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Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Konditionierung des Innenraums eines Kraftfahrzeugs mit einem solchen Thermomanagementsystem.
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Ein derartiges Thermomanagementsystem ist beispielsweise aus der
WO 2011/029538 A1 zu entnehmen.
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Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen besteht allgemein das Problem, dass im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren nur noch eine geringe Abwärme des Verbrennungs- oder Elektroantriebs zur Verfügung steht, die für andere Zwecke, insbesondere für die Beheizung des Fahrgastinnenraums herangezogen werden kann. Ein Rückgriff auf die zur Verfügung stehende elektrische Energie zu Heiz- oder Kühlzwecken reduziert regelmäßig die mögliche Reichweite im elektrischen Fahrbetrieb. Von daher sind für Elektro- oder Hybridfahrzeuge energieeffiziente Thermomanagement-Systeme gewünscht, bei denen ein energieeffizientes Heizen oder Kühlen des Fahrgastinnenraums gewährleistet ist.
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Um eine möglichst effiziente Erwärmung des Fahrgastinnenraums auch bei tiefen Außentemperaturen zu ermöglichen, werden häufig Wärmepumpen basierend auf einen Kältemittelkreis mit integriertem Kompressor eingesetzt. Mit Hilfe derartiger Wärmepumpen wird allgemein Wärme aus einem Wärmereservoir, insbesondere der Umgebung, nach dem Wärmepumpenprinzip auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und an den Innenraum abgegeben.
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In der
WO 2011/029538 A1 ist ergänzend zu der Ausnutzung der Umgebungswärme auch die Ausnutzung der Abwärme aus dem elektrischen Antriebsstrang beschrieben. Die Abwärme wird dabei einem Verdampfer des Kältekreislaufs der Wärmepumpe zugeführt.
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Aus der
DE 10 2010 043 576 A1 ist weiterhin ein Thermomanagementsystem zu entnehmen, bei welchem in herkömmlicher Art und Weise ein Heizungswärmetauscher zur Beheizung des Innenraums in einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Verbrennungsmotors eingebunden ist. Ergänzend ist die Abwärme des elektrischen Antriebsstranges über einen zusätzlichen Wärmetauscher in den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors einbringbar.
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Aus der
DE 10 2008 020 366 A1 ist weiterhin ein Innenraum-Konditionierungssystem zu entnehmen, bei dem als eine primäre Kühlquelle eine herkömmliche Kompressor-Klimaanlage mit Kältemittelkreislauf eingesetzt ist. Daneben ist als eine sekundäre Kühlquelle eine Peltier-Einrichtung verwendet, die beispielsweise in einen Sitz zur Sitzkühlung integriert ist. Hierbei ist vorgesehen, Luft durch den Sitz zirkulieren zu lassen, welche über die Peltier-Einrichtung gekühlt wird.
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Aus der
DE 10 2010 021 901 A1 ist ein spezieller Aufbau einer derartigen Peltier-Einrichtung zu entnehmen, bei dem mehrere thermoelektrischen Peltier-Module mäanderförmig von einem Fluid durchströmt werden.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein energieeffizientes Thermomanagementsystem insbesondere für Elektro- und Hybridfahrzeuge anzugeben.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Thermomanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Konditionierung des Innenraums eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines solchen Thermomanagementsystems.
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Die im Hinblick auf das Thermomanagementsystem angeführten Vorzüge und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
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Das Thermomanagementsystem umfasst einen ersten Kühlmittelkreislauf, in dem ein flüssiges Kühlmittel zur Temperierung von elektrischen Komponenten eines elektrischen Antriebsstranges temperiert und insbesondere gekühlt werden. Bei diesen Komponenten handelt es sich wahlweise oder in Kombination um einen elektrischen Antriebsmotor für den Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs, eventuell eine Batterie für diesen Antrieb oder auch eine Leistungselektronik zur Steuerung des Antriebsmotors. In diesem ersten Kühlmittelkreislauf ist eine Pumpe und ein Umgebungswärmetauscher zur Abgabe von überschüssiger Wärme an die Umgebung integriert. Weiterhin umfasst das Thermomanagementsystem eine Konditioniereinheit zur Konditionierung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs, insbesondere die Fahrgastzelle. Die Konditioniereinheit wird üblicherweise als HVAC-Einheit („Heating Ventilation Air Conditioning“) oder auch als Klimagerät bezeichnet. Diese Konditioniereinheit dient je nach aktuellen Anforderungen entweder zum Wärmen oder zum Kühlen des Innenraums und vorzugsweise ergänzend auch zum Entfeuchten der Innenraum-Luft. Bei dieser Konditioniereinheit handelt es sich insbesondere um eine in einem Gehäuse integrierte Baueinheit, die in geeigneter Weise an Luftkanälen zur Innenraum-Belüftung angeschlossen und mit einem Gebläse versehen ist.
