DE102013214267A1

DE102013214267A1 - Wärmepumpen-Anlage für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpen-Anlage

Info

Publication number: DE102013214267A1
Application number: DE201310214267
Authority: DE
Inventors: Robert HERBOLZHEIMER; Peter Satzger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpen-Anlage für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeuges, mit einem Kältemittelkreislauf umfassend einen Strömungspfad für ein Kältemittel mit einem Verdichter zur Verdichtung des Kältemittels auf ein Hochdruckniveau), einem Hochdruck-Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme des Kältemittels, einem ersten Expansionsorgan in einem Niederdruckpfad zur Entspannung des Kältemittels auf ein Niederdruckniveau, einem Niederdruck-Wärmetauscher zur Aufnahme von Wärme in das Kältemittel, sowie einem zweiten Expansionsorgan zur Entspannung des Kältemittels auf ein Zwischendruckniveau für einen ersten Zwischendruck-Wärmetauscher, wobei der erste Zwischendruck-Wärmetauscher strömungstechnisch in einem Zwischendruckströmungspfad zwischen dem Hochdruck-Wärmetauscher und dem ersten Expansionsorgan angeordnet ist und an einem Zwischendruckeingang des Verdichters angeordnet ist, wobei ein erstes elektrisches Heizelement im Zwischendruckströmungspfad angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpen-Anlage zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpen-Anlage.
Bei Kraftfahrzeugen sind regelmäßig Klimaanlagen eingebaut, die mit Hilfe einer Kältekreislauf-Anlage den Fahrzeuginnenraum klimatisieren. Derartige Anlagen weisen grundsätzlich einen Kreislauf auf, in dem ein Kältemittel geführt ist. Das Kältemittel nimmt an einem Verdampfer Wärme auf, wird mittels eines Verdichters verdichtet, und gibt anschließend über einen Wärmetauscher die Wärme wieder ab, bevor es über ein auch als Drossel bezeichnetes Expansionsorgan erneut dem Verdampfer zugeführt wird.
Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen wird die Kältekreislauf-Anlage häufig neben der eigentlichen Kühlung auch zur Beheizung des Innenraums nach Art einer Wärmepumpe eingesetzt, da keine oder keine ausreichende Verbrennungsabwärme zur Beheizung des Fahrgastinnenraums zur Verfügung steht. Für eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie ist hierbei beispielsweise in der DE 10 2011 109 055 A1 eine Kältekreislauf-Anlage beschrieben, bei der mehrere Verdampfer zuschaltbar sind, um Wärme aus unterschiedlichen Wärmequellen ausnützen zu können.
Insbesondere bei Elektrofahrzeugen steht von den Antriebskomponenten (elektrischer Fahrantriebs-Motor, Leistungselektronik, etc.) üblicherweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen nicht ausreichend Abwärme zur Verfügung, um damit den Fahrgastraum angemessen zu heizen. Der Einsatz von elektrischen Heizelementen führt zu einer Verringerung der Reichweite, da sie von dem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs gespeist werden.
Die DE 10 2011 076 507 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer Wärmepumpen-Anlage, die im Unterschied zu herkömmlichen Wärmepumpenkreisläufen zusätzlich eine elektrische Heizeinrichtung parallel zu einem Aussenwärmeübertrager aufweist, mittels der dem den Wärmepumpenkreislauf durchströmenden Kältemittel Wärme zuführbar ist. Durch das ,Vorwärmen' des Kältemittels kann somit bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen eine erhöhte Heizleistung erreicht werden. Dadurch ist jedoch lediglich die Heiz-Leistung der Wärmepumpen-Anlage erhöht, solange der Verdichter noch nicht an seiner Leistungsgrenze angelangt ist. Jedoch begrenzt die Saugdichte am Kompressor bei niedrigen Umgebungstemperaturen die erreichbare Leistung. Zudem muss beim Anfahren flüssiges Kältemittel aus einem Sammler verdampft werden, was ebenfalls die Leistung begrenzt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpen-Anlage geeignet zur Klimatisierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit verbesserter Effizienz, insbesondere bei niedrigen Temperaturen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wärmepumpen-Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierzu umfasst eine Wärmepumpen-Anlage für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, einen Kältemttelkreislauf mit einem Strömungspfad für ein Kältemittel mit einem Verdichter zur Verdichtung des Kältemittels auf ein Hochdruckniveau, einen Hochdruck-Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme des Kältemittels, ein erstes Expansionsorgan in einem Niederdruckpfad des Kältemittels zur Entspannung des Kältemittels auf ein Niederdruckniveau, einen Niederdruck-Wärmetauscher zur Aufnahme von Wärme in das Kältemittel, sowie ein zweites Expansionsorgan zur Entspannung des Kältemittels auf ein Zwischendruckniveau für einen ersten Zwischendruck-Wärmetauscher, wobei der erste Zwischendruck-Wärmetauscher strömungstechnisch in einem Zwischendruckströmungspfad zwischen dem ersten Hochdruck-Wärmetauscher und dem ersten Expansionsorgan angeordnet ist und an einem Zwischendruckeingang des Verdichters angeordnet ist, und wobei ein erstes elektrisches Heizelement im Zwischendruckströmungspfad angeordnet ist.
Die Ausgestaltung mit einem Zwischendruck-Strömungspfad ist bereits in der zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten DE 10 2012 208 992.2 der Anmelderin beschrieben. Durch die Anbindung des Zwischendruck-Strömungspfades an den Zwischendruckeingang des Verdichters wird die Leistung und die der Anlage insbesondere bei niedrigen Temperaturen und im Anfahrbetrieb verbessert.
