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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs.
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Fahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb sind beispielsweise reine Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, wobei unter Hybridfahrzeugen im vorliegenden Zusammenhang Fahrzeuge verstanden werden sollen, die sowohl einen Verbrennungsmotor als auch wenigstens einen Elektromotor aufweisen, wobei zumindest der Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs dient, während die Brennkraftmaschine entweder ebenfalls zum Antreiben des Fahrzeugs oder nur zur Stromerzeugung, also als sogenannter „Range-Extender” dient.
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Bei derartigen Fahrzeugen kann sich das Thermomanagement extrem aufwändig gestalten, da Batterien zur Stromversorgung des Elektromotors abhängig von ihrer Leistungsabgabe gekühlt werden müssen. Ebenso müssen der Elektromotor sowie eine Leistungselektronik, wie zum Beispiel ein Umrichter, gekühlt werden, wobei unterschiedliche Temperaturniveaus beim Elektromotor einerseits und bei den Batterien andererseits wünschenswert sind, da eine Batterie bei zu niedrigen Temperaturen nur eine stark reduzierte Leistung bereitstellen kann. Ferner ist für den Komfort des Fahrzeugführers sowie gegebenenfalls vorhandener Passagiere eine Klimatisierung eines Fahrgastraumes des Fahrzeugs vorzusehen, so dass je nach Umgebungstemperaturen eine Heizung oder Kühlung des Fahrgastraumes erforderlich ist.
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Grundsätzlich ist es möglich, die verschiedenen Einheiten des Fahrzeugs, die gekühlt bzw. erwärmt werden müssen, mit separaten Kühl- bzw. Heizeinrichtungen, insbesondere mit separaten Kühl- bzw. Heizkreisen auszustatten. Zum einen ist hierfür der apparative Aufwand vergleichsweise groß. Zum anderen ist der energetische Aufwand ebenfalls verhältnismäßig groß. Insbesondere kann es zu Betriebszuständen kommen, bei denen zumindest eine Einheit gekühlt werden muss, während gleichzeitig zumindest eine andere Einheit erwärmt werden muss. Um hier den energetischen Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern, ist es zweckmäßig, die unterschiedlichen Kühl- und Heizkreise bzw. Kühl- und Heizsysteme miteinander zukoppeln, um Wärme innerhalb der Systeme austauschen und innerhalb des Fahrzeugs verschieben zu können.
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Beispielsweise ist es aus der
DE 10 2009 048 674 A1 bekannt, bei einem Fahrzeug mit Elektromotor einen Kältemittelkreis mit einem Heizungskreis wärmeübertragend zu koppeln, indem die beiden Kreise jeweils über einen separaten Wärmetauscher in einen Kühlmittelkreis eingebunden sind, so dass der Kühlmittelkreis die Wärme vom Kältemittelkreis zum Heizungskreis transportiert. Der Heizungskreis enthält einen weiteren Wärmetauscher zum Beheizen von Zuluft, den dem Fahrgastraum zugeführt wird. Der Kältemittelkreis enthält einen weiteren Wärmetauscher zum Kühlen von Abluft, die vom Fahrgastraum abgeführt wird. Der Kühlmittelkreis dient zum Kühlen des Elektromotors sowie einer Leistungselektronik. Der Kältemittelkreis kann außerdem zum Kühlen der Batterie verwendet werden. Außerdem kann ein gemeinsamer Wärmespeicher für den Heizungskreis und den Kältemittelkreis vorgesehen sein.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Fahrzeug der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen vergleichsweise hohen energetischen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem insbesondere durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Niedertemperatur-Kühlkreis, der zum Kühlen einer Batterieanordnung zur Stromversorgung des wenigstens einen Elektromotors des Fahrzeugs dient, fluidisch mit einem Klimakreis zu koppeln, der zur Klimatisierung von dem Fahrgastraum zuzuführende Zuluft dient. Außerdem wird vorgeschlagen, den Niedertemperatur-Kühlkreis wärmeübertragend, also fluidisch getrennt mit einem Koppelkreis zu koppeln, der seinerseits wärmeübertragend, also fluidisch getrennt mit dem Klimakreis gekoppelt ist. Hierdurch ist es möglich, Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreis auf den Klimakreis zu übertragen, entweder direkt über die fluidische Kopplung oder vorzugsweise indirekt über den Koppelkreis. Außerdem ist es möglich, Wärme aus dem Klimakreis über den Niedertemperatur-Kühlkreis abzuführen.