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Weiterhin enthält diese Konditioniereinheit zumindest einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme in die bzw. zur Aufnahme von Wärme aus einem Zuluftstrom, der durch die Konditioniereinheit strömt. Das Thermomanagementsystem weist darüber hinaus einen zweiten Kühlmittelkreislauf für ein flüssiges Kühlmittel zur Konditionierung des Innenraums auf. Der zweite Kühlmittelkreislauf ist für eine geringere (maximale) Betriebstemperatur als der erste Kühlmittelkreislauf ausgelegt und dient wahlweise zur Beheizung oder auch zur Kühlung des Innenraums. Er ist dabei unabhängig vom ersten Kühlmittelkreislauf betreibbar, weist also eine weitere Pumpe zum Umwälzen des flüssigen Kühlmittels auf und ist ebenfalls an einen Umgebungswärmetauscher angeschlossen, so dass das im zweiten Kühlmittelkreislauf geführte Kühlmittel zum Wärmetausch durch den Umgebungswärmetauscher führbar ist. Je nach Betriebssituation dient der Umgebungswärmetauscher dabei zur Rückkühlung des Kühlmittels im zweiten Kühlmittelkreislauf im Falle eines Kühlbetriebs oder auch zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung im Falle eines Heizbetriebs. In den zweiten Kühlmittelkreislauf ist weiterhin zur Temperierung des Innenraums eine Temperiervorrichtung insbesondere als Teil der Konditioniereinheit integriert, welche zum Temperieren, insbesondere zum Heizen nach Art einer Wärmepumpe arbeitet. Im Heizfall nimmt daher die Temperiervorrichtung aus einer Wärmequelle, beispielsweise aus der Umgebung über den Umgebungswärmetauscher, Wärme auf und hebt die Temperatur nach dem Wärmepumpenprinzip auf eine höhere Temperatur an. Schließlich sind die beiden Kühlmittelkreisläufe miteinander zur wechselseitigen Wärmeübertragung koppelbar. Insbesondere dient die Koppelung zur Übertragung von Wärme aus dem ersten Kühlmittelkreislauf in den zweiten Kühlmittelkreislauf.
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Der erste Kühlmittelkreislauf wird nachfolgend auch als Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT-Kühlkreislauf) und der zweite Kühlmittelkreislauf als Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT-Kühlkreislauf) bezeichnet. Im Normalbetrieb weisen die beiden Kühlkreisläufe unterschiedliche Temperaturniveaus auf. Unter Normalbetrieb wird hierbei ein Zustand im warmen Fahrbetrieb verstanden. Im normalen elektrischen Fahrbetrieb erreicht der HT-Kühlkreislauf typischerweise eine maximale Betriebstemperatur zwischen 70° bis 90°C. Demgegenüber sind im zweiten Kühlmittelkreislauf üblicherweise keine zu kühlenden, heißen Fahrzeugkomponenten angeordnet. Die maximale Betriebstemperatur des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf liegt typischerweise im Bereich von 40°C bis 50°C. Bei dem hier beschriebenen Thermomanagementsystem ist also zusätzlich zu einem herkömmlichen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des elektrischen Antriebsstrangs ein weiterer, mit diesem Kühlmittelkreislauf koppelbarer Kühlmittelkreislauf mit geringerem maximalem Temperaturniveau angeordnet. In diesen NT-Kühlkreislauf wird im Kühlmodus, wenn also der Innenraum gekühlt werden soll, Wärme eingebracht. In einem Heizmodus, wenn der Innenraum geheizt werden soll, wird Wärme aus dem NT-Kühlkreislauf Wärme in den Innenraum abgegeben. Der Wärmetausch erfolgt hierbei über die Konditioniereinheit. Durch diese zusätzliche separate Ausbildung eines NT-Kühlkreislaufes ist eine verbesserte energieeffiziente Nutzung der unterschiedlichen im Fahrzeug zur Verfügung stehender Energie- und Wärmequellen ermöglicht.
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Zweckdienlicherweise handelt es sich bei der Temperiervorrichtung um ein thermomagnetisches und insbesondere ein thermoelektrisches Modul. Die Temperierung des Innenraums erfolgt daher über einen elektrischen oder elektromagnetischen Effekt. In beiden Fällen wird ein reversibel arbeitender elektrischer bzw. elektromagnetischer Effekt ausgenutzt, um wahlweise den Innenraum zu kühlen oder auch zu heizen. Das thermoelektrische Modul ist dabei bevorzugt als Peltier-Modul ausgebildet, wie es an sich grundsätzlich bekannt ist. Dieses umfasst mehrere untereinander verschaltete Peltierelemente. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird bei diesem Peltier-Modul eine Temperaturdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Moduls, nämlich der Heißseite und der Kaltseite erzeugt. In ähnlicher Weise wird bei einem thermomagnetischen Modul durch eine reversible Magnetisierung/Entmagnetisierung eines geeigneten Materials eine Kühl- oder auch eine Heizleistung erzeugt. Die Wirkung beruht hierbei auf dem magnetokalorischen Effekt, welcher ebenfalls grundsätzlich bekannt ist. Der besondere Vorteil ist darin zu sehen, dass das Modul in den NT-Kühlkreislauf integriert ist. Das Modul ist dabei zumindest partiell mit dem Kühlmittel in wärmetauschender Verbindung und ist beispielsweise von diesem durch- bzw. angeströmt. Eine der Seiten des Moduls – auch als die Wasserseite bezeichnet – steht daher in wärmetauschendem Kontakt mit dem zweiten Kühlmittel. Die andere Seite des Moduls – auch als Luftseite bezeichnet – wird üblicherweise von einem Luftstrom umströmt zur Temperierung des Innenraums. Je nach Betriebsart – ob also in einem Kühlmodus oder Heizmodus – kann die Wasserseite die Heißseite oder die Kaltseite sein.