Durch die Anordnung des ersten Heizelements im Zwischendruckpfad wird dieser Effekt nochmals verstärkt. Hierdurch ist eine zusätzliche Heizleistungsquelle im Strömungspfad des Kältemittels bereitgestellt. Zum Einen wird durch die Erwärmung des Kältemittels der Gasanteil und damit der durch den Verdichter geführte Massenstrom des Kältemittels erhöht. Dadurch wird die Leistung des Verdichters sowie der gesamten Wärmepumpen-Anlage verbessert, da aufgrund des erhöhten Massenstroms mehr Wärme übertragbar ist. Durch den erhöhten Gasanteil wird zudem am Zwischendruckeingang eine erhöhte Saugdichte für den Verdichter bereitgestellt, so dass hierdurch die Leistung des Verdichters weiter verbessert ist. Insgesamt ist durch das zusätzliche Heizelement im Zwischendruckpfad, insbesondere bei kritischen Umgebungstemperaturen von beispielsweise weniger als 0°C eine erhöhte Leistung der Anlage erreicht.
Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass bei einem Anfahren/Starten des Fahrzeugs anfänglich üblicherweise nicht ausreichend Abwärme von Fahrzeugkomponenten oder aus der Umgebung zur Verfügung steht, um das Kältemittel zum Klimatisieren des Fahrgastraumes ausreichend zu erwärmen. Insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen ist die Wärmeaufnahme durch den Niederdruck-Wärmetauscher lediglich langsam möglich, sodass auch der Druckaufbau nur langsam erfolgt. Durch die bedarfsweise Erwärmung des Kältemittels im Zwischendruckpfad verbessert sich der Druckaufbau und dadurch die Anfahrdynamik der Wärmepumpen-Anlage während eines Anfahren oder Starten des Fahrzeugs, wodurch der Fahrgastraum schneller beheizbar wird und dadurch der Fahrkomfort verbessert wird.
In einer typischen Ausführungsform ist der Hochdruck-Wärmetauscher im Wesentlichen ein Heiz-Kondensator, der wärmestromtechnisch mit einem Heizmittelkreislauf gekoppelt ist, mittels dem Wärme an einen Fahrgastraum des Fahrzeugs übertragbar ist.
Beim Durchströmen des Heiz-Kondensators wird Wärme mit einer im Heizmittelkreislauf befindlichen Heizflüssigkeit ausgetauscht. Die Heizflüssigkeit ist in dieser Ausführungsform im Wesentlichen Wasser/Glykol, wobei durch die zusätzliche Heizleistung des ersten Heizelements keine kostenintensive Hochvolt-Wasserheizung wie beispielsweise ein elektrischer Durchlauferhitzer für den Heizmittelkreislauf notwendig ist. Bevorzugterweise ist durch einen Heiz-Wärmetauscher des Heizmittelkreislaufs Wärme von der Heizflüssigkeit an in den Fahrgastraum strömenden Luft, insbesondere als Teil einer Klimaanlage, übertragbar.
Der erste Zwischendruck-Wärmetauscher ist als Verdampfer, insbesondere zur bedarfsweisen Entfeuchtung und Kühlung der Luft für den Fahrgastinnenraum ausgebildet.
Der Strömungspfad im Kältemittelkreislauf ist im Wesentlichen in einen Hochdruckpfad, den Zwischendruckpfad sowie den Niederdruckpfad anhand der jeweils auftretenden Kältemitteldrücke unterteilt. Die einzelnen Druckpfade sind im Wesentlichen mittels der Expansionsorgane voneinander getrennt. Die Expansionsorgane sind vorzugsweise als elektronisch steuer- oder regelbare Expansionsventile ausgeführt, wobei bevorzugterweise eine elektronische Steuereinheit zu deren Steuerung oder Regelung vorgesehen ist. Die Steuereinheit steuert/regelt die Expansionsventile beispielsweise anhand von Sensordaten oder einem in der Steuereinheit hinterlegten Steuerprogramm.
Die Steuereinheit ist beispielsweise als ein Mikrocontroller ausgeführt, in dem ein die Ventilregelung automatisch durchführendes Steuerprogramm implementiert ist. Alternativ kann aber auch zum Beispiel ein anwendungsspezifischer Integrierter Schaltkreis (ASIC) zur Steuerung der Ventile eingesetzt werden.
Der Niederdruck-Wärmetauscher ist vorzugsweise als ein Aussenwärmeübertrager ausgeführt und wird von Umgebungs- beziehungsweise Außenluft durchströmt.
Die Wärmepumpen-Anlage kann prinzipiell mit unterschiedlichen an sich bekannten Kältemitteln, insbesondere auch mit überkritischen Kältemitteln, beispielsweise CO₂, betrieben werden. Bei Letzerem erfolgt bei der Abkühlung im Kreislauf je nach Temperatur teilweise keine Kondensation sonder lediglich eine überkritische Abkühlung. Der Wärmetauscher wird in diesem Fall als Gaskühler bezeichnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Heizelement strömungstechnisch parallel zum ersten Zwischendruck-Wärmetauscher angeordnet. Hierdurch besteht die Möglichkeit, das Kältemittel über das erste Heizelement unabhängig von dem Zwischendruck-Wärmetauscher zu erwärmen. Bei ungünstigen Situationen, bei denen über den Zwischendruck-Wärmetauscher (noch) keine Wärme bereitgestellt wird, wird daher vorzugsweise das Kältemittel nur über das erste Heizelement geleitet.
