-
Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem eines Kraftfahrzeugs und ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben eines Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs.
-
Aus dem Stand der Technik sind Thermomanagementsysteme für Elektrofahrzeuge bekannt, welche zur Temperierung der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs und der Zuluft in den Fahrzeuginnenraum eingesetzt werden. Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb benötigen zur Konditionierung und Temperierung eines Energiespeichers für den elektrischen Antrieb eine Kühlvorrichtung. In der Regel ist der Energiespeicher als Hochvoltbatterie ausgeführt, welche auch als Akku bezeichnet wird. Die Kühlung des Energiespeichers kann auf passive Weise, aber auch aktiv geschehen. Die Wärmesenken stellen dabei die die Batterie umströmende Luft oder ein Wasser-Glykol-Gemisch bzw. Kältemittel dar. Bei der passiven Kühlung wird die in der Wärmesenke gebundene Wärme entweder mit Umgebungsluft oder mit einem zirkulierenden Wasser-Glykol-Gemisch gekühlt, welches im Wärmeaustausch zur Umgebung steht. Diese Wärmesenke steht kostenfrei zur Verfügung bzw. es ist kein technischer Aufwand zu betreiben, diese auf Betriebstemperatur zu konditionieren. Im Gegensatz dazu ist bei der aktiven Kühlung eine Wärmesenke über ein Zusatzsystem zu konditionieren. In der Regel ist das ein Kältekreis. Dieser bindet die in der Batterie entstehende Wärme und überträgt sie über den Kälteprozess an die Umgebung. Vorteil dieser Methodik ist die Realisierbarkeit einer Komponentenkühlung auch bei hoher Umgebungstemperatur aufgrund des großen vorliegenden und/oder einstellbaren Temperaturgefälles und eine Kühlung der Batterie unter Umgebungstemperaturniveau. Eine solche aktive Batteriekühlung wird aktuell auf drei Weisen umgesetzt. Bei einer ersten Ausführung kühlt der Kältekreis Luft, welche die Batterie kühlt. Bei einer zweiten Ausführung kühlt der Kältekreis ein Wasser-Glykol-Gemisch, welches die Batterie kühlt. Bei einer dritten Ausführung kühlt der Kältekreis die Batterie direkt. Ein solcher aktiver Kühlprozess geht immer zu Lasten der Batteriekapazität, da zum Betrieb eines elektrischen Verdichters stets auf die Energiereserven der Batterie zurückgegriffen werden muss, so dass der Kühlprozess nicht energetisch effizient im Sinne der maximalen Reichweite stattfindet. Darüber hinaus wird die Expansion des Verdampfungsprozesses mit festen Blenden, so genannten Fixdrosseln oder mit thermischen Expansionsorganen betrieben.
-
Weiter kann aber auch die in der Batterie gebundene Wärme für den Betrieb eines Wärmepumpenprozesses herangezogen werden.
-
Aus der
DE 10 2010 042 127 A1 sind ein Kältemittelkreislauf und ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs bekannt. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Primärkreislauf mit einem Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Sammler, einem ersten Expansionsorgan, einem zweiten Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel sowie einem zum zweiten Wärmeübertrager parallel geschaltet angeordneten dritten Wärmeübertrager. Zudem weist der Kältemittelkreislauf einen Sekundärstrang auf, welcher sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter und dem ersten Wärmeübertrager angeordneten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager angeordneten Verbindungsstelle erstreckt und mit einem vierten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums sowie einem sich daran anschließenden Regelventil ausgebildet ist. Der Kältemittelkreislauf ist für einen kombinierten Kühlmodus und Heizmodus sowie für einen Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums vorgesehen.
-
Aus der
DE 103 21 191 A1 ist ein Dampfkompressions-Kühlkreislauf bekannt, in welchem ein Kältemittel mit einer kritischen Temperatur von höchstens 60°C verwendet wird.
-
Aus der
DE 10 2010 051 976 A1 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, welche in einem Heizbetrieb eine in den Fahrzeuginnenraum strömende Zuluft mittels eines Heizungswärmetauschers erwärmt, welcher über einen Kühlmittelkreislauf mit einem Antriebsaggregat, insbesondere einer Brennkraftmaschine, thermisch gekoppelt ist. Die Klimaanlage weist eine in einem Kältemittelkreislauf geschaltete Kondensatoreinheit auf, von der ein erster Kondensator als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit dem Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist und im Heizbetrieb Wärme an den Kühlmittelkreislauf abgibt. Hierbei weist die Kondensatoreinheit zumindest einen nachgeschalteten zweiten Kondensator auf, der im Heizbetrieb mittelbar oder unmittelbar Wärme an die in den Fahrzeuginnenraum strömende Zuluft abgibt und diese vor der Durchströmung des Heizungswärmetauschers vorwärmt. In einem Kühlbetrieb der Klimaanlage wird das Kältemittel vom Verdichter über ein 3/2 Wegeventil in einen fahrzeugfrontseitigen Gaskühler geleitet und von dort weiter über einen Akkumulator in eine hochdruckseitige Sammelleitung. Anschließend kann das Kältemittel über ein Expansionsorgan zum Verdampfer eines Klimagerätes und über eine Saugseite zurück zum Kompressor geleitet. Dadurch erfolgt eine Innenraumkühlung. Werden eine Innenraumkühlung und gleichzeitig eine Batteriekühlung angefordert, wird auf der Hochdruckseite das Kältemittel zusätzlich über ein Expansionsventil geleitet. Die Wärme des Kühlmittels aus einem Batteriekreis wird durch Verdampfung des Kältemittels aufgenommen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Thermomanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug und ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben eines Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welche eine effiziente, aktive Batteriekühlung und einen Wärmepumpenprozess zur Heizung des Innenraums bzw. der Batterie ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung eines Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eines Verfahrens zum Betreiben eines Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Um ein Thermomanagementsystem eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, welches eine effiziente, aktive Batteriekühlung und einen Wärmepumpenprozess zur Heizung des Innenraums bzw. der Batterie ermöglicht, deren primäre Führungsgröße eine geforderte Abkühltemperaturdifferenz des Kühlmediums Wasser-Glykol ist, wird im reinen Kühlmodus der Fahrzeugbatterie gezielt eine Kältemittelgüte, welche einem Dampfgehalt entspricht, am Austritt des dritten Wärmeübertragers über eine Stellung des zweiten Expansionsorgans nahe an der Taulinie des verwendeten Kältemittels bei minimaler Leistungsaufnahme des Verdichters eingestellt. Hierzu ist zumindest das zweite Expansionsorgan als elektronisch regelbares Expansionsventil ausgeführt, welches von einer Auswerte- und Steuereinheit angesteuert wird. Dadurch wird ein einwandfreier und sicherer Betrieb des Thermomanagementsystems ermöglicht und die Lebensdauer der einzelnen Komponenten ermöglicht. Bei der reinen Batteriekühlung (Single-Chiller-Mode) mit der Kältemittelgüte am Austritt des dritten Wärmeübertragers nahe an der Taulinie resultiert ein Niederdruckniveau auf höchster Stufe bei generell minimalem Druckverhältnis und bei bester Effizienz und geringster Leistungsaufnahme des elektrischen Verdichters, welcher mit seiner vorgegebenen Drehzahl die Niederdrucklage einstellt.