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Da der Wirkungsgrad und die Effizienz beispielsweise eines Peltier-Moduls maßgeblich von dem Temperaturunterschied zwischen Heiß- und Kaltseite abhängt, wird durch diese Maßnahme des gezielten Wärmeaustauschs zu dem Kühlmittel der Wirkungsgrad des Peltier-Moduls erheblich gesteigert. Durch diese Maßnahme arbeitet das Peltier-Modul oder auch das thermomagnetische Modul im Heizbetrieb auch nach Art einer Wärmepumpe. In diesem Fall wird die Kaltseite erwärmt, um den Temperaturunterschied zwischen Heiß- und Kaltseite für eine möglichst hohe Ausbeute der eingesetzten elektrischen Energie möglichst gering zu halten. Die Kaltseite wird dabei lediglich dem Temperaturniveau der Heißseite angenähert, bleibt jedoch weiterhin kälter als die Heißseite. Insgesamt wird durch die Integration des Peltier-Moduls oder auch des thermomagnetischen Moduls die Ausnutzung der eingesetzten elektrischen Energie verbessert.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Temperiervorrichtung als Teil eines beispielsweise kompressorbetriebenen Kältekreislaufs auszubilden. In diesem Fall ist in der Konditioniereinheit ein Wärmetauscher (Verdampfer / Kondensator) des Kältemittelkreislaufs angeordnet. Zweckdienlicherweise wird jedoch auf einen Kältemittelkreislauf, insbesondere auf einen kompressorbetriebenen Kältemittelkreislauf, verzichtet. Bei einem derartigen Kältemittelkreislauf wird üblicherweise ein Kältemittel mit Hilfe eines Kompressors verdichtet, gibt über einen Kondensator Wärme ab, wird über ein Expansionsventil entspannt und nimmt über einen Verdampfer Wärme auf. Der gerätetechnische Aufwand ist groß. Durch den Verzicht auf einen derartigen Kältemittelkreislauf mit Kompressoreinheit für die Konditionierung des Fahrgastinnenraums ist daher insgesamt ein gerätetechnisch vereinfachter Aufbau erzielt. Die aktive Kühlung des Innenraums erfolgt vorzugsweise ausschließlich mit Hilfe des thermomagnetischen oder thermoelektrischen Moduls, sofern in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur nicht bereits eine ausreichende passive Kühlung möglich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dem NT-Kühlkreislauf ein eigener, zweiter Umgebungswärmetauscher zugeordnet. Das Thermomanagementsystem weist daher für jeden der Kühlmittelkreisläufe einen eigenen Umgebungswärmetauscher zum Wärmetausch mit der Umgebungsluft auf. Dies ist insbesondere beim elektrischen Fahrbetrieb von Vorteil, wenn das erste Kühlmittel sehr heiß ist. Durch die separate Kühlmöglichkeit lässt sich ein geringeres Temperaturniveau im zweiten Kühlmittelkreislauf einstellen.
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In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung ist in den NT-Kühlkreislauf eine weitere Temperiereinrichtung integriert, insbesondere in einen Sitz. Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein weiteres thermomagnetisches oder thermoelektrisches Modul. Unter Integration in den zweiten (NT-)Kühlkreislauf wird hierbei wiederum verstanden, dass das thermomagnetische bzw. thermoelektrische Modul in wärmetauschenden Kontakt zu dem zweiten Kühlmittel steht bzw. mit Hilfe eines Schaltventils gebracht werden kann. Der zu temperierende Sitz ist daher insgesamt an den NT-Kühlkreislauf angeschlossen. Durch die Integration in den NT-Kühlkreislauf ist die Effizienz des thermoelektrischen Moduls im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb verbessert. Es ist keine zusätzliche Sitzheizung, gebildet durch ein Widerstandsheizelement, beispielsweise ein so genanntes PTC-Element erforderlich und insbesondere auch nicht ausgebildet. Zudem ist eine Erwärmung des Sitzes vollständig ohne den Einsatz von elektrischer Energie möglich und vorgesehen, wenn nämlich die im NT-Kühlkreislauf enthaltene Wärme ausreicht.
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Durch diese geschaffene dezentrale Kälte- und Wärmeerzeugung mit Hilfe der weiteren Temperiereinrichtung lokal in einem Sitz oder auch in einer weiteren Komponente der Fahrgastzelle wird die erforderliche thermische Kühl- oder Heizleistung sehr lokal zur Verfügung gestellt und damit auf ein minimal erforderliches Maß reduziert, wodurch insgesamt eine hohe Energieeffizienz erreicht ist.
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In zweckdienlicher Weiterbildung ist in den NT-Kühlkreislauf weiterhin eine Batterie eingebunden oder zumindest zuschaltbar, die zur elektrischen Energieversorgung des elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere des Fahrmotors, dient. Derartige Batterien werden während des Normalbetriebs üblicherweise gekühlt, damit sie nicht überhitzen. Durch die Integration der Batterie in den NT-Kühlkreislauf wird im Bedarfsfall die Kühlleistung der Temperiervorrichtung, also beispielsweise des thermoelektrischen Moduls, ausgenutzt. Dies ist insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen von Vorteil. Auch steht grundsätzlich das niedrigere Temperaturniveau des zweiten Kühlkreislaufs zur Verfügung. Gleichzeitig ist auch eine Erwärmung der Batterie bei kalten Umgebungsbedingungen ermöglicht.
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Für den Fall, dass nicht ausreichend Abwärme zur Verfügung steht, ist ergänzend noch ein zuschaltbarer, kraft- oder brennstoffbetriebener, Brenner angeordnet. Bei dem Brennstoff handelt es sich beispielsweise um Kraftstoff für den Verbrennungsmotor bei einem Hybridfahrzeug. Bei einem reinen Elektrofahrzeug ist für den Brenner ein eigener Versorgungstank angeordnet und als Brennstoff wird beispielsweise ein (Bio-)Ethanol eingesetzt. Selbst bei tiefen Außentemperaturen und für den Fall, dass aus den elektrischen Antriebskomponenten nicht genügend Abwärme zur Verfügung steht, ist daher die Beheizung des Innenraums ohne zusätzlichen elektrischen Energieverbrauch ermöglicht. Auf eine elektrische Widerstandsheizung, insbesondere ein PTC-Element, wird vorzugsweise verzichtet.
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Während für einen Heizbetrieb zum Erwärmen des Innenraums die beiden Kühlmittelkreisläufe vorzugsweise miteinander gekoppelt sind, sind sie in einem Kühlmodus grundsätzlich voneinander getrennt und entkoppelt. Über jeden Kühlmittelkreislauf wird jeweils separat Wärme an die Umgebung abgegeben. Die elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs sowie der Innenraum werden daher vorzugsweise vollständig unabhängig voneinander gekühlt. Ein Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Kühlkreisläufen erfolgt im Kühlmodus nicht.