Insbesondere bei dieser Parallelschaltung ist zweckdienlicherweise ein drittes Expansionsorgan vor dem ersten Heizelement angeordnet, um das Kältemittel auf ein gewünschtes Druckniveau einzustellen. Die Regelung oder Steuerung des dritten Expansionsorgans erfolgt hierbei vorzugsweise derart, dass das Zwischendruckniveau, welches beim Betrieb des Zwischendruck-Wärmetauscher durch die Temperatur des Kältemittels an dessen Ausgang (Zieltemperatur) festgelegt ist, erreicht und gehalten wird. Vorzugsweise wird das dritte Expansionsorgan weiterhin derart gesteuert, dass der über das erste Heizelement geleitete Massenstrom vollständig verdampft wird.
Das dritte Expansionsvorgang wird hierzu vorzugsweise in Abhängigkeit einer Regelgröße, insbesondere der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des ersten Heizelements geregelt. Hierzu ist geeigneterweise ein Temperatursensorelement an einem Kältemittel-Ausgang des ersten Heizelements vorgesehen.
In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung ist das erste Heizelement seriell zwischen dem ersten Zwischendruck-Wärmetauscher und dem Zwischendruckeingang des Verdichters angeordnet. Durch die serielle Anordnung ist eine höhere Kältemittelverdampfungsrate erzielbar, sodass ein erhöhter Gasmassenstrom im Zwischendruckpfad erzeugbar ist. Dadurch wird eine besonders hohe Gesamtleistung im Hochdruck-Wärmetauscher sichergestellt, ohne dass ein weiteres Expansionsventil erforderlich und auch nicht vorgesehen ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Rückschlagventil strömungstechnisch hinter dem ersten Zwischendruck-Wärmetauscher angeordnet. Insbesondere in einer parallelen Anordnung des ersten Heizelements und des ersten Zwischendruck-Wärmetauschers ist der erste Zwischendruck-Wärmetauscher komplett abschaltbar, sodass ein Kältefalleneffekt zwischen dem erwärmten Kältemittel im Strömungspfad des ersten Heizelements sowie dem parallelen Pfad mit kälteren Kältemittel des ersten Zwischendruck-Wärmetauschers auftreten kann. Durch das Rückschlagventil wird allgemein und insbesondere für diesen Fall ein Rückströmen des Kältemittels verhindert.
In einer geeigneten Ausführung ist in den Zwischendruckpfad ein zweiter Zwischendruck-Wärmetauscher, insbesondere ein Hochvoltspeicher-Verdampfer, parallel zum ersten Zwischendruck-Wärmetauscher angeordnet, Der zweite Zwischendruck-Wärmetauscher dient insbesondere zur Aufnahme von Abwärme aus einer elektronischen Fahrzeugkomponente, nämlich Insbesondere einem sogenannten Hochvoltspeicher. Der Hochvoltspeicher kann einen eigenen Kühlkreislauf aufweisen oder sich direkt im Hochvoltspeicher befinden. Der zweite Zwischendruck-Wärmetauscher ist vorzugsweise in diesen Kühlkreislauf integriert. Diesem zweiten Zwischendruck-Wärmetauscher ist weiterhin vorzugsweise ein Expansionsorgan zur Entspannung des Kältemittels auf das Zwischendruckniveau sowie ein Rückschlagventil zur Vermeidung von Rückströmen zugeordnet.
In einer bevorzugtem Ausgestaltung ist im Niederdruckpfad der Niederdruck-Wärmetauscher und/oder ein Niedertemperatur-Wärmetauscher angeordnet. Die beiden Wärmetauscher wirken beispielsweise in einem Heizbetrieb der Wärmepumpen-Anlage, bei dem der Fahrgastraum mit erwärmter Zuluft klimatisiert wird, als Verdampfer für das Kältemittel. Es wird daher Wärme aus der Umgebung und/oder aus einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeuges aufgenommen und über die Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau zur Beheizung des Fahrgastraums gebracht. Der Niedertemperatur-Wärmetauscher dient allgemein zur Kühlung von elektrischen oder elektronischen Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere zur Kühlung einer Leistungselektronik für den elektrischen Fahrantrieb. Der Niederdruck-Wärmetauscher ist typischerweise an einer Frontseite des Fahrzeuges angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein viertes Expansionsorgan zwischen dem ersten Heizelement und dem Zwischendruckeingang des Verdichters angeordnet. Über das vierte Expansionsorgan wird das Zwischendruckniveau insbesondere so geregelt, dass die Verdampfungstemperatur im Zwischendruck-Wärmetauscher auf einen gewünschten Wert genau eingeregelt wird. Dies ist für eine genau definierte Entfeuchtung von besonderem Vorteil.