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Im Einzelnen schlägt die Erfindung vor, den Klimakreis mit einer Klima-Fördereinrichtung zum Antreiben eines Klima-Wärmeübertragermediums im Klimakreis, mit einem ersten Klimawärmetauscher zum wärmeübertragenden Koppeln des Klima-Wärmeübertragermediums mit der Zuluft und mit einem zweiten Klimawärmetauscher auszustatten. Ferner ist der Niedertemperatur-Kühlkreis mit einer Niedertemperatur-Fördereinrichtung zum Antreiben eines Niedertemperatur-Kühlmediums im Niedertemperatur-Kühlkreis und mit einem Niedertemperatur-Kühler zum wärmeübertragenden Koppeln des Niedertemperatur-Kühlmittels mit einem Kühlluftstrom ausgestattet. Schließlich ist der Koppelkreis mit einer Koppel-Fördereinrichtung zum Antreiben eines Koppel-Wärmeübertragermediums im Koppelkreis, mit einem ersten Koppelwärmetauscher zum wärmeübertragenden Koppeln des Koppel-Wärmeübertragermediums mit der Zuluft, und mit einem zweiten Koppel-Wärmetauscher ausgestattet, wobei der Koppelkreis außerdem mit dem zweiten Klima-Wärmetauscher zum wärmeübertragenden Koppeln des Koppel-Wärmeübertragermediums mit dem Klima-Wärmeübertragermedium gekoppelt ist. Die wärmeübertragende Kopplung zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreis und dem Koppelkreis wird beim hier vorgestellten Fahrzeug mit Hilfe einer ersten Verbindungsleitung geschaffen, die einen Niedertemperatur-Vorlauf des Niedertemperatur-Kühlkreises, der vom Niedertemperatur-Kühler zur Batterieanordnung führt, mit einem Niedertemperatur-Rücklauf des Niedertemperatur-Kühlkreises fluidisch verbindet, der von der Batterieanordnung zum Niedertemperatur-Kühler führt. In diese erste Verbindungsleitung ist der zweite Koppel-Wärmetauscher zum wärmeübertragenden Koppeln des Niedertemperatur-Kühlmediums mit dem Koppel-Wärmeübertragermedium angeordnet. Auf diese Weise wird eine mediengetrennte Wärmeübertragung zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreis und dem Koppelkreis ermöglicht. Die fluidische Kopplung zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreis und dem Klimakreis erfolgt mit Hilfe einer zweiten Verbindungsleitung und einer dritten Verbindungsleitung. Die zweite Verbindungsleitung verbindet den Niedertemperatur-Vorlauf fluidisch mit einem Klima-Vorlauf des Klima-Kreises, der vom ersten Klima-Wärmetauscher zum zweiten Klima-Wärmetauscher führt. Die dritte Verbindungsleitung verbindet fluidisch den Niedertemperatur-Rücklauf mit einem Klima-Rücklauf des Klimakreises, der vom zweiten Klima-Wärmetauscher zum ersten Klima-Wärmetauscher führt.
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Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei welcher der Koppelkreis als Wärmepumpenkreis ausgestaltet ist. In diesem Fall dient der erste Koppel-Wärmetauscher als Verdampfer, die Koppel-Fördereinrichtung dient dann als Kompressor und der zweite Klima-Wärmetauscher dient dann als Kondensator. Zwischen dem Kondensator, also dem zweiten Klima-Wärmetauscher und dem Verdampfer, also dem ersten Koppel-Wärmetauscher ist im Koppelkreis dann zumindest eine Expansionseinrichtung, zweckmäßig ein Expansionsventil angeordnet. Optional kann außerdem der zweite Koppel-Wärmetauscher ebenfalls als Verdampfer ausgestaltet sein, dem ebenfalls ein Expansionsventil vorgeschaltet sein kann. Durch die Ausgestaltung des Koppelkreises als Wärmepumpenkreis, lässt sich beispielsweise die Wärme vom Niedertemperatur-Kühlkreis besonders effizient auf den Klimakreis übertragen, da über die Kompression im Koppelkreis eine Temperaturerhöhung realisierbar ist, was die Wärmemenge im geförderten Volumenstrom des Koppel-Wärmeübertragermediums erheblich vergrößert. Außerdem kann Abwärme, die beim Komprimieren des Koppel-Wärmeübertragermediums in der Koppel-Fördereinrichtung entsteht, über das Koppel-Wärmeübertragermedium mithilfe des zweiten Klima-Wärmetauschers vergleichsweise direkt auf den Klima-Kreis übertragen werden. Die beiden Verdampfer, also der erste Koppel-Wärmeübertrager und der zweite Koppel-Wärmeübertrager unterscheiden sich in ihrem Aufbau dabei durch eine entsprechende Adaption an den Aggregatzustand des Wärme zuführenden Mediums. Im ersten Koppel-Wärmeübertrager wird die Wärme über die gasförmige Zuluft zugeführt, während sie im zweiten Koppel-Wärmeübertrager über das flüssige Niedertemperatur-Kühlmedium zugeführt wird.