-
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, weisen einen Kältemittelkreislauf auf, welcher einen Primärkreislauf mit einem elektrischen Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und der Umgebung, einem ersten Expansionsorgan sowie einem sich anschließenden zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einer zu konditionierenden Zuluft eines Fahrzeuginnenraums und einem zweiten Expansionsorgan sowie einem parallel zum zweiten Wärmeübertrager angeordneten dritten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem zu konditionierenden Kühlmittel für eine Fahrzeugbatterie umfasst. Der Kältemittelkreislauf ist für einen reinen Kühlmodus der Fahrzeugbatterie oder für einen mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie kombinierten Kühlmodus und/oder Heizmodus und/oder Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums ausgebildet, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit über Sensoren an vorgegebenen Messstellen aktuelle Temperaturen und/oder Drücke im System erfasst und für das Thermomanagement des Kraftfahrzeugs auswertet. Hierbei ist zumindest das zweite Expansionsorgan als elektronisch regelbares Expansionsventil ausgeführt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit im reinen Kühlmodus der Fahrzeugbatterie eine Kältemitteltemperatur und/oder eine Kältemittelgüte am Austritt des dritten Wärmeübertragers über eine Stellung des zweiten Expansionsorgans nahe an der Taulinie des verwendeten Kältemittels bei minimaler Leistungsaufnahme des Verdichters einstellt und somit eine optimale Leistungsaufnahme des Verdichters ermöglicht.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems können der zweite Wärmeübertrager für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums und der dritte Wärmeübertrager für die Aufbereitung des Kühlmediums der Batterie im kombinierten Kühlmodus als Verdampfer wirken, wobei die Auswerte- und Steuereinheit in Kombination mit dem ersten Expansionsorgan und der Ansteuerung und somit der Drehzahl des Verdichters einen Massenstrom des Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager und ein Niederdruckniveau mit einer optimalen Kältemittelgüte (Überhitzung) einstellen kann, so dass für den kombinierten Kühlmodus die mit der Solltemperatur der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraums korrespondierende Verdampfungstemperatur des Kältemittels als Führungsgröße im Kältemittelkreislauf vorgeben wird. Durch einen solchen Mehrverdampferbetrieb wird der zweite Wärmeübertrager als Innenraumverdampfer zur Führungsgröße des Kälteprozesses und gibt das Niederdruckniveau und damit die geforderte Verdampfungstemperatur des Kältemittels vor. Über das zweite Expansionsorgan kann am dritten Wärmeübertrager jetzt eine definierte Abkühltemperaturdifferenz des Kühlmittels für die Fahrzeugbatterie geregelt werden, welche über den Massenstrom des den dritten Wärmeübertrager durchströmenden Kältemittels eingestellt wird.
-
Zudem weist der Kältemittelkreislauf einen Sekundärstrang auf, welcher sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter und dem ersten Wärmeübertrager angeordneten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager angeordneten Verbindungsstelle erstreckt und einen vierten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich daran anschließendes Regelventil aufweist. Hierbei kann die Auswerte- und Steuereinheit im kombinierten Heizmodus bzw. im Wärmepumpenmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums eine aktuelle Temperatur des Kältemittels erfassen und eine definierte Überhitzung des Kältemittels am Austritt des elektrischen Verdichters über eine Stellung des zweiten Expansionsorgans einstellen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann das zweite Expansionsorgan in Öffnungsrichtung betätigen, um einen aktuellen Überhitzungswert des Kältemittels zu reduzieren und in Schließrichtung betätigen, um den aktuellen Überhitzungswert des Kältemittels zu erhöhen. Somit zeigt das zweite Expansionsorgan in vorteilhafter Wiese einen weiteren Nutzen beim Kühlmittel-Wärmepumpenbetrieb mit in diesem Fall einer Wärmeabgabe an die Luft über den als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager. Dieser vierte Wärmeübertrager kann auch als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet werden und durch Erwärmen eines Kühlmittelvolumenstroms, welcher im weiteren Verlauf durch einen vom Zuluftstrom des Fahrzeuginnenraums durchströmten Heizungswärmeübertrager strömt, eine indirekte Erwärmung des Zuluftstroms des Fahrzeuginnenraums durchführen. Das zweite Expansionsorgan regelt in diesem Betriebsfall gezielt eine Überhitzung des Kältemittels nach dem elektrischen Verdichter von mindestens 5K ein. Dadurch kann in vorteilhafter Weise stets eine Flüssigverdichtung, insbesondere aber ein Flüssigkeitsaustritt bezogen auf die Kältemittelgüte auf der Hochdruckseite des Verdichters verhindert werden, so dass der Ölhaushalt im elektrischen Verdichter optimal bleibt und kein Austrag ins System erfolgt sowie eine volle Funktion des Ölabscheiders gewährleistet ist. Soll die Überhitzung des Kältemittels steigen schließt, ansonsten öffnet das zweite Expansionsorgan ganz gezielt und stellt den optimalen Betriebspunkt für das System ein. Umgekehrt würde das zweite Expansionsorgan schließen, sobald eine Sollwertunterschreitung der Überhitzung des Kältemittels gemessen wird. Mit Reduktion der Überhitzung des Kältemittels und der damit verbundenen Anhebung des Massenstroms kann ein leistungsoptimaler Betrieb insbesondere bezogen auf die Heizleistung der Wärmepumpe erzielt werden.
