DE102014100555B4

DE102014100555B4 - Wärmepumpensystem zur verwendung in einem fahrzeug

Info

Publication number: DE102014100555B4
Application number: DE102014100555.4A
Authority: DE
Inventors: Paul S. Lombardo; Lawrence P. Ziehr; Brian P. Lemon; Mark D. Nemesh; Bryan M. Styles
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103963605B; US9327577B2; US20140208789A1; CN103963605A; DE102014100555A1

Abstract

Wärmepumpensystem (101) zur Verwendung in einem Fahrzeug (100), das einen Fahrgastraum (102) zur Aufnahme konditionierter Luft, eine Kraftmaschine (119) und eine aufladbare Batterie (104) aufweist, wobei das Wärmepumpensystem (101) umfasst:ein Medium (103) zur thermischen Speicherung, das derart konfiguriert ist, Wärme, die durch Laden der Batterie (104) erzeugt wird, zu speichern, wobei das Medium (103) zur thermischen Speicherung ein Phasenänderungsmaterial ist;einen ersten Kühlmittelkreislauf (105), der derart konfiguriert ist, ein erstes Kühlmittel zu zirkulieren, um die gespeicherte Wärme von dem Medium (103) zur thermischen Speicherung zu absorbieren;einen Kältekreislauf (106), der derart konfiguriert ist, ein Kältemittel zu zirkulieren, der derart konfiguriert ist, gespeicherte Wärme von dem ersten Kühlmittel zu absorbieren, und ferner konfiguriert ist, die Luft zu konditionieren, die von dem Fahrgastraum (102) aufzunehmen ist;einen ersten Wärmetauscher (108), der derart konfiguriert ist, gespeicherte Wärme von dem ersten Kühlmittel, das in dem ersten Kühlmittelkreislauf (105) zirkuliert, an das Kältemittel zu tauschen, das in dem Kältekreislauf (106) zirkuliert;einen zweiten Kühlmittelkreislauf (107), der derart konfiguriert ist, ein zweites Kühlmittel zu zirkulieren, der derart konfiguriert ist, die Wärme von dem Kältemittel zu absorbieren, und ferner konfiguriert ist, um Luft zu konditionieren, die von dem Fahrgastraum (102) aufzunehmen ist;einen zweiten Wärmetauscher (111), der derart konfiguriert ist, die Wärme, die von dem Kältemittel in dem Kältekreislauf (106) absorbiert ist, von dem ersten Kühlmittel in dem ersten Kühlmittelkreislauf (105) an das zweite Kühlmittel in dem zweiten Kühlmittelkreislauf (107) zu tauschen;einen dritten Wärmetauscher (116), der in den Kältekreislauf (106) geschaltet ist und derart konfiguriert ist, die Wärme von dem Kältemittel, das durch den dritten Wärmetauscher (116) strömt, an die Luft zu tauschen, die über den dritten Wärmetauscher (116) und in den Fahrgastraum (102) strömt, um den Fahrgastraum (102) zu kühlen und zu entfeuchten;einen vierten Wärmetauscher (123), der in den Kältekreislauf (106) geschaltet ist und derart ausgestaltet ist, das Kältemittel, das durch den vierten Wärmetauscher (123) strömt, zu kühlen;eine Expansionsvorrichtung (114), die in dem Kältekreislauf (106) stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher (108) angeordnet ist;wobei, wenn eine Erwärmung des Fahrgastraums (102) erforderlich ist, die Expansionsvorrichtung (114) derart konfiguriert ist, Kältemittel von dem zweiten Wärmetauscher (111) aufzunehmen und das Kältemittel zu kühlen und zu expandieren;wobei, wenn ein Kühlen des Fahrgastraums (102) erforderlich ist, die Expansionsvorrichtung (114) derart konfiguriert ist, Kältemittel von dem vierten Wärmetauscher (123) und das Kältemittel zu kühlen und zu expandieren; undwobei die in dem Medium (103) zur thermischen Speicherung gespeicherte Wärme an die konditionierte Luft, die von dem Fahrgastraum (102) empfangen wird, über den ersten Kühlmittelkreislauf (105), den Kältekreislauf (106) und den zweiten Kühlmittelkreislauf (107) übertragen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung betrifft ein Wärmepumpensystem zur Verwendung in einem Fahrzeug.
HINTERGRUND
Hybridelektrofahrzeuge verwenden selektiv eine Brennkraftmaschine als eine Quelle für Eingangsdrehmoment zu einem Getriebe allein oder in Verbindung mit dem/den Traktionsmotor(en), während Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite (EREV) eine kleinere Kraftmaschine nur bei Bedarf und ausschließlich zur Leistungsbeaufschlagung eines elektrischen Generators verwenden. Batterie-Elektrofahrzeuge verzichten auf den Gebrauch der kleinen Benzinkraftmaschine und arbeiten stattdessen unter Verwendung gespeicherter elektrischer Energie oder regenerativer Bremsenergie. Alle drei Fahrzeugkonfigurationen können ausschließlich mit Elektrizität arbeiten, was als ein Elektrofahrzeug-(EV)-Modus bezeichnet ist.