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Optional kann das Fahrzeug außerdem mit einem Hochtemperatur-Kühlkreis ausgestattet werden, mit dessen Hilfe wenigstens eine elektrische Komponente des Fahrzeugs, die sich von der Batterieanordnung unterscheidet, gekühlt werden kann. Dabei befindet sich der Hochtemperatur-Kühlkreis auf einem höheren Temperaturniveau als der Niedertemperatur-Kühlkreis. Elektrische Komponenten, die mit Hilfe des Hochtemperatur-Kühlkreises gekühlt werden können, sind beispielsweise der jeweilige Elektromotor, der zum Antreiben des Fahrzeugs dient, sowie eine zugehörige Leistungselektronik, insbesondere ein Umrichter. Ein derartiger Hochtemperatur-Kühlkreis kann eine Hochtemperatur-Fördereinrichtung zum Antreiben eines Hochtemperatur-Kühlmediums im Hochtemperatur-Kühlkreis aufweisen. Ebenso kann im Hochtemperatur-Kühlkreis ein Hochtemperatur-Kühler zum wärmeübertragenden Koppeln des Hochtemperatur-Kühlmittels mit einem Kühlluftstrom eingebunden sein.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der erste Koppel-Wärmetauscher mit dem zweiten Koppel-Wärmetauscher im Koppel-Kreis parallel geschaltet sein, wobei die beiden Koppel-Wärmetauscher mittels einer Koppel-Ventilanordnung wahlweise alternativ oder kumulativ vom Koppel-Wärmeübertragermedium durchströmbar sind. Je nach Betriebszustand ist es somit möglich, das Koppel-Wärmeübertragermedium entweder ausschließlich durch den ersten Koppel-Wärmetauscher oder ausschließlich durch den zweiten Koppel-Wärmetauscher oder mit beliebiger Aufteilung sowohl durch den ersten Koppel-Wärmetauscher als auch durch den zweiten Koppel-Wärmetauscher zu führen.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein elektrischer Zuheizer zum Beheizen des Niedertemperatur-Kühlmittels vorgesehen sein. Hierdurch ist es möglich, die Batterieanordnung auf eine gewünschte Betriebstemperatur aufzuheizen. Dies kann insbesondere während eines stationären Ladevorgangs mit Hilfe einer externen Stromquelle durchgeführt werden. Da die Batterieanordnung eine vergleichsweise große thermische Masse besitzt, lässt sich die Batterieanordnung gleichzeitig als Wärmespeicher nutzen.
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Ein derartiger elektrischer Zuheizer kann beispielsweise im Niedertemperatur-Vorlauf angeordnet sein, wodurch eine direkte Beheizung des Niedertemperatur-Kühlkreises möglich ist.
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Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, einen solchen elektrischen Zuheizer im Klima-Kreis anzuordnen, vorzugsweise im Klima-Rücklauf. Hierdurch ist es bedarfsabhängig möglich, den Klima-Kreis bzw. das Klima-Wärmeübertragermedium zu beheizen. Da jedoch der Klima-Kreis und der Niedertemperatur-Kreis fluidisch miteinander gekoppelt sind, handelt es sich um dasselbe Medium, so dass über die Beheizung des Klima-Wärmeübertragermediums automatisch auch das Niedertemperatur-Kühlmedium beheizt wird.