-
Eine Regelung der Überhitzung des Kältemittels am Eintritt des elektrischen Verdichters von 5K und höher ermöglicht eine Sicherstellung der Ölrückführung zum Verdichter und vermeidet darüber hinaus die Ansaugung von flüssigem Kältemittel. Letztere Maßnahme schließt eine Flüssigverdichtung von Kältemittel vollständig aus.
-
Des Weiteren stellt die Auswerte- und Steuereinheit im Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums bei aktivem zweiten und vierten Wärmeübertragers über das zweite Expansionsorgan einen Massenstrom des Kältemittels durch den dritten Wärmeübertrager ein. Dadurch kann dem Kühlmittel der Batterie bei Zuheizbedarf für den Innenraum über das zweite Expansionsorgan gezielt Wärme, die in einer variablen Temperaturdifferenz im Kühlmittel resultiert, entzogen und das Heizleistungsdefizit kompensiert werden und der Wirkungsgrad des Heizprozesses erhöht werden.
-
Neben der Abwärme der Batterie dient auch die Abwärme der übrigen Hochspannungskomponenten, wie beispielsweise Leistungselektronik, Ladegerät oder Elektroantrieb als potenzielle „Zuheizer“ für einen Nachheiz- bzw. reinen Wärmepumpenbetrieb. Des Weiteren wäre ebenso denkbar bei Vorhandensein eines HV-PTC dessen ins Wasser einbrachte Wärme für den Wasser-Wärmepumpenprozess heranzuziehen.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems kann die Auswerte- und Steuereinheit über eine Maximalwertabfrage eine Kombination aus maximaler Überhitzung des Kältemittels nach dem elektrischen Verdichter und maximaler Unterkühlung des Kältemittels nach dem vierten Wärmeübertrager regeln. Bewegen sich beide Werte in einem Bereich von kleiner 15K, dann kann sichergestellt werden, dass sich eine relativ homogene Temperaturverteilung des Luftstroms nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager einstellt. Tendenziell ist der als Heizregister ausgeführte vierte Wärmeübertrager jedoch so zu dimensionieren, dass bevorzugt die kühleren Luftstellen in der oberen Hälfte, die wärmeren in der unteren Hälfte auftreten.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems kann die Auswerte- und Steuereinheit über mindestens ein Stellventil Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf in ein Totvolumen auslagern, wenn der aktuelle Wert der Überhitzung des Kältemittels nach dem elektrischen Verdichter einen ersten unteren Grenzwert unterschreitet und der aktuelle Betrag der Unterkühlung des Kältemittels nach dem vierten Wärmeübertrager einen ersten oberen Grenzwert überschreitet. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit über mindestens ein Stellventil Kältemittel aus einem Totvolumen in den Kältemittelkreislauf einleiten, wenn der aktuelle Wert der Überhitzung des Kältemittels nach dem elektrischen Verdichter einen zweiten oberen Grenzwert überschreitet und der aktuelle Betrag der Unterkühlung des Kältemittels nach dem vierten Wärmeübertrager einen zweiten unteren Grenzwert unterschreitet. Tritt im Betrieb der Fall auf, dass sich der Wert der Überhitzung des Kältemittels nach dem elektrischen Verdichter am ersten unteren Grenzwert bewegt und sich die Unterkühlung nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager dennoch deutlich zu hoch einstellt, beispielsweise im Bereich von größer als 25K, so kann von einer Überfüllung des Systems ausgegangen werden. In diesem Fall kann überschüssiges Kältemittel gezielt in das Totvolumen ausgelagert werden, bevorzugt über stufenlos verstellbare Ventile, so lange bis sich die Unterkühlung nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager auf einen Wert einstellt, der beispielsweise kleiner als 20K einstellt. Stellt sich im umgekehrten Fall am Austritt des elektrischen Verdichters eine zunehmende Überhitzung ein, bei gegebenenfalls gleichzeitiger abnehmender bzw. nicht auftretender Unterkühlung am Austritt des als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertragers, und kann diese Überhitzung nicht über das zweite Expansionsorgan ausgeregelt werden, ist von in ein Totvolumen ausgelagertem Kältemittel auszugehen, welches auf der Niederdruckseite wieder in den Kältemittelkreis zurückgeholt wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermomanagementsystems kann der Kältemittelkreislauf mit einem fünften Wärmeübertrager für einen kombinierten Kühlbetrieb einer Komponente des Antriebsstranges des Kraftfahrzeugs ausgebildet werden, wobei der fünfte Wärmeübertrager ein in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltetes Expansionsorgan aufweist.