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Das Thermomanagementsystem erlaubt insgesamt einen sehr energieeffizienten Einsatz zur Konditionierung des Innenraums und lässt sich je nach aktueller Umgebungs- und/oder Fahrsituation sowie in Abhängigkeit der aktuellen Konditionieranforderungen der Fahrzeuginsassen in verschiedenen Modi betreiben.
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So werden in einem Kühlmodus – wie bereits erwähnt – die beiden Kühlmittelkreisläufe entkoppelt, um einerseits die elektrischen Komponenten sowie andererseits den Innenraum zu kühlen. Die Temperiervorrichtung entzieht der Innenraumluft, nämlich der durch die Konditioniereinheit geführten Luft und/oder den weiteren Komponenten im Innenraum (Sitze etc.) Wärme und leitet diese an den zweiten Kühlmittelkreislauf ab. Die beiden Kühlmittelkreisläufe werden über die Umgebung durch den jeweiligen Umgebungswärmetauscher gekühlt.
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Gemäß einem ersten Heizmodus, bei dem lediglich der Innenraum beheizt wird und der Antriebsstrang gekühlt wird, werden die beiden Kühlmittelkreisläufe miteinander mit Hilfe eines ersten Schaltventils gekoppelt. Die im Antriebsstrang zur Verfügung stehende Abwärme wird ganz oder teilweise einem in der Konditioniereinheit angeordneten Heizungswärmetauscher zugeführt. Der Heizungswärmetauscher ist zusätzlich zur eigentlichen Temperiervorrichtung, also zusätzlich zu dem thermomagnetischen oder thermoelektrischen Modul in der Konditioniereinheit angeordnet. Dieses braucht in diesem Fall nicht mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Allgemein wird im ersten Heizmodus Wärme vom ersten in den zweiten Kühlmittelkreislauf übertragen.
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Gemäß einem zweiten Heizmodus ist vorzugsweise die Temperiervorrichtung zum Heizen zugeschaltet. Hierunter wird verstanden, dass sie nach Art einer Wärmepumpe Umgebungswärme oder auch Abwärme aus dem ersten Kühlkreislauf auf ein höheres Temperaturniveau anhebt. Bei diesem zweiten Heizmodus ist der Heizungswärmetauscher vorzugsweise bereits mit dem ersten Kühlmittelkreislauf verbunden. Die Temperiervorrichtung wirkt daher unterstützend. Hier wird der Vorteil eines emissionsfreien Heizens erreicht, eine Zuschaltung des Brenners ist daher nicht erforderlich und erfolgt in diesem zweiten Heizmodus nicht.
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In einem alternativen dritten Heizmodus wird demgegenüber für ein reichweitenneutrales Heizen der Brenner zugeschaltet und die Temperiervorrichtung ist abgeschaltet. Die Heizenergie wird daher durch den Brenner, vorzugsweise ergänzend zu der Abwärme des Antriebsstrangs aufgebracht.
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In bevorzugter Weiterbildung ist ein vierter Heizmodus vorgesehen, bei dem sowohl der Brenner als auch die Temperiervorrichtung zu Heizzwecken zugeschaltet sind. Dies dient zum Erreichen von Spitzen-Heizleistungen sowie zum optimalen Einregeln einer Einblastemperatur der Luft in den Innenraum. Dieses Einregeln ist bei der alleinigen Verwendung des kraftstoffbetriebenen Brenners aufgrund einer nur geringen Flexibilität des Verbrennungsvorgangs kaum oder nur mit großem Aufwand erreichbar. Der parallele Betrieb sowohl des Brenners als auch der Temperiervorrichtung, insbesondere während eines transienten Betriebs, solange also der Brenner seine volle Leistung noch nicht erreicht hat, wirkt sich vorteilhaft auf den Komfort und auf ein eventuell erforderliches Enteisen beim Starten aus.
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Vorzugsweise ist weiterhin ein Speichermodus ausgebildet, bei dem zumindest eine der elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere die Batterie, als thermischer Speicher für den zweiten Kühlkreislauf ausgenutzt wird und hierzu das zweite Kühlmittel insbesondere nicht über den Umgebungswärmetauscher geführt ist. Die Komponente des Antriebsstrangs wird dabei in den zweiten NT-Kühlkreislauf eingebunden. Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass insbesondere die Batterie eine sehr hohe Wärmekapazität hat, welche in effizienter Weise in Abhängigkeit der aktuellen Anforderungen und Gegebenheiten ausgenutzt werden kann. Dies dient sowohl zu Heiz- als auch zu Kühlzwecken. Die Peltier-Module erreichen bei einer geringen Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten (Kalt-/Warmseite) einen optimalen Wirkungsgrad. Bei einer geringen Abwärmeproduktion ist dabei unter Umständen eine Rücklauftemperatur des Kühlmittels zur Kühlung der Komponente des Antriebsstrangs besser geeignet als der über den Umgebungswärmetauscher rückgekühlte Strom des zweiten Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf. Bevorzugt ist die Batterie ausschließlich dem NT-Kühlkreislauf zuschaltbar. Alternativ wird für diesen Speichermodus auch die Rücklauftemperatur des ersten Kühlmittels des HT-Kühlkreislaufs ausgenutzt, d.h. die beiden Kühlkreisläufe werden entsprechend miteinander insbesondere hydraulisch gekoppelt.
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Schließlich ist weiterhin in bevorzugter Ausgestaltung ein Vorkonditioniermodus ausgebildet, während dessen beispielsweise vor einem Starten des Kraftfahrzeugs der Innenraum oder eine Komponente des elektrischen Antriebsstrangs vorerwärmt wird. Dies erfolgt wahlweise mit Hilfe des Brenners oder bei Bedarf auch mit Hilfe der Temperiereinrichtung innerhalb der Konditioniereinheit.
