ) of a motor vehicle which, as coolant circuits, is a low-temperature circuit ( 2 ) and a high-temperature circuit ( 3 ), characterized in that a vehicle cabin supplied air flow by means of both circuits ( 2 . 3 ) is directly heatable. Wärmemanagementsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wärmetauscher (23, 31) vorgesehen sind, die jeweils in einem der Kühlmittelkreisläufe (2, 3) angeordnet sind.Thermal management system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that two heat exchangers ( 23 . 31 ) are provided, each in one of the coolant circuits ( 2 . 3 ) are arranged. Wärmemanagementsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiflutiger Wärmetauscher vorgesehen ist, dessen beide Fluten (23, 31) jeweils in einem der Kühlmittelkreisläufe (2, 3) angeordnet sind.Thermal management system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a double-flow heat exchanger is provided, the two floods ( 23 . 31 ) in each case in one of the coolant circuits ( 2 . 3 ) are arranged. Wärmemanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkreislauf (3) einen Zuheizer (32) aufweist.Thermal management system ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the high-temperature circuit ( 3 ) a heater ( 32 ) having. Wärmemanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperaturkreislauf (2) einen Elektro-Antriebsmotor (24) aufweist.Thermal management system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the low-temperature circuit ( 2 ) an electric drive motor ( 24 ) having. Wärmemanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Niedertemperaturkreislauf (2) der Kühlmittelstrom zwischen einer Durchflutung des zugehörigen Wärmetauschers (23) und einem Wärme an die Umgebung abführenden Kühler (22) umschaltbar ist.Thermal management system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the low-temperature circuit ( 2 ) the flow of coolant between a flow of the associated heat exchanger ( 23 ) and a heat dissipating heat to the environment ( 22 ) is switchable.
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