Durch die von dem ersten Heizelement bereitgestellte zusätzliche Leistung ist – wie bereits ausgeführt – die Leistung des Verdichters insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen erhöht. Es wird dadurch also ein verbesserter Leistungsbeitrag des Verdichters für die gewünschte Heizleistung erzielt. Dadurch braucht das erste Heizelement nur für vergleichsweise geringe Heizleistungen ausgelegt zu sein. In einer bevorzugten Weiterbildung ist daher das erste Heizelement ein elektrischer Heizer mit einer Arbeitsspannung von lediglich maximal 60 V ist. Im Vergleich zu Hochvolt-Heizelementen, wie beispielsweise ein Hochvolt-Durchlauferhitzer – sind derartige Heizer deutlich weniger aufwändig und dadurch kostengünstiger, insbesondere auch durch den Wegfall von besonderen Hochvolt-Sicherungsmaßnahmen. Dadurch wird die Wärmepumpen-Anlage besonders kostengünstig. In einer geeigneten Weiterbildungsform ist beispielsweise lediglich eine Heizleistung von circa 0.3 bis 3 kW für das erste Heizelement vorgesehen, sodass der Heizer insbesondere lediglich eine Arbeitsspannung zwischen 12 V und 48 V entsprechend einer üblichen herkömmlichen Bordnetzspannung aufweisen kann.
Im Kältemittelkreislauf ist üblicherweise ein Sammler als Reservoir für das Kältemittel vorgesehen. In zweckdienlicher Ausgestaltung ist ein zweites elektrisches Heizelement zum Beheizen des Kältemittels des Sammlers angeordnet, vorzugsweise innerhalb des Sammlers. Bei einem Anfahren der Wärmepumpen-Anlage insbesondere bei tiefen Außentemperaturen muss aus dem Sammler regelmäßig Kältemittel in den Kreislauf eingespeist werden, so dass der Massenstrom des Kältemittels erhöht wird. Hierzu muss das Kältemittel im Sammler verdampft werden. Gerade im kritischen Anfahrbetrieb bei niedrigen Temperaturen wird daher die Leistung der Wärmepumpenanlage negativ beeinflusst. Insbesondere da bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem Kältemittel und der Umgebung die Erwärmung des Kältemittels in dem Niederdruck-Wärmetauscher sehr langsam erfolgt. Dadurch werden aus dem Sammler nur geringe Mengen an Kältemittel nachgeführt, so dass auch lediglich ein langsamer Druckaufbau durch den Verdichter möglich ist. Durch das zweite Heizelement wird das Kältemittel im Sammler erwärmt und somit teilweise verdampft, sodass ein schnellerer Druckaufbau ermöglicht ist.
Das zweite Heizelement ist nicht notwendigerweise innerhalb des Sammlers angeordnet. Alternativ ist es zum Beispiel nach Art einer Heizspule um den Sammler herum angeordnet. In einer vorteilhaften Dimensionierung weist das zweite Heizelement zum Zwecke einer verbesserten Anfahrdynamik eine Heizleistung von vorzugsweise 100 W–500 W auf. Dadurch wird ein effizientes Verdampfen des Kältemittels im Verdampfer erreicht. So sind beispielsweise mittels 200 W elektrischer Heiz-Leistung 100 ml Kältemittel in etwa 100 s verdampfbar.
Zweckdienlicherweise wird das zweite Heizelement auch in einem Normalbetrieb der Wärmepumpen-Anlage als zusätzliche Wärmequelle genutzt, wenn die Leistung der Wärmequellen des Niederdruck- oder Niedertemperatur-Wärmetauscher nicht ausreicht. Hierbei wird die Heizleistung vorzugsweise derart geregelt, dass überhitztes Kältemittel aus dem Sammler austritt, wobei die Überhitzung vorzugsweise etwa 1–20°C beträgt. Für diese entsprechende Regelung der Heizleistung ist ein Regelkreis ausgebildet mit der Austrittstemperatur als Regelgröße. Hierzu ist vorzugsweise ein Temperatursensor am Austritt des Sammlers angeordnet.
Alternativ wird die Heizleistung auch durch einen Algorithmus gesteuert, der aus der Verdichterdrehzahl, sowie dem Drücken eine geeignete Leistung berechnet.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei einem Anfahrvorgang der Wärmepumpen-Anlage lediglich der Verdichter, das erste Heizelement und/oder das zweite Heizelement in Betrieb sind. Dadurch wird eine verbesserte Anfahrdynamik der Wärmepumpen-Anlage sichergestellt. Vorzugsweise werden mit steigender Abwärmegenerierung nach und nach die verschiedenen Wärmetauscher hinzugeschaltet.
Die Anordnung des zweiten Heizelements im Sammler wird als eigenständige Erfindung unabhängig von der Ausbildung des Zwischendruck-Strömungspfades und der Anordnung des ersten Heizelements angesehen. Die Einreichung einer Teilanmeldung hierauf bleibt vorbehalten.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
1 eine Wärmepumpen-Anlage für ein Fahrzeug gemäß einer ersten Variante mit einem Zwischendruck-Wärmetauscher als Verdampfer und mit einem hierzu parallel angeordneten elektrischen Heizer,
2 die Wärmepumpen Anlage gemäß 1 während eines Heizbetriebs,
3 eine alternative Ausführung der Wärmepumpen-Anlage, wobei der elektrische Heizer seriell zum Verdampfer angeordnet ist und
4 eine weitere Variante gemäß einer Wärmepumpen-Anlage mit einem beheizbaren Sammler.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch der funktionelle Aufbau einer Wärmepumpen-Anlage 2 in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug dargestellt. Die Wärmepumpen-Anlage 2 umfasst einen geschlossenen Kältemittelkreislauf 4 als Strömungspfad für ein Kältemittel.