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Ferner ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform möglich, einen solchen elektrischen Zuheizer in der ersten Verbindungsleitung anzuordnen. Da die erste Verbindungsleitung ebenfalls vom Niedertemperatur-Kühlmedium durchströmt ist, kann auch mit Hilfe dieser Anordnung das Niedertemperatur-Kühlmedium aufgeheizt werden. Zweckmäßig ist der elektrische Zuheizer gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dabei zwischen dem zweiten Koppel-Wärmetauscher und dem Niedertemperatur-Rücklauf in der ersten Verbindungsleitung angeordnet.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher nur ein einziger Zuheizer vorhanden ist, der dann bevorzugt in der ersten Verbindungsleitung angeordnet ist. Hierdurch reduziert sich der apparative Aufwand. Bei einer entsprechenden Anordnung bzw. Verschaltung der Verbindungsleitungen ist es darüber hinaus möglich, mit Hilfe des einzigen Zuheizers einerseits die gewünschte Aufheizung des Niedertemperatur-Kühlkreises und andererseits bedarfsabhängig eine Zuheizung des Klima-Kreises zu bewirken. Insbesondere kann hierzu die dritte Verbindungsleitung stromab der ersten Verbindungsleitung an den Niedertemperatur-Rücklauf angeschlossen sein, während gleichzeitig die zweite Verbindungsleitung stromauf der ersten Verbindungsleitung an den Niedertemperatur-Vorlauf angeschlossen ist. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall die Kombination mit dem zuvor genannten Wärmepumpenkreis, da in diesem Fall der Zuheizer kleiner dimensioniert werden kann als bei einer Anordnung im Klima-Kreis. Die fehlende Temperaturdifferenz wird in diesem Fall durch die Kompression des verdampften Klima-Wärmeübertragermediums und die Abwärme des Kompressors, also der Koppel-Fördereinrichtung bereitgestellt.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Klima-Kreis eine Klima-Ventilanordnung aufweist, über die die zweite Verbindungsleitung an den Klima-Vorlauf angeschlossen ist. Somit lässt sich insbesondere bedarfsabhängig der Niedertemperatur-Kühlkreis fluidisch mit dem Klima-Kreis koppeln. Zusätzlich oder alternativ kann der Niedertemperatur-Kühlkreis eine Niedertemperatur-Ventilanordnung aufweisen, über die die erste Verbindungsleitung an den Niedertemperatur-Rücklauf angeschlossen ist. Somit lässt sich über die Niedertemperatur-Ventilanordnung die fluidische Kopplung zwischen Niedertemperatur-Rücklauf und Niedertemperatur-Vorlauf steuern. Die erste Verbindungsleitung schafft dabei einen Bypass innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreises zur Umgehung des Niedertemperatur-Kühlers.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie den jeweiligen Zuheizer zum Beheizen des Niedertemperatur-Kühlkreises auf eine vorbestimmte Temperatur ansteuert ein Ladevorgang zum Aufladen der Batterieanordnung stattfindet, bei dem das Fahrzeug an eine externe Stromquelle angeschlossen ist. Während dieses Ladevorgangs wird somit nicht nur die Batterieanordnung aufgeladen, vielmehr wird dabei gleichzeitig über eine entsprechende Betätigung der jeweils erforderlichen Fördereinrichtung sowie des jeweiligen Zuheizers gleichzeitig eine thermische Aufladung des Niedertemperatur-Kühlkreises realisiert, wobei die große thermische Masse der Batterieanordnung als Wärmespeicher genutzt wird.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform, die zusätzlich oder alternativ zu vorgenannten Ausführungsformen realisierbar ist, kann diese Steuereinrichtung oder eine andere Steuereinrichtung so ausgestaltet und/oder programmiert sein, dass sie die Ventilanordnungen zum Übertragen von Wärme vom Niedertemperatur-Kühlkreis über den Koppel-Kreis auf den Klima-Kreis ansteuert, falls die Zuluft beheizt werden soll, und zum Übertragen von Wärme vom Klima-Kreis auf den Niedertemperatur-Kühlkreis ansteuert, falls die Zuluft gekühlt werden soll.
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Bei einer besonderen Weiterbildung kann nun vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung so programmiert und/oder ausgestaltet ist, dass zum Beheizen der Zuluft das Niedertemperatur-Kühlmedium vom Niedertemperatur-Rücklauf durch die erste Verbindungsleitung und somit durch den zweiten Koppel-Wärmetauscher zum Niedertemperatur-Vorlauf geführt ist, so dass der zweite Koppel-Wärmetauscher Wärme vom Niedertemperatur-Kühlmedium auf das Koppel-Wärmeübertragermedium überträgt, wobei das Koppel-Wärmeübertragermedium vom zweiten Koppel-Wärmetauscher zum zweiten Klima-Wärmetauscher und zurück zum zweiten zweiten Koppel-Wärmetauscher geführt ist, so dass der zweite Klima-Wärmetauscher Wärme vom Koppel-Wärmeübertragermedium auf das Klima-Wärmeübertragermedium überträgt und der erste Klima-Wärmetauscher Wärme vom Klima-Wärmeübertragermedium auf die Zuluft überträgt. Durch diese Betriebsweise kann der Fahrzeuginnenraum oder Fahrgastraum mit Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreis beheizt werden. Gleichzeitig kann dadurch auch eine Kühlung des Niedertemperatur-Kühlmediums realisiert werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann bei einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung so programmiert und/oder ausgestaltet ist, dass zum Kühlen der Zuluft das Klima-Wärmeübertragermedium vom Klima-Rücklauf durch die dritte Verbindungsleitung, über den Niedertemperatur-Rücklauf durch den Niedertemperatur-Kühler, über den Niedertemperatur-Vorlauf in die zweite Verbindungsleitung und durch diese in den Klima-Vorlauf geführt ist, so dass der zweite Klima-Wärmetauscher Wärme vom Koppel-Wärmeübertragermedium auf das Klima-Wärmeübertragermedium überträgt und der Niedertemperatur-Kühler Wärme vom Klima-Wärmeübertragermedium an den Kühlluftstrom überträgt, wobei das Koppel-Wärmeübertragermedium vom zweiten Klima-Wärmetauscher durch den ersten Koppel-Wärmetauscher geführt ist, so dass der erste Koppel-Wärmetauscher Wärme von der Zuluft auf das Koppel-Wärmeübertragermedium überträgt.