-
Die Messstelle am Austritt des elektrischen Verdichters kann in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Einstellung der geforderten Überhitzung des Kältemittels auch zur Überwachung der Betriebsgrenzen für Druck und Temperatur eingesetzt werden. So kann über die Messstelle eine Abregelung des elektrischen Verdichters als Funktion der Kältemitteltemperatur und/oder des Hochdrucks dargestellt werden. Priorität hat das Einregeln der maximal zulässigen Betriebswerte für Druck und Temperatur durch eine reduzierte Drehzahl bzw. einen reduzierten geförderten Massenstrom des elektrischen Verdichters. Mit dauerhaftem Überschreiten des Schwellwertes über ein zulässiges Zeitfenster hinaus erfolgt die Abschaltung des elektrischen Verdichters und damit des Systems. Funktional betrachtet kann eine Abregelung über den Druck höher als eine Abregelung über die Temperatur priorisiert werden. Weiterhin kann eine Messstelle für die Überwachung des Druckniveaus am Eintritt des elektrischen Verdichters herangezogen werden. Insbesondere im Heizmodus bzw. Wärmepumpenmodus ist es häufig gegeben, dass sich dieser Wert dem Absolutwert von 1bar nähert bzw. unter diesen fallen kann. Hier wird per Drucküberwachungsfunktion verhindert, dass ein Unterschreiten der Untergrenze erfolgt um auf diese Weise zu verhindern, dass per Unterdruck Umgebungsluft ins System eingesogen wird und/oder flexible Leitungen durch „Zusammensaugen“ im Querschnitt verengt werden.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
-
Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs eines Thermomanagementsystems für ein Kraftfahrzeug,
- 2 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs eines Thermomanagementsystems für ein Kraftfahrzeug aus 1 in einem reinen Batteriekühlmodus,
- 3 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs eines Thermomanagementsystems für ein Kraftfahrzeug aus 1 in einem kombinierten Kühlmodus für eine Fahrzeugbatterie, eine Antriebsstrangkomponente und einer Zuluft für einen Fahrzeuginnenraum,
- 4 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs eines Thermomanagementsystems für ein Kraftfahrzeug aus 1 in einem Kühlmodus für eine Fahrzeugbatterie und eine Antriebsstrangkomponente und einen Heizmodus für die Zuluft für den Fahrzeuginnenraum, und
- 5 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs eines Thermomanagementsystems für ein Kraftfahrzeug aus 1 in einem Kühlmodus für eine Fahrzeugbatterie und eine Antriebsstrangkomponente und einen Nachheizmodus für die Zuluft für den Fahrzeuginnenraum,
-
Wie aus 1 bis 5 ersichtlich ist, weist das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Kältekreises als Teilsystem eines Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, einen Kältemittelkreislauf 1 auf, welcher einen Primärkreislauf 3 mit einem elektrischen Verdichter 7, einem ersten Wärmeübertrager 9 zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und der Umgebung, einem ersten Expansionsorgan 12 sowie einem sich anschließenden zweiten Wärmeübertrager 10 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einer zu konditionierenden Zuluft 48 eines Fahrzeuginnenraums und einem zweiten Expansionsorgan 22 sowie einem parallel zum zweiten Wärmeübertrager 10 angeordneten dritten Wärmeübertrager 20 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem zu konditionierenden Kühlmittel 24 für eine Fahrzeugbatterie umfasst. Der Kältemittelkreislauf 1 ist für einen reinen Kühlmodus der Fahrzeugbatterie oder für einen mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie kombinierten Kühlmodus und/oder Heizmodus und/oder Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums ausgebildet. Eine Auswerte- und Steuereinheit erfasst über Sensoren an vorgegebenen Messstellen M1 bis M10 aktuelle Temperaturen T1 bis T10 und/oder Drücke P1 bis P10 im System und wertet diese für das Thermomanagement des Kraftfahrzeugs aus. Hierbei ein Niederdruckniveau PND vor dem Verdichter 7 durch einen an einer zweiten Messstelle M2 erfassten Druckwert P2 repräsentiert wird. Ein Hochdruckniveau PHD nach dem Verdichter 7 wird durch einen an einer vierten Messstelle (Austritt) M4 erfassten Druckwert P4 repräsentiert. Hierbei ist zumindest das zweite Expansionsorgan 22 als elektronisch regelbares Expansionsventil ausgeführt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit im reinen Kühlmodus der Fahrzeugbatterie eine Kältemitteltemperatur T1 am Austritt M1 des dritten Wärmeübertragers 20 über eine Stellung des zweiten Expansionsorgans 22 nahe an der Taulinie des verwendeten Kältemittels bei minimaler Leistungsaufnahme des Verdichters 7 einstellt.
-
Idealerweise weisen die Messstellen M1 bis M10 eine kombinierte Druck- und Temperaturmessfunktionalität auf, um auf diese Weise eine präzisere Aussage zu den Kältemittelaustrittbedingungen an den jeweiligen Wärmeübertragern treffen zu können. Ein Verzicht von einzelnen Temperaturmesswerten bzw. Druckmesswerten ist aber auch vorstellbar. In diesem Fall müsste über eine „Abschätzung“ bzw. eine Hinterlegung von Kennfeldern eine Bestimmung der Druckverluste und der damit am jeweiligen Wärmeübertrager vorliegenden Drücke erfolgen.
-
Wie aus 1 bis 5 weiter ersichtlich ist, weist der Kältemittelkreislauf 1 einen Sekundärstrang 5 auf, welcher sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter 7 und dem ersten Wärmeübertrager 9 angeordneten Abzweigstelle 57 bis zu einer zwischen dem ersten Wärmeübertrager 9 und dem zweiten Wärmeübertrager 10 angeordneten Verbindungsstelle 14, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel als Hochdrucksammler ausgeführt ist, erstreckt und einen vierten Wärmeübertrager 40 zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich daran anschließendes Regelventil 42 aufweist.