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Im Falle eines Hybridfahrzeugs, bei dem neben dem elektrischen Antriebsmotor ergänzend noch ein Verbrennungsmotor angeordnet ist, ist zweckdienlicherweise zur Kühlung des Verbrennungsmotors ein weiterer dritter Kühlkreislauf ausgebildet, welcher typischerweise auf einen noch höheren Temperaturniveau im Normalbetriebszustand betrieben wird. Dessen maximale Betriebstemperatur liegt dabei typischerweise bei 110° bis 130 °C und damit höher als die maximale Temperatur im ersten HT-Kühlkreislauf. Auch weist er im Vergleich zu dem ersten HT-Kühlkreislauf üblicherweise ein deutlich höheres maximales Druckniveau von beispielsweise 1–2 bar auf. Um die Abwärme des Verbrennungsmotors auszunutzen ist zweckdienlicherweise wahlweise ein weiterer Heizungswärmetauscher innerhalb der Konditioniereinheit angeordnet, welcher in diesen dritten Kühlmittelkreislauf eingebunden ist oder es ist ein Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen dem dritten und dem ersten Kühlkreislauf vorgesehen. Alternativ zu der Anordnung eines dritten Kühlmittelkreislaufs besteht auch die Möglichkeit, den Verbrennungsmotor in den ersten HAT-Kühlkreislauf einzubinden, sofern dessen Kühlleistung ausreichend ist, beispielsweise bei einem (kleinen) Verbrennungsmotor mit geringer Abwärmeproduktion.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in Schaltbildern
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1 einen grundsätzlichen Aufbau des Thermomanagementsystems,
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2 eine bevorzugte Ausführungsvariante des Thermomanagementsystems, sowie
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3 eine modifizierte Ausführungsvariante.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der grundsätzliche Aufbau des Thermomanagementsystems wird anhand der 1 näher erläutert: Das Thermomanagementsystem umfasst einen ersten Kühlmittelkreislauf 2, in dem ein flüssiges erstes Kühlmittel K1 im Kreis geführt wird, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Der erste Kühlmittelkreislauf wird nachfolgend als HT-Kühlkreislauf 2 bezeichnet. In den HT-Kühlkreislauf 2 ist eine erste Pumpe 4, ein erster Umgebungswärmetauscher 6 sowie zumindest eine zu kühlende Komponente eines elektrischen Antriebsstrangs 8 eingebunden. Der elektrische Antriebsstrang 8 bildet dabei eine Wärmequelle und der erste Umgebungswärmetauscher 6 eine Wärmesenke.
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Das Thermomanagementsystem weist ergänzend einen zweiten Kühlkreislauf 12 auf, der nachfolgend als NT-Kühlkreislauf 12 bezeichnet wird. Für eine bessere Unterscheidbarkeit ist der HT-Kühlkreislauf 2 in den Figuren mit einer dickeren Strichstärke dargestellt. Im NT-Kühlkreislauf 12 wird ein zweites flüssiges Kühlmittel K2 im Kreislauf geführt. Der zweite Kühlkreislauf 12 weist hierzu eine zweite Pumpe 14, einen zweiten Umgebungswärmetauscher 16 sowie eine Konditioniereinheit 18 auf. Durch die Konditioniereinheit 18 wird mit Hilfe eines ersten Ventilators 20a, welcher üblicherweise in der Konditioniereinheit 18 integriert ist, ein zu konditionierender Luftstrom L1 geführt und an einen Fahrgastinnenraum 22 abgegeben.
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Den Umgebungswärmetauschern 6, 16 ist ebenfalls zumindest ein Kühlergebläse 24 zugeordnet, so dass die Umgebungswärmetauscher 6, 16 von Umgebungsluft U durchströmt werden. Die Umgebungswärmetauscher 6, 16 sind typischerweise in eine Fahrzeugfront integriert.
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Die beiden Kühlkreisläufe 2, 12 sind über ein erstes Schaltventil S1, welches im Ausführungsbeispiel als ein 2-Wege-Ventil ausgebildet ist, miteinander verbindbar. Hierzu sind ein erster sowie zweiter Verbindungsstrang 26, 28 ausgebildet. Der erste Verbindungsstrang 26 verbindet dabei das erste Schaltventil S1 mit dem zweiten Kühlkreislauf 12 und mündet in diesen – in Strömungsrichtung des zweiten Kühlmittels K2 betrachtet – nach dem zweiten Umgebungswärmetauscher 16 und vor der Konditioniereinheit 18. Der zweite Verbindungsstrang 28 verbindet die beiden Kühlkreisläufe 2, 12 in Strömungsrichtung nach der Konditioniereinheit 18 und vor dem zweiten Umgebungswärmetauscher 16.