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Bevorzugt ist jedoch, wie weiter oben bereits erwähnt, eine Ausführungsform, bei der eine Steuereinrichtung so programmiert und/oder ausgestaltet ist, dass sie de Koppel-Kreis als Wärmepumpenkreis ansteuert dass der erste Koppel-Wärmetauscher mittels der Zuluft und/oder der zweite Koppel-Wärmetauscher mittels des Niedertemperatur-Kühlmediums das Koppel-Wärmeübertragermedium verdampft, dass die Koppel-Fördereinrichtung das Koppel-Wärmeübertragermedium überhitzt, also über seine Verdampfungstemperatur erhitzt und dass der zweite Klima-Wärmetauscher mittels des Klima-Wärmeübertragermediums das Koppel-Wärmeübertragermedium kondensiert. Gleichzeitig kann die dabei entstehende Abwärme der Koppel-Fördereinrichtung in das Koppel-Wärmeübertragermedium eingebracht werden.
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Mit Hilfe der jeweiligen Steuereinrichtung werden somit Betriebsverfahren realisiert, die im Hinblick auf das Thermomanagement einen vorteilhaften Betrieb des Fahrzeugs ermöglichen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 und 2 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs bei verschiedenen Ausführungsformen.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Fahrzeug 1 zumindest einen Elektromotor 2 zum Antreiben des Fahrzeugs, eine Batterieanordnung 3 zur Stromversorgung des wenigstens einen Elektromotors 2 und eine Leistungselektronik 4, insbesondere einen Umrichter, zur Steuerung der Stromversorgung des Elektromotors 2. Entsprechende Stromversorgungsleitungen sind hier zur Vereinfachung nicht dargestellt.
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Der Elektromotor 2 kann in üblicher Weise einen Antriebsstrang des Fahrzeugs 1 antreiben. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, den Elektromotor 2 als Rad- oder Nabenmotor zu konfigurieren, so dass er unmittelbar ein Rad des Fahrzeugs 1 antreibt. Grundsätzlich können mehrere derartige Radmotoren vorgesehen sein, insbesondere um jedes Fahrzeugrad individuell antreiben zu können.
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Das Fahrzeug 1 enthält außerdem in üblicher Weise einen Fahrgastraum 5, dem mit Hilfe eines entsprechenden, hier nicht dargestellten Gebläses Zuluft 6 zugeführt werden kann, die hier durch einen Pfeil angedeutet ist.
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Das Fahrzeug 1 umfasst außerdem einen Klima-Kreis 7 zur Klimatisierung der Zuluft 6. In diesem Klima-Kreis 7 sind eine Klima-Fördereinrichtung 8 zum Antreiben eines Klima-Wärmeübertragermediums im Klima-Kreis 7, ein erster Klima-Wärmetauscher 9 zum wärmeübertragenden Koppeln des Klima-Wärmeübertragermediums mit der Zuluft 6 und ein zweiter Klima-Wärmetauscher 10 eingebunden. Ein Klima-Vorlauf 11 des Klima-Kreises 7 führt vom ersten Klima-Wärmetauscher 9 zum zweiten Klima-Wärmetauscher 10. Ein Klima-Rücklauf 12 des Klima-Kreises 7 führt vom zweiten Klima-Wärmetauscher 10 zum ersten Klima-Wärmetauscher 9.
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Das Fahrzeug 1 ist außerdem mit einem Niedertemperatur-Kühlkreis 13 ausgestattet, der zum Kühlen der Batterieanordnung 3 dient. In dem Niedertemperatur-Kühlkreis 13 sind eine Niedertemperatur-Fördereinrichtung 14 zum Antreiben eines Niedertemperatur-Kühlmediums im Niedertemperatur-Kühlkreis 13 und ein Niedertemperatur-Kühler 15 eingebunden, der zum wärmeübertragenden Koppeln des Niedertemperatur-Kühlmediums mit einem Kühlluftstrom 16 dient, der in den 1 und 2 durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Kühlluftstrom 16 kann im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 durch den Fahrtwind erzeugt werden. Zusätzlich kann der Kühlluftstrom 16 mit Hilfe eines Gebläses 17 erzeugt bzw. verstärkt werden. Der Niedertemperatur-Kühlkreis 13 umfasst einen Niedertemperatur-Vorlauf 18, der vom Niedertemperatur-Kühler 15 zur Batterieanordnung 3 führt, und einen Niedertemperatur-Rücklauf 19, der von der Batterieanordnung 3 zum Niedertemperatur-Kühler 15 führt.