-
Bei einem mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie kombinierten Kühlmodus der zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums bzw. bei einem Mehrverdampferbetrieb wird der zweite Wärmeübertrager 10 als Innenraumverdampfer zur Führungsgröße des Kälteprozesses und gibt das Niederdruckniveau PND + dp bzw. den Druck P3 des Kältemittels und damit die geforderte Verdampfungstemperatur T3 an einer dritten Messstelle M3 vor. Hierbei wird die Temperatur T3 primär zur Bestimmung der Überhitzung des Kältemittels herangezogen. Über das zweite Expansionsorgan 22 am dritten Wärmeübertrager 20 wird jetzt eine definierte Abkühlung (T6-T7) des Kühlmittels 24 für den Kühlkreislauf der Fahrzeugbatterie eingeregelt, welche über den Massenstrom des den dritten Wärmeübertrager 20 durchströmenden Kältemittels eingestellt wird.
-
Für den Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums kann gezielt bei Zuheizbedarf dem Kühlmittel 24 über das zweite Expansionsorgan 22 Wärme entzogen und das Heizleistungsdefizit kompensiert werden.
-
Einen weiteren Nutzen zeigt das zweite Expansionsorgan 22 beim Heizmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums bzw. Wärmepumpenbetrieb mit Wärmeabgabe an die Luft über den als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40. Das zweite Expansionsorgan 22 regelt gezielt eine Überhitzung des Kältemittels nach dem elektrischen Verdichter 7 auf mindestens 5K ein. Soll die Überhitzung des Kältemittels steigen schließt das zweite Expansionsorgan 22, ansonsten öffnet das zweite Expansionsorgan 22 ganz gezielt und stellt den optimalen Betriebspunkt für das System ein. Umgekehrt würde das zweite Expansionsorgan 22 schließen, sobald eine Sollwertunterschreitung gemessen wird. Mit Reduktion der Überhitzung des Kältemittels kann ein leistungsoptimaler Betrieb insbesondere bezogen auf die Heizleistung einer Wärmepumpe erzielt werden. Alternativ ermöglicht eine Regelung der Überhitzung des Kältemittels am Eintritt des elektrischen Verdichters 7 von 5K und höher eine Sicherstellung der Ölrückführung zum Verdichter und vermeidet darüber hinaus die Ansaugung von flüssigem Kältemittel. In einer weiteren Ausführung kann per Maximalwertabfrage eine Kombination aus maximaler Überhitzung nach dem elektrischen Verdichter 7 und maximaler Unterkühlung nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40 eingeregelt werden. Bewegen sich beide Werte innerhalb eines Temperaturbereichs von kleiner als 15K, so ist sichergestellt, dass sich eine relativ homogene Temperaturverteilung des Zuluftstroms 48 für den Fahrzeuginnenraum nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40 einstellt. Tendenziell ist der als Heizregister ausgeführte vierte Wärmeübertrager jedoch so zu dimensionieren, dass bevorzugt die kälteren Luftstellen in der oberen Hälfte und die wärmeren Luftstellen in der unteren Hälfte auftreten.
-
Tritt im Betrieb der Fall auf, dass sich der Wert der Überhitzung nach dem elektrischen Verdichter 7 am unteren Grenzwert bewegt und der Betrag der Unterkühlung nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40 sich dennoch deutlich zu hoch einstellt, beispielsweise auf einen Wert von über 25K nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40, so kann von einer Überfüllung des Systems ausgegangen werden. Überschüssiges Kältemittel kann in diesem Fall gezielt in ein nicht dargestelltes Totvolumen ausgelagert werden, bevorzugt über nicht dargestellte stufenlos verstellbare Ventile, so lange bis sich die Unterkühlung nach dem als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40 beispielsweise auf einen Wert von weniger als 20K einstellt. Bezugnehmend auf die 1 kann im Betriebsfall einer Wasser-Wärmepumpe der Strang mit dem ersten Wärmeübertrager 9 als Totvolumen fungieren und dieses über das stufenlos verstellbare Ventil 50 erschlossen werden, so dass flüssiges Kältemittel in das Segment einströmen kann. Alternativ kann das Ventil 51, welches bevorzugt ebenso stufenlos ansteuerbar ist, für die Auslagerung von Kältemittel hergezogen werden.
-
Stellt sich im umgekehrten Fall am Austritt M4 des elektrischen Verdichters 7 eine zunehmende Überhitzung ein und kann diese nicht über das zweite Expansionsorgan 22 ausgeregelt werden, dann wird über die Öffnung des Totvolumens hin zur Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 Kältemittel in den aktiven Kreis zurückgeholt. Bezugnehmend auf 1 kann für den Betriebsfall der Wasser-Wärmepumpe die Rückholung des Kältemittels aus dem Segment mit dem ersten Wärmeübertrager 9 über das mit der Niederdruckseite verbundene, bevorzugt stufenlos einstellbare Ventil 52, erfolgen. Voraussetzung ist das Vorhandensein eines Druckniveaus auf der Niederdruckseite unterhalb des Drucks im Segment mit ersten Wärmeübertrager 9. Durch gezielte Ansteuerung des Verdichters 7 kann bei Bedarf ein solcher Zustand herbeigeführt werden.