Der Kältemittelkreislauf 4 umfasst im Wesentlichen einen Verdichter 6, einen nachfolgend als Heiz-Kondensator 8 bezeichneten Hochdruck-Wärmetauscher, ein erstes Expansionsventil 10 sowie einen nachfolgend als Außenwärme-Übertrager 12 bezeichneten Niederdruck-Wärmetauscher. Das Kältemittel wird zunächst mittels des Verdichters 6 komprimiert und somit auf ein Hochdruckniveau p_H gebracht, anschließend wird das Kältemittel unter Wärmeabgabe am Heiz-Kondensator 8 abgekühlt. Das erste Expansionsventil 10 ist eine als Expansionsorgan ausgeführte Drossel, über die das gekühlte Kältemittel auf ein Niederdruckniveau p_N entspannt wird. Anschließend wird das Kältemittel in dem strömungstechnisch nachgeschalteten Außenwärme-Übertrager 12 unter Wärmeaufnahme wieder erwärmt und über einen Sammler 14 dem Verdichter 6 wieder zugeführt.
Der Kältemittelkreislauf 4 weist weiterhin einen zwischen dem Heiz-Kondensator 8 und dem ersten Expansionsventil 10 angeordneten Zwischendruck-Wärmetauscher auf, der nachfolgend als Verdampfer 16 bezeichnet wird. Diesem ist ein zweites Expansionsventil 18 zur Entspannung des Kältemittels auf ein Zwischendruckniveau p_Z vorgeschaltet. Das Zwischendruckniveau p_Z ist drucktechnisch zwischen dem Hochdruckniveau p_H und dem Niederdruckniveau p_N eingeordnet.
Der Verdichter 8 weist einen sammlerseitigen Niederdruckeingang 20, einen verdampferseitigen Zwischendruckeingang 22 und einen kondensatorseitigen Hochdruckausgang 24 auf. Im Betrieb wird vom Verdichter 6 über den Niederdruckeingang 20 auf dem Niederdruckniveau p_N Kältemittel angesaugt. Über den Zwischendruckeingang 22 wird dem Verdichter 6 auf dem Zwischendruckniveau p_Z befindliches Kältemittel eingespeist. Das aus dem Niederdruckeingang 20 und dem Zwischendruckeingang 22 zugeführte Kältemittel wird durch den Verdichter 6 verdichtet und auf dem Hochdruckniveau p_H über den Hochdruckausgang 24 wieder dem Kältekreislauf 4 zugeführt.
Zwischen dem Hochdruckausgang 24 des Verdichters 6 und dem Heiz-Kondensator 8 ist ein elektrisch steuerbares Schaltventil 26 im Strömungspfad des Kältemittels angeordnet. Der Heiz-Kondensator 8 ist wärmestromtechnisch mit einem Heizmittelkreislauf 28 gekoppelt, mittels dem Wärme an einen Fahrgastraum des Fahrzeugs übertragbar ist. Beim Durchströmen des Heiz-Kondensators 8 wird Wärme mit einer im Heizmittelkreislauf 28 befindlichen Heizflüssigkeit ausgetauscht. Die Heizflüssigkeit ist in dieser Ausführung im Wesentlichen Wasser.
Der Heizmittelkreislauf 28 umfasst im Wesentlichen eine Wasserpumpe 30 sowie einen Heiz-Wärmetauscher 32. Mittels des Heiz-Wärmetauschers 32 ist Wärme von der Heizflüssigkeit an die in den Fahrgastraum strömenden Luft übertragbar.
Im Kältemittelkreislauf 4 wird das auf dem Hochdruckniveau p_H befindliche Kältemittel nach dem Heiz-Kondensator 8 mittels des elektronisch regelbaren zweiten Expansionsventils 18 auf das Zwischendruckniveau p_Z entspannt. Das entspannte Kältemittel durchströmt den Verdampfer 16. Dieser ist üblicherweise gemeinsam mit dem Heiz-Wärmetauscher 32 in einem von der zu klimatisierenden Luft durchströmbaren Gehäuse eines Klimagerätes angeordnet. Dadurch wird der Verdampfer 16 und der Heiz-Wärmetauscher 32 von Luft durch- oder umströmt. Im Verdampfer 16 nimmt das Kältemittel zur Kühlung und/oder Entfeuchtung der Luft Wärme aus der Luft auf und erwärmt sich dabei.
Stromabwärts des Verdampfers 16 wird das Kältemittel in einen Abscheider 34 zum Trennen von Gasanteilen von Flüssigkeitsanteilen eingespeist. Der Abscheider 34 weist einen Gasausgang 36 auf, mittels dem der Gasanteil des Kältemittels zu dem Zwischendruckeingang 22 des Verdichters 6 strömen kann. Im Strömungspfad zwischen dem Gasausgang 36 und dem Zwischendruckeingang 22 ist ein elektrisch steuerbares viertes Expansionsventil 38 angeordnet. Der Abscheider 34 umfasst weiterhin einen Ausgang 40 für das abgeschiedene flüssige Kältemittel. Das vom Ausgang 40 strömende, auf dem Zwischendruckniveau p_Z befindliche Kältemittel ist mittels des elektrisch steuerbaren ersten Expansionsventils 10 auf das Niederdruckniveau p_N entspannbar.
Das von dem Heiz-Kondensator 8 kommende, auf dem Hochdruckniveau p_H befindliche Kältemittel wird ferner über zwei weitere Strömungspfade parallel zum Verdampfer 16 geleitet. Im ersten Parallelpfad entspannt ein elektrisch steuerbares fünftes Expansionsventil 42 das Kältemittel auf das Zwischendruckniveau p_Z, bevor es einen Hochvoltspeicher-(HVS) beziehungsweise HVS-Verdampfer 44 durchströmt. Nach dem Durchströmen des HVS-Verdampfers 44 strömt das teilweise erwärmte Kältemittel über ein Rückschlagventil 46 in den Abscheider 34.