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Bei den hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Fahrzeug 1 außerdem einen Hochtemperatur-Kühlkreis 20, der zum Kühlen wenigstens einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs 1 dient. In den gezeigten Beispielen dient der Hochtemperatur-Kühlkreis 20 zum Kühlen des Elektromotors 2 und der Leistungselektronik 4. Der Hochtemperatur-Kühlkreis 20 enthält eine Hochtemperatur-Fördereinrichtung 21 zum Antreiben eines Hochtemperatur-Kühlmediums und einen Hochtemperatur-Kühler 22 zum wärmeübertragenden Koppeln des Hochtemperatur-Kühlmediums mit dem Kühlluftstrom 16.
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Das Fahrzeug 1 ist außerdem mit einem Koppelkreis 23 ausgestattet, der eine fluidisch getrennte, jedoch wärmeübertragende Kopplung zwischen dem Niedertemperatur-Kühlkreis 13 und dem Klima-Kreis 7 ermöglicht. Ferner kann mit Hilfe des Koppelkreises 23 dem Klima-Kreis 7 Wärme entzogen werden. Der Koppel-Kreis 23 enthält eine Koppel-Fördereinrichtung 24 zum Antreiben eines Koppel-Wärmeübertragermediums im Koppelkreis 23. Ferner enthält der Koppel-Kreis 23 einen ersten Koppel-Wärmetauscher 25 zum wärmeübertragenden Koppeln des Koppel-Wärmeübertragermediums mit der Zuluft 6 und einen zweiten Koppel-Wärmetauscher 26. Des Weiteren ist auch der zweite Klima-Wärmetauscher 10 in den Koppel-Kreis 23 eingebunden, wodurch eine wärmeübertragende Kopplung des Koppel-Wärmeübertragermediums mit dem Klima-Wärmeübertragermedium ermöglicht wird.
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Der Niedertemperatur-Kühlkreis 13 ist außerdem mit einer ersten Verbindungsleitung 27 ausgestattet, die über eine Anbindungsstelle 28 an den Niedertemperatur-Vorlauf 18 und über eine Anbindungsstelle 29 an den Niedertemperatur-Rücklauf 19 angeschlossen ist, so dass die erste Verbindungsleitung 27 den Niedertemperatur-Rücklauf 19 mit dem Niedertemperatur-Vorlauf 18 fluidisch verbindet. Insoweit bildet die erste Verbindungsleitung 27 einen Bypass zur Umgehung des Niedertemperatur-Kühlers 15. In diese erste Verbindungsleitung 27 ist außerdem der zweite Koppel-Wärmetauscher 26 eingebunden, so dass darin eine wärmeübertragende Kopplung des Niedertemperatur-Kühlmediums mit dem Koppel-Wärmeübertragermedium erfolgen kann.
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Der Niedertemperatur-Kühlkreis 13 ist außerdem mit einer zweiten Verbindungsleitung 30 ausgestattet, die über eine Anbindungsstelle 31 an den Niedertemperatur-Vorlauf 18 und über eine Anbindungsstelle 32 an den Klima-Vorlauf 11 angeschlossen ist, so dass die zweite Verbindungsleitung 30 eine fluidische Verbindung des Niedertemperatur-Vorlaufs 18 mit dem Klima-Vorlauf 11 schafft. Die Anbindungsstelle 31 der zweiten Verbindungsleitung 30 ist dabei stromauf der Anbindungsstelle 28 der ersten Verbindungsleitung 27 an den Niedertemperatur-Vorlauf 18 angeschlossen.
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Der Niedertemperatur-Kühlkreis 13 umfasst ferner eine dritte Verbindungsleitung 33, die über eine Anbindungsstelle 34 an den Niedertemperatur-Rücklauf 19 und über eine Anbindungsstelle 35 an den Klima-Rücklauf 12 angeschlossen ist, so dass die dritte Verbindungsleitung 33 den Niedertemperatur-Rücklauf 19 mit dem Klima-Rücklauf 12 fluidisch verbindet. Dabei ist die Anbindungsstelle 34 der dritten Verbindungsleitung 33 stromab der Anbindungsstelle 29 der ersten Verbindungsleitung 27 am Niedertemperatur-Rücklauf 19 angeordnet.
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Im Koppel-Kreis 23 sind die beiden Koppel-Wärmetauscher 25, 26 parallel geschaltet und mit einer Koppel-Ventilanordnung 36 steuerbar, die ein dem ersten Koppel-Wärmetauscher 25 zugeordnetes erstes Koppel-Ventil 37 und ein dem zweiten Koppel-Wärmetauscher 26 zugeordnetes zweites Koppel-Ventil 38 umfasst. Mit Hilfe der Koppel-Ventilanordnung 36 lassen sich die beiden Koppel-Wärmetauscher 25, 26 wahlweise alternativ oder kumulativ vom Koppel-Wärmeübertragermedium durchströmen.