-
Die Messstelle M4 am Austritt des elektrischen Verdichters 7 dient neben der Einstellung der geforderten Überhitzung des Kältemittels zur Überwachung der Betriebsgrenzen für den Druck und die Temperatur. Über ihn lässt sich eine Abregelung des elektrischen Verdichters 7 als Funktion von Temperatur T4 des Kältemittels und/oder des Hochdrucks P4 (PHD) im Kältemittelkreislauf 1 darstellen. Höchste Priorität weist hierbei das Einregeln des maximal zulässigen Betriebswerts für den Druck und die Temperatur durch Reduzieren der Drehzahl bzw. des geförderten Massenstrom des elektrischen Verdichters 7 auf. Mit dauerhaftem Überschreiten des Schwellwertes über ein zulässiges Zeitfenster hinaus bzw. bei insbesondere nicht kontrollierbaren Druckspitzen erfolgt mit niedrigerer Priorität bzw. in einer zweiten Stufe die Abschaltung des elektrischen Verdichters 7 und damit des Systems. Funktional betrachtet ist eine Abregelung über den Druck stets höher priorisiert als die Abregelung über die Temperatur.
-
Zudem wird eine Messstelle M2 für die Überwachung des Druck- und Temperaturniveaus am Eintritt des elektrischen Verdichters 7 herangezogen. Insbesondere im Wärmepumpenmodus ist es häufig gegeben, dass sich dieser Niederdruckwert P2 (PND) dem Absolutwert von 1bar nähert bzw. unter diesen fallen kann. Hier wird per Drucküberwachungsfunktion verhindert, dass ein Unterschreiten der Untergrenze erfolgt, um auf diese Weise zu verhindern, dass per Unterdruck Umgebungsluft ins System eingesogen wird und/oder flexible Leitungen durch „Zusammensaugen“ im Querschnitt verengt werden.
-
Der Eingangs des Abschnitts genannte Temperaturwert T2 wird für die Option der Einregelung der Überhitzung des Kältemittels vor dem Verdichter 7 und damit zur Regelung dessen Güte genutzt.
-
1 zeigt den Kältemittelkreislauf 1 mit dem Primärkreislauf 3 und dem Sekundärstrang 5. Der Primärkreislauf 3 umfasst den elektrischen Verdichter 7, den ersten Wärmeübertrager 9 zur direkten Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Umgebungsluft 8 und umgekehrt, einen Sammler 14, das erste Expansionsventil 12 sowie den zweiten Wärmeübertrager 10 zur direkten Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel. Zudem ist zwischen der Verbindungsstelle 54, welche zwischen dem Sammler 14 und dem ersten Expansionsventil 12 ausgebildet ist, und der zwischen dem zweiten Wärmeübertrager 10 und dem Verdichter 7 angeordneten Mündungsstelle 16 der dritte Wärmeübertrager 20 mit vorgeschaltetem zweiten Expansionsventil 22 angeordnet. Die beiden Wärmeübertrager 10, 20 sind parallel zueinander geschaltet. Des Weiteren ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des Kältemittelkreislaufs 1 zwischen einer zwischen dem Sammler 14 und dem ersten Expansionsventil 12 ausgebildeten weiteren Verbindungsstelle 55 und einer zwischen dem zweiten Wärmeübertrager 10 und dem Verdichter 7 angeordneten weiteren Mündungsstelle 36 ein weiterer Wärmeübertrager 30 mit vorgeschaltetem dritten Expansionsorgan 32 angeordnet, so dass der weitere Wärmeübertrager 30 parallel zu den beiden Wärmeübertragern 10, 20 geschaltet ist. Der weitere Wärmeübertrager 30 ist zum Kühlen von weiteren Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs über einen weiteren Kühlmittelkreislauf 34 vorgesehen. Über das dritte Expansionsorgan 32 kann der Massenstrom des Kältemittels durch den weiteren Wärmeübertrager 30 und somit die Temperaturdifferenz (T9-T10) des Kühlmittels 34 vorgegeben werden. Die Mündungsstellen 16, 36 sind jeweils als T-Stück ausgebildet. Alternativ können diese Mündungsstellen 16, 36 als Sammelblock ausgeführt werden, welcher alle Klimaleitungen der Wärmeübertrager 10, 20, 30 in sich zusammenführt und der eine Klimaleitung als Austrittsleitung mit Kältemittel bedient. Die als Sammler 14 ausgebildete Verbindungsstelle ist im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes 1 angeordnet, so dass der Sammler 14 einem Hochdrucksammler entspricht. Der Sekundärstrang 5 erstreckt sich ausgehend von der zwischen dem Verdichter 7 und dem ersten Wärmeübertrager 9 angeordneten Abzweigstelle 57 bis zur als Sammler 14 ausgebildeten Verbindungsstelle und umfasst ein Absperrventil 44, den als Heizregister ausgeführten vierten Wärmeübertrager 40 sowie ein sich daran anschließendes Regelventil 42. Der vierte Wärmeübertrager ist in einem Luftkanal 46 einer Klimaanlage in Strömungsrichtung der Zuluft 48 für den Fahrzeuginnenraum nach dem zweiten Wärmeübertrager 10 angeordnet. Analog zum Sammelblock können auf der Hochdruckseite die Funktionen der Knotenpunkte 54, 55 über einen Verteilerblock ausgeführt werden, welcher mindestens die Wärmeübertrager 10, 20 und weitere (z.B. 30) darüber hinaus mit Kältemittel versorgt.
-
Wie aus 1 bis 5 weiter ersichtlich ist, ist der Kältemittelkreislauf 1 mit einem zusätzlichen inneren Wärmeübertrager 60 ausgeführt. Der innere Wärmeübertrager 60 dient der Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Kältemittel auf der Hochdruckseite und dem gasförmigen Kältemittel auf der Niederdruckseite. Dabei wird einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation am Austritt aus dem Sammler 14 und vor dem Eintritt in die Expansionsventile 12, 22, 32 weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Eintritt in den elektrischen Verdichter 7 überhitzt. Der innere Wärmeübertrager 60 ist mit der Hochdruckseite folglich in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der als Sammler 14 ausgebildeten Verbindungsstelle und vor den Expansionsventilen 12, 22, 32 angeordnet. Auf der Niederdruckseite wird der innere Wärmeübertrager 60 in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 7 und damit zwischen dem T-Stück (Verbindungsstelle) 53 und dem Eintritt in den Verdichter 7 integriert.