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Bei einer Verknüpfung, also einer strömungstechnischen Verbindung, der beiden Kühlkreisläufe 2, 12 vermischen sich die Kühlmittel K1, K2 stofflich miteinander. Diese sind identisch. Als Kühlmittel wird vorzugsweise mit Frostschutzmittel versehenes Wasser herangezogen.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante ist in 2 dargestellt, anhand derer nachfolgend auch die verschiedenen Betriebsmodi erläutert werden. Der elektrische Antriebsstrang 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel mehrere Komponenten auf, nämlich ein Ladegerät 8a, einen DC/DC-Wandler 8b, eine Batterie 8c, den eigentlichen elektrischen Fahrmotor 8d sowie eine Leistungselektronik 8e zur Ansteuerung des Fahrmotors 8d. Bis auf die Batterie 8c sind im dargestellten Ausführungsbeispiel sämtliche Komponenten des Antriebsstrangs 8 in den ersten Kühlkreislauf 2 eingebunden. Die Batterie 8c ist im Ausführungsbeispiel über ein zweites Schaltventil S2 mit dem zweiten Kühlkreislauf 12 verbindbar, wie dies durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
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In der Konditioniereinheit 18 ist eine insbesondere als Peltier-Modul 30a ausgebildete Temperiervorrichtung, ein Heizungswärmetauscher 32 sowie der bereits erwähnte erste Ventilator 20a integriert. Der Heizungswärmetauscher 32 ist im Ausführungsbeispiel in einem Bypass-Pfad 34 integriert, welcher vom ersten Verbindungsstrang 26 abzweigt. Nach dem Heizungswärmetauscher 32 mündet dieser Bypass-Pfad 34 in den zweiten Kühlkreislauf 12. Diesem Heizungswärmetauscher 32 ist ein Brenner 36 zugeordnet, welcher in Strömungsrichtung vor dem Heizungswärmetauscher 32 in den Bypass-Pfad 34 oder – wie in 2 dargestellt – in den ersten Verbindungsstrang 26 geschalten ist, bevor der Bypass-Pfad 34 abzweigt.
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Der erste Verbindungsstrang 26 ist über ein drittes Schaltventil S3 bei Bedarf mit dem zweiten Kühlkreislauf 12 nachfolgend zum Brenner 36 verbindbar. Das dritte Schaltventil S3 ist ebenso wie das erste und zweite Schaltventil S1, S2 im Ausführungsbeispiel als ein 2-Wege-Ventil ausgebildet. Durch die beiden Schaltventile S1, S3 in Strömungsrichtung vor und nach dem Brenner 36 lässt sich der erste Kühlkreislauf 2 auf unterschiedliche Arten mit dem zweiten Kühlkreislauf 12 koppeln. Über ein viertes Schaltventil S4 ist der zweite Verbindungsstrang 28 zu- bzw. abschaltbar.
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Neben der Konditioniereinheit 18 ist eine weitere Temperiervorrichtung in einer Innenraumkomponente, insbesondere in einem Sitz 40 integriert. Die weitere Temperiervorrichtung ist im Ausführungsbeispiel wahlweise als ein thermomagnetisches und bevorzugt als ein weiteres Peltier-Modul 30b ausgebildet, welches in den zweiten Kühlkreislauf 2 integriert ist. Diesem Modul 30b ist ein zweiter Ventilator 20b zugeordnet, um einen zweiten Luftstrom L2 zu konditionieren, welcher beispielsweise zur Konditionierung des Sitzes herangezogen wird. Der Ventilator 20b ist dabei insbesondere in den Sitz integriert.
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In den ersten Kühlkreislauf 2 ist weiterhin noch ein Ausgleichsbehälter 41 integriert. Schließlich umfasst das Thermomanagementsystem weiterhin eine Steuereinheit 42, welche das gesamte Thermomanagementsystem steuert. Die Steuereinheit 42 empfängt hierzu eingehende Signale E. Dies sind beispielsweise Zustandssignale der einzelnen Komponenten des Thermomanagementsystems über ihren aktuellen Zustand (z. B. „an“, „aus“) sowie insbesondere auch Sensorsignale beispielsweise von Temperatursensoren, über die die jeweils aktuellen Temperaturen der Kühlmittel K1, K2, eine Umgebungstemperatur vorzugsweise ergänzend auch die Temperaturen des Luftstroms L1, L2 erfasst werden. Weiterhin werden vorzugsweise die Temperaturen der einzelnen Komponenten 8a bis 8e des Antriebsstrangs 8 erfasst. Schließlich wird insbesondere auch die Temperatur des Innenraums 22 erfasst, welche auf einen gewünschten Wert geregelt werden soll.
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In Abhängigkeit dieser eingehenden Parameter steuert die Steuereinheit 42 mit Hilfe von Ausgangssignalen A das Thermomanagementsystem und schaltet insbesondere zwischen den nachfolgend beschriebenen Betriebsmodi um:
Für die verschiedenen Kühl- und Heizmodi wird nachfolgend insbesondere der Zustand der ersten Temperiervorrichtung 30a beschrieben. Die weitere Temperiervorrichtung 30b lässt sich in identischer Weise jeweils betreiben und ist bei Bedarf zuschaltbar. Dies erfolgt jeweils über eine Zu- bzw. Abschaltung der weiteren Temperiervorrichtung 30b durch eine elektrische/magnetische Aktivierung des thermomagnetischen bzw. thermoelektrischen Moduls und/oder durch Einbinden in den NT-Kühlkreislauf 12. Die Leistung der Module 30a, 30b lässt sich durch die Zufuhr der elektrischen Leistung und / oder durch den Kühlmittelstrom K2 beeinflussen und geeignet einstellen. Zur Regulierung des Kühlmittelstroms K2 wird die zweite Pumpe 14 geeignet angesteuert, insbesondere deren Drehzahl.
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In einem Kühlmodus sind die beiden Kühlkreisläufe 2 voneinander getrennt. Die Schaltventile S1, S4 sind geschlossen. Die beiden Pumpen 4, 14 sind in Betrieb, die beiden Kühlmittel K1, K2 werden umgewälzt, das Peltier-Modul 30a und/oder das weitere Peltier-Modul 30b sind aktiviert, d. h. eine elektrische Spannung ist angelegt, so dass sie eine Kühlwirkung erzeugen. Die Wärme auf der Heißseite der jeweiligen Peltier-Module wird vom zweiten Kühlmittel K2 aufgenommen und über den zweiten Umgebungswärmetauscher 16 an die Umgebung abgegeben. Der erste Luftstrom L1 sowie ergänzend bei Bedarf auch der zweite Luftstrom L2 werden über die Ventilatoren 20a, 20b an den Peltier-Modulen 30a, 30b vorbeigeführt und dadurch abgekühlt und strömen dann in den Innenraum 22 bzw. dienen zur Kühlung des Sitzes 40.