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Die Anbindungsstelle 32 der zweiten Verbindungsleitung 30 ist mit Hilfe einer Klima-Ventilanordnung 39 realisiert, wodurch die fluidische Verbindung zwischen der zweiten Verbindungsleitung 30 und dem Klima-Vorlauf 11 steuerbar ist. Die Anbindungsstelle 29 der ersten Verbindungsleitung 27 ist mit Hilfe einer Niedertemperatur-Ventilanordnung 40 realisiert die fluidische Kopplung der ersten Verbindungsleitung 27 mit dem Niedertemperatur-Rücklauf 19 steuerbar ist.
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Erkennbar sind hier der Niedertemperatur-Kühler 15 und der Hochtemperatur-Kühler 22 so hintereinander angeordnet, dass der gleiche Kühlluftstrom 16 durch alle zwei Bauteile hindurch geführt ist. Erkennbar sind hier außerdem der erste-Koppelwärmetauscher 25 und der erste Klima-Wärmetauscher 9 so hintereinander angeordnet, dass der gleiche Strom an Zuluft 6 durch alle zwei Bauteile hindurch geführt ist.
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Beim hier vorgestellten Fahrzeug 1 ist außerdem zumindest ein elektrischer Zuheizer 41 vorgesehen, mit dessen Hilfe direkt oder indirekt das Niedertemperatur-Kühlmittel beheizt werden kann. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind zwei elektrische Zuheizer 41 vorgesehen. Ein erster elektrischer Zuheizer 41 befindet sich dabei im Niedertemperatur-Vorlauf 18 stromauf der Niedertemperatur-Fördereinrichtung 14. Ein zweiter elektrischer Zuheizer 41 befindet sich im Klima-Kreis 7, und zwar im Klima-Rücklauf 12.
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Im Unterschied dazu zeigt 2 eine bevorzugte Ausführungsform, bei der nur ein einziger elektrischer Zuheizer 41 vorgesehen ist, der in der ersten Verbindungsleitung 27 angeordnet ist, und zwar zwischen dem zweiten Koppel-Wärmetauscher 26 und dem Niedertemperatur-Rücklauf 19. Stromversorgungsleitungen von der Batterieanordnung 3 zum jeweiligen elektrischen Zuheizer 41 sind hier zur Wahrung der Übersichtlichkeit ebenso wenig dargestellt wie Stromleitungen zur Energieversorgung der einzelnen Fördereinrichtungen 8, 14, 21, 24. Ebenso wenig ist eine Stromversorgungsleitung zur Versorgung des Gebläses 17 mit Strom dargestellt.
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Das Fahrzeug 1 kann außerdem mit einer Steuereinrichtung 42 ausgestattet sein, die auf geeignete Weise mit mehreren, vorzugsweise mit sämtlichen elektrischen Komponenten der Kreise verbunden ist, um diese betätigen bzw. ansteuern zu können. Entsprechende Steuerleitungen, die beispielsweise von der jeweiligen Steuereinrichtung 42 zu den Fördereinrichtungen 8, 14, 21, 24 sowie zu den Ventilanordnungen 36, 39, 40 führen, sind hier jedoch nicht dargestellt. Ebenso wenig sind Steuerleitungen zum Betätigen der Zuheizer 41 dargestellt.
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Die jeweilige Steuereinrichtung 42 kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie die jeweiligen Zuheizer 41 dann zum Beheizen des Niedertemperatur-Kühlkreises 13 auf eine vorbestimmte Temperatur ansteuert, wenn das Fahrzeug 1 während eines Ladevorgangs zum Aufladen der Batterieanordnung 3 an eine externe Stromquelle angeschlossen ist. Insbesondere wird dann auch die Niedertemperatur-Fördereinrichtung 14 zum Antreiben des Niedertemperatur-Kühlmediums angesteuert. Auf diese Weise kann die Batterieanordnung 3 während des Ladevorgangs gleichzeitig auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden, wodurch die Batterieanordnung 3 als Wärmespeicher genutzt werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung 42 auch so ausgestaltet sein, dass sie über eine entsprechende Ansteuerung der Ventilanordnungen 36, 39, 40 eine Wärmeübertragung vom Niedertemperatur-Kühlkreis 13 über den Koppel-Kreis 23 auf den Klima-Kreis 7 ermöglicht, falls die Zuluft 6 beheizt werden soll. Ebenso kann über eine entsprechende Ansteuerung der Ventilanordnungen 36, 39, 40 eine Übertragung von Wärme vom Klima-Kreis 7 auf den Niedertemperatur-Kreis 13 realisiert werden, falls die Zuluft 6 gekühlt werden soll.