-
2 zeigt den Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs im reinen Batteriekühlmodus. Dabei wird das im elektrischen Verdichter 7 komprimierte Kältemittel über die Abzweigstelle 57 und das geöffnete Absperrventil 51 zum als Kondensator wirkenden ersten Wärmeübertrager 9 geleitet, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Umgebungsluft 8 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete Regelventil 50 in den Sammler 14 gelangt. Die Absperrventile 42 und 44 sind geschlossen, so dass der Sekundärstrang 5 nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist. Auch ein Absperrventil 52 einer Verbindungsleitung 56, welche eine Verbindungsstelle 53 vor dem inneren Wärmeübertrager 60 mit einem Einlass des ersten Wärmeübertragers 9 verbindet ist geschlossen. Vom Sammler 14 strömt das Kältemittel durch den Hochdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, zum zweiten Expansionsventil 22. Das erste Expansionsventil 12 und das dritte Expansionsventil 32 sind vollständig geschlossen, so dass nur der als Verdampfer wirkende dritte Wärmeübertrager 20 von Kältemittel durchströmt wird. Nach der Entspannung in das Zweiphasengebiet gelangt das Kältemittel in den als Verdampfer wirkenden dritten Wärmeübertrager 20 und wird unter Wärmeaufnahme verdampft. Im dritten Wärmeübertrager 20 wird dabei das Kühlmittel 24 zur Fahrzeugbatterie unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt. Nach dem dritten Wärmeübertrager 20 wird das Kältemittel zum Niederdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60 geleitet und dort unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es in den elektrischen Verdichter 7 eintritt.
-
3 zeigt den Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs im mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie bzw. weiterer Hochspannungskomponenten kombinierten Kühlmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums. Dabei wird das im Verdichter 7 komprimierte Kältemittel über die Abzweigstelle 57 und das geöffnete Absperrventil 51 zum als Kondensator wirkenden ersten Wärmeübertrager 9 geleitet, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Umgebungsluft 8 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete Regelventil 50 in den Sammler 14 gelangt. Die Absperrventile 42 und 44 sind geschlossen, so dass der Sekundärstrang 5 nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist. Auch ein Absperrventil 52 einer Verbindungsleitung 56, welche eine Verbindungsstelle 53 vor dem inneren Wärmeübertrager 60 mit einem Einlass des ersten Wärmeübertragers 9 verbindet ist geschlossen. Vom Sammler 14 strömt das Kältemittel durch den Hochdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, in Teilmassenströme aufgeteilt, zu den Expansionsventilen 12, 22, 32. Nach der Entspannung in das Zweiphasengebiet gelangt das Kältemittel in die als Verdampfer wirkende Wärmeübertrager 10, 20, 30 und wird unter Wärmeaufnahme verdampft. Im als Verdampfer wirkenden ersten Wärmeübertrager 9 wird dabei die Zuluft 48 zum Fahrzeuginnenraum unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt und/oder entfeuchtet. Im als Verdampfer wirkenden dritten Wärmeübertrager 20 wird dabei das Kühlmittel 24 zur Fahrzeugbatterie unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt. Im als Verdampfer wirkenden weiteren Wärmeübertrager 30 wird dabei das Kühlmittel 34 zur zu kühlenden Komponente des elektrischen Antriebsstrangs unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt. Nach Zusammenführung der Teilmassenströme wird das Kältemittel zum Niederdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60 geleitet und dort unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es in den elektrischen Verdichter 7 eintritt. Im Kühlmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums sowie gleichzeitigem oder wahlweisem Kühlbetrieb der Fahrzeugbatterie werden die drei als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager 10, 20, 30 jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die Abwärme der Fahrzeugbatterie bzw. weiterer Hochspannungskomponenten, die Abwärme des elektrischen Antriebsstrangs und/oder die Zuluft 48 werden als Wärmequellen genutzt, während ausschließlich die Umgebungsluft 8 im als Kondensator wirkenden ersten Wärmeübertrager 9 als Wärmesenke verwendet wird.
-
4 zeigt den Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs im mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie kombinierten Heizmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums. Das im Verdichter 7 komprimierte Kältemittel strömt über die Abzweigstelle 57 und durch das geöffnete Absperrventil 44 zum als Heizregister wirkenden vierten Wärmeübertrager 40, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Zuluft 48 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete Regelventil 42 in den Sammler 14 gelangt. Vom Sammler 14 wird das Kältemittel zum einen durch den Hochdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, in Teilmassenströme aufgeteilt und zu den Expansionsventilen 22 und/oder 32 geleitet. Das Absperrventil 51 zwischen der Abzweigstelle 57 und dem ersten Wärmeübertrager 9 ist geschlossen.
-
Nach der Entspannung in den Expansionsventilen 22 und/oder 32 auf einen Niederdruck wird das Kältemittel in die als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager 20 und/oder 30 geleitet und unter Wärmeaufnahme verdampft. Im als Verdampfer wirkenden dritten Wärmeübertrager 20 wird dabei das Kühlmittel 24 zur Fahrzeugbatterie unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt. Im als Verdampfer wirkenden weiteren Wärmeübertrager 30 wird dabei das Kühlmittel 34 zur zu kühlenden Komponente des elektrischen Antriebsstrangs unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt. Dadurch wird der Kältemittelmassenstrom bevorzugt parallel derart aufgeteilt, dass ein erster Teilmassenstrom durch den dritten Wärmeübertrager 20 strömt, welcher als so genannter Chiller die Fahrzeugbatterie als Wärmequelle nutzt, und ein zweiter Teilmassenstrom durch den weiteren Wärmeübertrager 30 strömt, welcher ebenfalls als so genannter Chiller den elektrischen Antriebsstrang als Wärmequelle nutzt. Anschließend wird der Gesamtmassenstrom des Kältemittels durch den Niederdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60 geführt und unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es zum elektrischen Verdichter 7 gelangt. Im Heizmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums sowie gleichzeitigem oder wahlweisem Kühlbetrieb der Batterie werden demzufolge die zwei Wärmeübertrager 20 und/oder 30 jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die die Abwärme der Batterie und/oder die Abwärme des elektrischen Antriebsstrangs werden als Wärmequellen genutzt, während ausschließlich die Zuluft 48 im als Kondensator wirkenden vierten Wärmeübertrager 40 als Wärmesenke verwendet wird.