Im zweiten Parallelpfad wird das Kältemittel mittels eines elektrisch steuerbaren dritten Expansionsventils 48 auf das Zwischendruckniveau p_Z entspannt, bevor es ein als elektrischer Heizer 50 ausgebildetes erstes Heizelement durchströmt. Der Heizer 50 dient im Betrieb parallel zu dem Verdampfer 16 und dem HVS-Verdampfer 44 als zusätzliche Wärmequelle für den Zwischendruckbereich. Dadurch wird der Gasanteil im Massenstrom des Kältemittels innerhalb des Zwischendruckbereichs erhöht, wodurch sich die Leistungsfähigkeit des Verdichters 6 und somit der gesamten Wärmepumpen-Anlage 2 verbessert. Zur Verhinderung eines Kältefallen-Effektes zwischen dem Heizer 50 und dem Verdampfer 16 ist hinter dem Verdampfer 16 zweckmäßigerweise ein weiteres Rückschlagventil 52 in den Strömungspfad eingebaut. Die Verteilung des Kältemittels zwischen dem parallelen Heizerpfad, dem Verdampferpfad und dem HVS-Verdampferpfad erfolgt entsprechend des Kühl- beziehungsweise Heizbedarfs mittels einer entsprechenden Regelung der Expansionsventile 18, 42 und 48.
Das durch das Expansionsventil 10 auf das Niederdruckniveau p_N entspannte Kältemittel fließt einerseits durch ein elektrisch steuerbares Schaltventil 54 und den Außenwärmeübertrager 12 und andererseits durch ein elektrisch steuerbares Schaltventil 56, einen Niedertemperatur- oder NT-Wärmetauscher 58 und ein Rückschlagventil 60. Der NT-Wärmetauscher 58 ist durch Steuerung des Schaltventils 56 bei Bedarf zuschaltbar, beispielsweise zur Kühlung von elektronischen Fahrzeugbauteilen. Der Außenwärmeübertrager 12 wird von Außenluft durchströmt.
An einer Verbindungsstelle 62 sind die beiden parallelen Strömungspfade des Außenwärmeübertragers 12 und des NT-Wärmetausches 58 wieder zusammengeführt. Die Verbindungsstelle 62 ist mittels eines elektrisch ansteuerbaren Schaltventils 64 mit einem Eingang 66 des Sammlers 14 strömungstechnisch gekoppelt. Ein Ausgang 68 des Sammlers 14 ist wiederrum mit dem Niederdruckeingang 20 des Verdichters 6 verbunden. Der Ausgang 40 des Abscheiders 34 ist weiterhin über ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil 70 mit dem Eingang 68 des Sammlers 14 verbunden.
Der Hochdruckausgang 24 des Verdichters 6 ist ferner über ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil 72 mit der Verbindungsstelle 62 verbunden.
Zwischen dem Ausgang des Heiz-Kondensators 8 und den Expansionsventilen 18, 42 und 48 ist eine zweite Verbindungsstelle 74 vorgesehen, welche über ein Rückschlagventil 76 mit einer dritten Verbindungsstelle 78 strömungstechnisch verbunden ist. Die Verbindungsstelle 78 ist stromabwärts des Expansionsventils 10 angeordnet, in dem Bereich wo sich der Strömungspfad in die Pfade des Außenwärmeübertragers 12 und des NT-Wärmetauschers 58 aufspaltet.
Die Expansionsventile 10, 18, 38, 42 und 48, sowie die Schaltventile 26, 54, 56, 64, 70 und 72 werden mittels einer nicht näher dargestellten elektronischen Steuereinheit, beispielsweise Anhand von Sensordaten oder einem in der Steuereinheit hinterlegten Steuerprogramm gesteuert oder geregelt. Die Steuereinheit ist beispielsweise als ein Mikrocontroller ausgeführt, in dem ein die Ventilregelung automatisch durchführenden Steuerprogramm implementiert ist. Alternativ kann aber auch zum Beispiel ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) zur Steuerung der Ventile eingesetzt werden.
Wie in 1 deutlich wird, ist der Strömungspfad des Kältemittelkreislaufs 4 im Wesentlichen in drei Abschnitte – ein Hochdruckpfad 80, ein Zwischendruckpfad 82 und ein Niederdruckpfad 84 – gemäß der jeweils vorliegenden Kältemitteldruckniveaus p_H, p_Z und p_N unterteilt. Die Druckpfade 80, 82 und 84 sind jeweils mittels Expansionsventile voneinander getrennt.
Der Hochdruckpfad 80, in dem das Kältemittel auf dem Hochdruckniveau p_H ist, erstreckt sich zwischen dem Hochdruckausgang 24 des Verdichters 6 bis zu den Expansionsventilen 18, 42 und 48 die das Kältemittel auf das Zwischendruckniveau p_Z entspannen. Der dadurch beginnende Zwischendruckpfad 82 erstreckt sich einerseits bis zu dem Expansionsventil 38, sowie zu dem Expansionsventil 10, das das Kältemittel vom Zwischendruckniveau p_Z auf das Niederdruckniveau p_N entspannt. Der Niederdruckpfad 84 erstreckt sich strömungstechnisch von dem Expansionsventil 10 bis zum Niederdruckeingang 20 des Verdichters 6.