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In einem ersten Heizmodus wird der Innenraum 22 beheizt und der Antriebsstrang 8 gekühlt. Hierzu sind die beiden Kühlkreisläufe 2, 12 miteinander verbunden. Das Schaltventil S1 befindet sich hierbei in seiner zweiten Schaltposition, so dass der erste Verbindungsstrang 26 mit dem ersten Kühlkreislauf 2 verbunden ist. Auch eine teilweise Abzweigung des Kühlmittels K1 ist möglich. Das Schaltventil S3 ist in der in der 2 dargestellten Stellung, so dass das Kühlmittel K1 ausschließlich über den Bypass-Pfad 34 und durch den Heizungswärmetauscher 32 geführt wird, bevor es anschließend nach Durchströmen des Heizungswärmetauschers 32 in den zweiten Kühlkreislauf 12 einmündet. Das vierte Schaltventil S4 ist geöffnet, so dass die beiden Kühlkreisläufe 2, 12 über den zweiten Verbindungsstrang 28 miteinander verbunden sind. In diesem ersten Heizmodus wird daher zum Beheizen des Innenraums 22 ausschließlich die Abwärme aus dem Antriebsstrang 8 herangezogen. Das dritte Schaltventil S3 kann bei Bedarf ebenfalls umgestaltet werden, so dass die beiden Temperiervorrichtungen 30a, 30b vom warmen Kühlmittel durchströmt werden. Auf diese Weise ist ein Beheizen insbesondere des Sitzes 40 ohne elektrische Zusatzenergie ermöglicht.
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Bei einem zweiten Heizmodus wird für ein emissionsfreies Heizen, insbesondere ergänzend zu der Abwärme aus dem Antriebsstrang, Wärme aus der Umgebung entzogen und über die Peltier-Module 30a, 30b nach Art des Wärmepumpenprinzips auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und dem Innenraum 22 bzw. dem Sitz 40 zugeführt. Ausgehend von dem zuvor beschriebenen ersten Heizmodus ist zusätzlich die zweite Pumpe 14 zugeschaltet, so dass ergänzend auch das zweite Kühlmittel K2 im zweiten Kreislauf 12 über den zweiten Umgebungswärmetauscher 16 geführt wird. Das Kühlmittel K2 nimmt dabei über den zweiten Umgebungswärmetauscher 16 Wärme aus der Umgebung auf und erwärmt damit die Kaltseite des jeweiligen Peltier-Moduls 30a, 30b.
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In einem dritten Heizmodus sind für ein reichweitenneutrales Heizen die Peltier-Module 30a, 30b abgeschaltet, verbrauchen also keine elektrische Energie. Als zusätzliche Wärmequelle wird der Brenner 36 angeschaltet. Ausgehend vom ersten Heizmodus wird lediglich der Brenner zugeschaltet. Die Zustände der Schaltventile S1, S3, S4 sind identisch zum ersten Heizmodus.
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Zum Erreichen von höchsten Heizleistungen sind in einem vierten Heizmodus sowohl der Brenner 36 als auch die Peltier-Module 30a, 30b zugeschaltet, arbeiten also als Wärmepumpen. Ausgehend von dem dritten Heizmodus ist nunmehr – ähnlich wie im zweiten Heizmodus – das dritte Schaltventil S3 umgeschaltet, die zweite Pumpe 14 aktiviert, so dass sowohl über den Heizungswärmetauscher 32 als auch über das Peltier-Modul 30a Wärme an den Innenraum 22 abgegeben wird.
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Dieser vierte Heizmodus dient neben dem Erreichen von höchsten Heizleistungen auch zum optimalen Einregeln der Temperatur des ersten Luftstroms L1 insbesondere bei Inbetriebnahme des Brenners 36, wenn dieser seine volle Leistung noch nicht erreicht hat. Auch ist das Regeln der Temperatur des ersten Luftstroms L1 durch das Peltier-Modul 30a deutlich verfeinert, da hierdurch eine Feineinstellung ermöglicht ist, welche mit dem nur schwer steuerbaren Brenner 36 nicht erzielbar ist.
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Gemäß einem Speichermodus ist vorgesehen, dass der Rücklauf des ersten Kühlkreislaufs 2 und/oder der Rücklauf der Batterie 8c als Wärmequelle (im Falle eines Heizmodus) bzw. als Wärmesenke (im Falle eines Kühlmodus) anstelle des zweiten Umgebungswärmetauschers 16 herangezogen wird. Dies erfolgt bei geringer Abwärmeproduktion des Antriebsstrangs 8. Die Ausnutzung des Rücklauf-Kühlmittelstroms aus dem Antriebsstrang 8 ist in diesem Fall häufig besser geeignet als der über den zweiten Umgebungswärmetauscher 16 rückgekühlte (bzw. erwärmte) Kühlmittelstrom des zweiten Kühlmittels K2. Die Grundlage hierfür ist darin zu sehen, dass ein optimaler Wirkungsbereich der Peltier-Module 30a, 30b durch einen geringen Temperaturunterschied erreicht wird, zwischen der mit dem zweiten Kühlmittel K2 beaufschlagten Seite, auch als Wasserseite bezeichnet, und der gegenüberliegenden Seite, auch als Luftseite bezeichneten Seite des Peltier-Moduls 30a, 30b. In diesem Fall wird daher insgesamt eine Wärmespeicherkapazität des Antriebsstrangs als Wärmequelle oder auch als Wärmesenke ausgenutzt. Hierfür eignet sich insbesondere die Batterie 8c, die im Ausführungsbeispiel bereits ausschließlich dem NT-Kühlkreislauf zugeordnet ist. In diesem Betriebsmodus wird das zweite Kühlmittel K2 also insbesondere nicht über den zweiten Umgebungswärmetauscher 16 geführt, sondern über den ersten Kühlkreislauf 2, also über den Antriebsstrang 8 rezirkuliert.