-
5 zeigt den Kältemittelkreislauf 1 im Betrieb des Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs im mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie kombinierten Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft 48 des Fahrzeuginnenraums. Dabei wird das im Verdichter 7 komprimierte Kältemittel über die Abzweigstelle 57 und das geöffnete Absperrventil 44 auf den Sekundärstrang 5 geleitet. Der Gesamtmassenstrom strömt durch das geöffnete Absperrventil 44 zum als Heizregister wirkenden vierten Wärmeübertrager 40, in welchem das Kältemittel unter direkter Wärmeabgabe an die Zuluft 48 verflüssigt wird und anschließend durch das geöffnete Regelventil 42 in den Sammler 14 gelangt. Vom Sammler 14 strömt das Kältemittel, analog zum in 4 dargestellten Betriebsmodus des Thermomanagementsystem, durch den Hochdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60, in dem es unter weiterer Wärmeabgabe unterkühlt wird, in Teilmassenströme aufgeteilt, zu den Expansionsventilen 12 und/oder 22 und/oder 32. Nach der Entspannung in das Zweiphasengebiet gelangt das Kältemittel in die als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager 10 und/oder 20 und/oder 30 und wird unter Wärmeaufnahme verdampft. Im als Verdampfer wirkenden zweiten Wärmeübertrager 10 wird dabei die Zuluft 48 zum Fahrzeuginnenraum unter direkter Wärmeaufnahme durch das Kältemittel abgekühlt und/oder entfeuchtet. Nach Vermischung der Teilmassenströme wird der Gesamtmassenstrom des Kältemittels zum Niederdruckbereich des inneren Wärmeübertragers 60 geleitet und dort unter Wärmeaufnahme überhitzt, bevor es in den elektrischen Verdichter 7 eintritt. Im Nachheizmodus der Zuluft 48 für den Fahrzeuginnenraum werden die drei als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager 10, 20, 30 jeweils als Wärmequellen je nach Bedarf wahlweise oder gleichzeitig betrieben. Die Zuluft 48, die Abwärme der Batterie und/oder die Abwärme des elektrischen Antriebsstrangs werden als Wärmequellen genutzt, während die Zuluft 48 in den Wärmeübertrager 40 als Wärmesenke verwendet wird.
-
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, HFO-1234yf, einsetzbar.
-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise einen einwandfreier und sicheren Betrieb der Wärmepumpe bei erhöhter Lebensdauer und eine Effizienzverbesserung bei reiner Batteriekühlung. Zudem wird ein optimaler Anlagenbetrieb in allen Betriebsweisen bzw. Betriebsmodi, insbesondere bei erforderlicher Kälteleistungsbereitstellung an mindestens zwei Verdampfern ermöglicht. Des Weiteren wird eine optimale luftseitige Temperaturverteilung bei für den Heizprozess zum Einsatz kommenden Heizregistern bzw. Heizkondensatoren im Klimagerät ermöglicht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kältemittelkreislauf
- 3
- Primärkreislauf
- 5
- Sekundärstrang
- 7
- elektrischer Verdichter
- 8
- Umgebungsluft
- 9
- erster Wärmeübertrager (Kondensator der Kälteanlage, Verdampfer der Luftwärmepumpe)
- 10
- zweiter Wärmeübertrager (Verdampfer der Klimaanlage)
- 12
- elektronisches Ventil (Expansionsorgan, Expansionsventil)
- 14
- Verbindungsstelle (Hochdrucksammler)
- 16
- Mündungsstelle, T-Stück
- 20
- dritter Wärmeübertrager (Verdampfer der Batteriekühlung, Chiller)
- 22
- elektronisches Ventil (Expansionsorgan, Expansionsventil)
- 24
- Kühlmittelkreislauf
- 30
- fünfter Wärmeübertrager (Verdampfer zur Kühlung des Antriebsstrangs, Chiller)
- 32
- elektronisches Ventil (Expansionsorgan, Expansionsventil)
- 34
- Kühlmittelkreislauf/ Kühlmittel
- 36
- Mündungsstelle, T-Stück
- 40
- vierter Wärmeübertrager (Heizregister, Heizkondensator der Klimaanlage)
- 42
- elektronisches Ventil (Absperrventil, Regelventil)
- 44
- elektronisches Ventil (Absperrventil)
- 46
- Luftkanal
- 48
- Zuluftstrom in den Fahrzeuginnenraum
- 50
- elektronisches Ventil (Absperrventil, Regelventil, Expansionsventil)
- 51, 52
- elektronisches Ventil (Absperrventil)
- 53, 54, 55
- T-Stück (Mündungsstelle, Verbindungsstelle, Knotenpunkt)
- 56
- Verbindungsleitung
- 57
- Abzweigstelle
- 60
- innerer Wärmeübertrager
- M1 bis M10
- Messstelle
- T1 bis T10
- Temperatur
- P1 bis P10
- Druck
- PND = P2
- Niederdruck
- PHD = P4
- Hochdruck