2 zeigt die Wärmepumpen-Anlage 2 im Heizbetrieb. Die Pfeile geben die Strömungsrichtung des Kältemittels bzw. der Heizflüssigkeit an. Im Heizbetrieb strömt Kältemittel vom Hochdruckausgang 24 über das Schaltventil 26 durch den Heiz-Kondensator 8. Das Schaltventil 72 ist im Heizbetrieb geschlossen. Das vom Heiz-Kondensator 8 strömende Kältemittel wird in den Expansionsventilen 18, 42 und 48 auf das Zwischendruckniveau p_Z entspannt. Die Steuerung des dritten Expansionsventils 48 erfolgt derart, dass für des durch die Verdichterauslegung vorgegebene minimale Zwischendruckniveau p_Z (bezogen auf das Hochdruckniveau p_H) etwas überschritten wird. Der Heizer 50 ist je nach Auslegung des Zwischendruckniveaus p_Z beispielsweise auf einen Leistungsbereich von etwa 0.3 bis 2 kW ausgelegt.
Das vom vom Heizer 50, dem Verdampfer 16 und von dem HVS-Verdampfer 44 kommende Kältemittel strömt in den Abscheider 34. Gasförmiges Kältemittel wird aus dem Abscheider 34 über des (geöffnete) Schaltventil 38 dem Zwischendruckeingang 22 des Verdichters 6 zugeführt.
Flüssiges Kältemittel strömt über den Ausgang 40 zum Expansionsventil 10, wo es auf das Niederdruckniveau p_N entspannt wird. Über die geöffneten Schaltventile 54, 56 strömt das Kältemittel durch den Außenwärmeübertrager 12 und den NT-Wärmeübertrager 58. Anschließend strömt das nun verdampfte Kältemittel über das Schaltventil 64 in den Sammler 14, von wo es erneut über den Ausgang 68 und den Niederdruckeingang 20 von dem Verdichter 6 angesaugt und verdichtet wird. Das Schaltventil 70 zwischen dem Ausgang 40 des Abscheiders 34 und dem Eingang 66 des Sammlers 14 ist im Heizbetrieb geschlossen.
Anhand der 3 wird eine erste Alternativausführung der Wärmepumpen-Anlage 2 näher erläutert. In dieser Ausführung ist der Heizer 50 seriell zu dem Verdampfer 16 und dem HVS-Verdampfer 44 angeordnet. Hierbei entfallen das dritte Expansionsventil 48 und das Rückschlagventil 52. Dies stellt dadurch eine kostengünstige Variante dar. Dadurch sind höhere Verdampfungsraten des Kältemittels realisierbar, wodurch ein höherer Gasmassenstrom im Zwischendruckbereich nutzbar ist. Dadurch wird weiterhin die Gesamtleistung im Heiz-Kondensator 8 verbessert.
In 4 ist eine zweite Alternativausführung der Wärmepumpen-Anlage 2 dargestellt. Die Ausführung ist im Wesentlichen identisch zu der in 3, wobei innerhalb des Sammlers 14 eine zusätzliche elektrische Heizung 86 als zweites Heizelement vorgesehen ist. Die Heizung 86 verdampft im Betrieb zumindest teilweise das Kältemittel innerhalb des Sammlers 14, wodurch sich insbesondere die Anfahrdynamik der Wärmepumpen-Anlage 2 verbessert. Zusätzlich wird die Heizleistung vorzugsweise auch im Normalbetrieb der Wärmepumpen-Anlage 2 genutzt, wenn beispielsweise die Wärmeleistung des Außenwärmeübertrager 12 und/oder des NT-Wärmetauschers nicht ausreichend hoch ist. Beim Betrieb der Heizung 86 ist vorzugsweise eine Heizleistungsregelung durch die Steuereinheit vorgesehen, bei der die Austrittstemperatur aus dem Sammler 14 mittels eines Temperatursensors erfasst wird und auf eine Überhitzung des Kältemittels am Verdichtereingang 20 von insbesondere 1–20°C geregelt wird. Die Heizung 86 ist beispielsweise derart dimensioniert, dass mit einer elektrischen Leistung von 200 W etwa 100 ml Kältemittel in circa 100 s verdampfbar sind.
Bevorzugterweise sind bei einem Starten des Fahrzeugs und dem dabei gleichzeitigen Anfahren der Wärmepumpen-Anlage 2 lediglich der Verdichter 6, der Heizer 50 und die Heizung 86 im Betrieb, solange noch nicht genügend Abwärme von den Fahrzeugkomponenten bereitgestellt ist. Dadurch verbessert sich die Anfahrdynamik der Wärmepumpen-Anlage 2, wodurch der Fahrgastraum schneller beheizbar wird. Sobald hinreichend Abwärme generiert wird, werden die Wärmetauscher 16, 44, 12 und 58 durch die Steuereinheit selektiv je nach Bedarf und Wärmeangebot zugeschalten.