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Um alternativ die Rücklauftemperatur der weiteren, im HT-Kühlkreislauf 2 angeordneten Komponenten des Antriebsstrangs 8 auszunutzen werden das erste sowie das dritte Schaltventil S1, S3 umgeschaltet, so dass das rückgeführte Kühlmittel K1 über den ersten Verbindungsstrang 26 in den zweiten Kühlkreislauf 12 gebracht und über die zweite Pumpe 14 durch das Peltier-Modul 30a geführt wird. Auch das Schaltventil S4 ist umgeschaltet, so dass der zweite Umgebungswärmetauscher 16 aus dem Kreislauf genommen ist und das Kühlmittel K2 wieder in den ersten Kühlkreislauf 2 rückgeführt wird.
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In einem Konditioniermodus wird der Innenraum 22 und/oder die Batterie 8c bei niedrigen Umgebungstemperaturen wahlweise oder in Kombination über den Brenner 36 oder über das Peltier-Modul 30a vorkonditioniert, also insbesondere erwärmt. Dieser Konditioniermodus entspricht im Schaltungsbild der 2 dem zweiten bzw. dritten Heizmodus, wie er zuvor beschrieben wurde.
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Schließlich ist noch ein Nachheizmodus vorgesehen, welcher im Schaltungsbild der 2 dem zweiten Heizmodus des emissionsfreien Heizens entspricht. Voraussetzung für diesen Nachheizmodus ist, dass eine minimale Heizleistung des Brenners 36 die erforderliche Heizleistung übersteigt, so dass also ein Zuschalten des Brenners 36 zu einem übermäßigen Wärmeeintrag führen würde. Die gewünschte (niedrige) thermische Heizleistung und damit die entsprechende gewünschte Temperatur des ersten Luftstroms L1 (Einblastemperatur) wird daher durch das zusätzlich zugeschaltete Peltier-Modul 30a mit geringem elektrischem Energieaufwand erreicht.
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Die Schaltventils S1 bis S4 sind im Ausführungsbeispiel als Schalt- oder Umschaltventile ausgebildet. Alternativ hierzu sind Mischventile angeordnet, so dass auch lediglich Teilströme abgezweigt werden. Derartige Mischventile werden vorzugsweise auch derart angesteuert, um beispielsweise bei einer Kopplung der beiden Kühlkreisläufe 2, 12 im NT-Kühlkreislauf 12 eine gewünschte (Misch-)Temperatur des zweiten Kühlmittels K2 einzustellen. Ein solches Mischventil wird vorzugsweise auch zwischen der Konditioniereinheit 18 und der weiteren Komponente, insbesondere dem Sitz 40 angeordnet, um für den Sitz eine geeignete Temperatur einzustellen.
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In der 3 ist eine im Vergleich zu der Ausgestaltung der 2 leicht modifizierte Ausführungsvariante dargestellt.
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Danach ist ergänzend zur weiteren Temperiervorrichtung 30b in der zu temperierenden weiteren Komponente, insbesondere im Sitz 40, ein weiterer (Zusatz-)Heizungswärmetauscher 32b in der Komponente, insbesondere dem Sitz 40 integriert. Dieser weist üblicherweise ein besseres Wärmeübertragungsverhalten als beispielsweise das Peltier-Modul 30b für den passiven Fall auf, wenn das Peltier-Modul 30b lediglich von warmem Kühlmittel durchströmt ist. Wird daher beispielsweise in einen Heizmodus über den brennstoffbetriebenen Brenner 36 beheizt, so wird die Energie effizienter ausgenutzt.
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Die beiden Peltier-Module 30a, 30b sind – wie auch in der Variante der 2 – parallel zueinander angeordnet. Gleiches gilt für die beiden Heizungswärmetauscher 32a, b. Alle drei (vier) Komponenten sind parallel zueinander angeordnet.
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Weiterhin ist im Unterschied zu der Ausgestaltung der 2 bei der modifizierten Ausführungsvariante nach 3 ist auf das Ventil S4 verzichtet. Die Funktionalitäten sind dadurch nicht oder kaum eingeschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- erster Kühlkreislauf
- 4
- erste Pumpe
- 6
- erster Umgebungswärmetauscher
- 8
- elektrischer Antriebsstrang
- 8a
- Ladegerät
- 8b
- DC/DC-Wandler
- 8c
- Batterie
- 8d
- elektrischer Fahrmotor
- 8e
- Leistungselektronik
- 12
- zweiter Kühlkreislauf
- 14
- zweite Pumpe
- 16
- zweiter Umgebungswärmetauscher
- 18
- Konditioniereinheit
- 20a, b
- erster, zweiter Ventilator
- 22
- Innenraum
- 24
- Kühlergebläse
- 26
- erster Verbindungsstrang
- 28
- zweiter Verbindungsstrang
- 30a
- Temperiervorrichtung
- 30b
- weitere Temperiervorrichtung
- 32a
- Heizungswärmetauscher
- 32b
- weiterer Heizungswärmetauscher
- 34
- Bypass-Pfad
- 36
- Brenner
- 41
- Ausgleichbehälter
- 40
- Sitz
- 42
- Steuereinheit
- A
- ausgehende Signale
- E
- eingehende Signale
- K1
- erstes Kühlmittel
- K2
- zweites Kühlmittel
- L1
- erster Luftstrom
- L2
- zweiter Luftstrom
- S1
- erstes Schaltventil
- S2
- zweites Schaltventil
- S3
- drittes Schaltventil
- S4
- viertes Schaltventil
- U
- Umgebungsluft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/029538 A1 [0002, 0005]
- DE 102010043576 A1 [0006]
- DE 102008020366 A1 [0007]
- DE 102010021901 A1 [0008]