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Der Koppel-Kreis 23 kann als Wärmepumpenkreis ausgestaltet sein. In diesem Fall ist zumindest der erste Koppel-Wärmetauscher 25 als Verdampfer konzipiert, während der zweite Klima-Wärmetauscher 10 dann als Kondensator konzipiert ist. Die Koppel-Fördereinrichtung 24 arbeitet dabei als Kompressor. Zusätzlich kann auch der zweite Koppel-Wärmetauscher 26 als Verdampfer ausgestaltet sein. Falls nun Wärme vom Niedertemperatur-Kühlkreis 13 auf den Klima-Kreis 7 übertragen werden soll, wird die erste Verbindungsleitung 27, die als Bypass zur Umgehung des Niedertemperatur-Kühlers 15 dient, über eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperatur-Ventilanordnung 40 mehr oder weniger geöffnet, so dass das Niedertemperatur-Kühlmedium durch die erste Verbindungsleitung 27 vom Niedertemperatur-Rücklauf 19 zum Niedertemperatur-Vorlauf 18 strömt und dabei durch den zweiten Koppel-Wärmetauscher 26 geführt ist. Dabei kann es zu einem Verdampfen des Koppel-Wärmeübertragermediums kommen. Durch Komprimieren des verdampften Koppel-Wärmeübertragermediums in der Koppel-Fördereinrichtung 24 kann die Temperatur des Koppel-Wärmeübertragermediums nochmals erhöht werden, wodurch die Effizienz des zweiten Klima-Wärmetauschers 10 erhöht wird und die Wärmeabgabe an das Klima-Wärmeübertragermedium verbessert ist.
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Falls jedoch dem Klima-Kühlkreis 7 Wärme entzogen werden soll, kann der Koppel-Kreis 23 als Kühl-Kreis betrieben werden, so dass Wärme über den ersten Koppel-Wärmetauscher 25 der Zuluft 6 entzogen werden kann. Das dabei erwärmte Koppel-Wärmeübertragermedium kann dann im zweiten Klima-Wärmetauscher 10 Wärme an das Klima-Wärmeübertragermedium übergeben. Das Klima-Wärmeübertragermedium wird in diesem Fall stromab des zweiten Klima-Wärmetauschers 10 über den Klima-Rücklauf 12 und die dritte Verbindungsleitung 33 in den Niedertemperatur-Rücklauf 19 geleitet und durch den Niedertemperatur-Kühler 15 hindurchgeführt. Auf diese Weise kann Wärme vom Niedertemperatur-Kühlmedium, respektive vom Klima-Wärmeübertragermedium an den Kühlluftstrom 16 übertragen werden. Anschließend gelangt das gekühlte Niedertemperatur-Kühlmedium, also das Klima-Wärmeübertragermedium über den Niedertemperatur-Vorlauf 18 in die zweite Verbindungsleitung 30 und in den Klima-Vorlauf 11 und somit zurück zum zweiten Klima-Wärmetauscher 10.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung somit ein Fahrzeug 1 mit wenigstens einem Elektromotor 2, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit einem Fahrgastraum 5, mit einem Klima-Kreis 7 zur Klimatisierung von dem Fahrgastraum 5 zuzuführender Zuluft 6, mit einem Niedertemperatur-Kühlkreis 13 zum Kühlen einer Batterieanordnung 3 zur Stromversorgung des wenigstens einen Elektromotors 2, mit einem Koppel-Kreis 23, in den ein Klima-Wärmetauscher 10 zum wärmeübertragenden Koppeln des Koppel-Wärmeübertragermediums mit dem Klima-Wärmeübertragermedium eingebunden ist, mit einer ersten Verbindungsleitung 27 zum fluidischen Verbinden eines Niedertemperatur-Vorlaufs 18 des Niedertemperatur-Kühlkreises 13 mit einem Niedertemperatur-Rücklauf 19 des Niedertemperatur-Kühlkreises 13, in die ein Koppel-Wärmetauscher 26 zum wärmeübertragenden Koppeln des Niedertemperatur-Kühlmediums mit dem Koppel-Wärmeübertragermedium eingebunden ist, mit einer zweiten Verbindungsleitung 30 zum fluidischen Verbinden des Niedertemperatur-Vorlaufs 18 mit einem Klima-Vorlauf 11 des Klima-Kreises 7, mit einer dritten Verbindungsleitung 33 zum fluidischen Verbinden des Niedertemperatur-Rücklaufs 19 mit einem Klima-Rücklauf 12 des Klima-Kreises 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048674 A1 [0005]