Die Schaltungen in den 1 bis 4 sind auch für ein überkritisches Kältemittel, wie beispielsweise das Hochdruckkältemittel CO₂ anwendbar. Hierbei ist der Hochdruck-Wärmetauscher nicht als Heiz-Kondensator 8 sondern als Gaskühler ausgebildet, in dem das Kältemittel abgekühlt wird. Ebenso ist dann im Kühlbetrieb der Wärmetauscher 12 als Gaskühler ausgebildet. Die Schaltungen in 1 bis 4 sind auch für eine direkte Wärmeübertragung in den Innenraum ohne einen Heizkreislauf 28 anwendbar. In diesem Fall ist der Heizkondensator 8 als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet, der im Klimagerät strömungsseitig bzgl. der Luft nach dem Verdampfer 16 angeordnet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Wärmepumpen-Anlage
4: Kältemittelkreislauf
6: Verdichter
8: Heiz-Kondensator (Hochdruck-Wärmetauscher)
10: Expansionsventil
12: Außenwärmeübertrager (Niederdruck-Wärmetauscher)
14: Sammler (Zwischendruck-Wärmetauscher)
16: Verdampfer
18: zweites Expansionsventil
20: Niederdruckeingang
22: Zwischendruckeingang
24: Hochdruckeingang
26: Schaltventil
28: Heizmittelkreislauf
30: Wasserpumpe
32: Heiz-Wärmetauscher
34: Abscheider
36: Gasausgang
38: zweites Expansionsventil
40: Ausgang
42: fünftes Expansionsventil
44: HVS-Verdampfer
46: Rückschlagventil
48: drittes Expansionsventil
50: Heizer
52: Rückschlagventil
54: Schaltventil
56: Schaltventil
58: NT-Wärmetauscher
60: Rückschlagventil
62: Verbindungsstelle
64: Schaltventil
66: Eingang
68: Ausgang
70: Schaltventil
72: Schaltventil
74: Verbindungsstell
76: Rückschlagventil
78: Verbindungsstelle
80: Hochdruckpfad
82: Zwischendruckpfad
84: Niederdruckpfad
86: Heizung
p_N: Niederdruckniveau
p_H: Nochdruckniveau
p_Z: Zwischendruckniveau

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011109055 A1 [0003]
DE 102011076507 A1 [0005]
DE 102012208992 [0009]

Claims

Wärmepumpen-Anlage (2) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeuges, mit einem Kältemittelkreislauf (4) umfassend einen Strömungspfad für ein Kältemittel mit einem Verdichter (6) zur Verdichtung des Kältemittels auf ein Hochdruckniveau (p_H), einem Hochdruck-Wärmetauscher (8) zur Abgabe von Wärme des Kältemittels, einem ersten Expansionsorgan (10) in einem Niederdruckströmungspfad (84) zur Entspannung des Kältemittels auf ein Niederdruckniveau (p_N), einem Niederdruck-Wärmetauscher (12) zur Aufnahme von Wärme in das Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein zweites Expansionsorgan (18) angeordnet ist zur Entspannung des Kältemittels auf ein Zwischendruckniveau (p_Z) für einen ersten Zwischendruck-Wärmetauscher (16), der strömungstechnisch in einem Zwischendruckströmungspfad (82) zwischen dem Hochdruck-Wärmetauscher (8) und dem ersten Expansionsorgan (10) angeordnet und mit einem Zwischendruckeingang (22) des Verdichters (16) verbunden ist, und dass weiterhin ein erstes elektrisches Heizelement (50) im Zwischendruckströmungspfad (82) angeordnet ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (50) strömungstechnisch parallel zum ersten Zwischendruck-Wärmetauscher (16) angeordnet ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Heizelement (50) ein drittes Expansionsorgan (48) angeordnet ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (50) strömungstechnisch seriell zwischen dem ersten Zwischendruck-Wärmetauscher (16) und dem Zwischendruckeingang (22) angeordnet ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch hinter dem ersten Zwischendruck-Wärmetauscher (16) ein Rückschlagventil (52) angeordnet ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischendruckströmungspfad (82) ein zweiter Zwischendruck-Wärmetauscher (44), insbesondere ein Hochvoltspeicher-Verdampfer, parallel zum ersten Zwischendruck-Wärmetauscher (16) angeordnet ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckströmungspfad (84) der Niederdruck-Wärmetauscher (12) und/oder ein Niedertemperatur-Wärmetauscher (58) angeordnet sind.
Wärmepumpen-Anlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Expansionsorgan (38) zwischen dem ersten Heizelement (50) und dem Zwischendruckeingang (22) angeordnet ist,
Wärmepumpen-Anlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (50) insbesondere ein elektrischer Heizer mit einer Arbeitsspannung von maximal 60 V ist.
Wärmepumpen-Anlage (2) für ein Fahrzeug, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Kältemittelkreislauf (4) umfassend einen Strömungspfad für ein Kältemittel mit einem Verdichter (6) zur Verdichtung des Kältemittels auf ein Hochdruckniveau (p_H), einem Hochdruck-Wärmetauscher (8) zur Abgabe von Wärme des Kältemittels, einem ersten Expansionsorgan (10) in einem Niederdruckströmungspfad (84) zur Entspannung des Kältemittels auf ein Niederdruckniveau (p_N), einem Niederdruck-Wärmetauscher (12) zur Aufnahme von Wärme in das Kältemittel, wobei weiterhin ein Sammler (14) als Reservoir für das Kältemittel angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Heizelement (86) zum Beheizen des Sammlers (14) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpen-Anlage (2) in einem Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Bedarf das Kältemittel im Zwischendruckströmungspfad (82) mittels des ersten Heizelements (50) elektrisch erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Anfahren der Wärmepumpen-Anlage (2) der Verdichter (6) und das erste Heizelement (50) in Betrieb sind.
Verfahren, insbesondere nach Anspruch 11 oder 12, zum Betrieb einer Wärmepumpen-Anlage (2) in einem Fahrzeug nach Anspruch 10, bei dem Kältemittel in dem Sammler (14) mittels eines zweiten Heizelements (86) erwärmt wird.