Bei einigen der obigen Fahrzeugausführungsformen wird ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS von engl.: „Rechargeable Energy Storage System“) verwendet, um die wesentlichen Mengen an elektrischer Energie, die zum Antrieb des/der Traktionsmotors(en) erforderlich sind, alternativ zu speichern und zu liefern. Das RESS kann aus einer Batteriepackung mit mehreren Batteriemodulen bestehen, die jeweils mehrere zylindrische oder flache/tafelartige Batteriezellen enthalten. Die Batteriepackung erzeugt im Betrieb Wärme. Eine effektive Dissipation der erzeugten Wärme ist wesentlich zur Optimierung des Fahrzeugleistungsvermögens. Infolgedessen werden Systeme zum thermischen Management in Verbindung mit Batteriepackungen verwendet, um ein Volumen eines geeigneten Kühlfluids durch die Batteriepackung und jegliche zugeordnete Leistungselektronik zu zirkulieren und ein anderes geeignetes Kühlfluid durch einen aktiven Kühlkreislauf zu zirkulieren, um die Temperatur des Fahrgastraumes zu steuern.
Herkömmliche Wärmepumpensysteme zur Verwendung in einem Fahrzeug sind aus den Druckschriften DE 10 2010 048 853 A1 , EP 2 258 571 A1 , US 2012 / 0 327 596 A1 und DE 10 2009 019 607 A1 bekannt. Ferner sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 11 2013 004 048 T5 und DE 10 2014 100 215 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt zum Zeitrang der vorliegenden Erfindung jedoch nicht bekannt war.
ZUSAMMENFASSUNG
In solchen Systemen besteht die Möglichkeit, Wärme von dem wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS) oder einer anderen Komponente zur thermischen Speicherung an ein anderes Medium zu tauschen. Dieser Wärmeaustausch erlaubt die Speicherung von Wärme während eines Fahrzeugladeereignisses und ein Bewegen dieser gespeicherten Wärme in den Fahrgastraum durch das aktive Kühlsystem, was ein effizienteres Wärmepumpensystem bei kälteren Umgebungstemperaturen ermöglicht.
Somit ist ein Wärmepumpensystem zur Verwendung in einem Fahrzeug, das einen Fahrgastraum und eine Batteriepackung aufweist, vorgesehen. Das Fahrzeug kann einen aktiven elektrischen Fahrzustand im EV-Modus und einen inaktiven Zustand aufweisen. Das Wärmepumpensystem kann ein Medium in Form eines Phasenänderungsmaterials zur thermischen Speicherung aufweisen, das derart konfiguriert ist, Wärme, die während des inaktiven Zustandes erzeugt wird, und/oder Wärme, die unter Verwendung einer Heizung aktiv hinzugefügt wird, zu speichern. Die Wärme, die von dem Medium zur thermischen Speicherung während des Fahrzeugladeereignisses gespeichert ist, kann von dem Medium zur thermischen Speicherung an den Fahrgastraum über das Wärmepumpensystem während des aktiven elektrischen Fahrzustandes übertragen werden, was eine Kabinenvorkonditionierung vor einer Fahrt umfasst.
Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem umfasst ferner einen ersten Kühlmittelkreislauf, einen Kältekreislauf und einen zweiten Kühlmittelkreislauf. Der erste Kühlmittelkreislauf ist derart konfiguriert, ein erstes Kühlmittel zu zirkulieren, um Wärme von einem Medium zur thermischen Speicherung zu absorbieren, das eine thermische Kapazität aufweist, die mit einem Fluidmedium austauschbar ist. Der Kältekreislauf ist derart konfiguriert, Kältemittel zu zirkulieren, um Wärme von dem ersten Kühlmittel über einen ersten Wärmetauscher zu absorbieren. Der zweite Kühlmittelkreislauf ist derart konfiguriert, ein zweites Kühlmittel zu zirkulieren, um Wärme von dem Kältemittel über einen zweiten Wärmetauscher zu absorbieren und den Fahrgastraum zu erwärmen.
Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem umfasst ferner einen dritten Wärmetauscher, der in den Kältekreislauf geschaltet ist und derart konfiguriert ist, die Wärme von dem Kältemittel, das durch den dritten Wärmetauscher strömt, an die Luft zu tauschen, die über den dritten Wärmetauscher und in den Fahrgastraum strömt, um den Fahrgastraum zu kühlen und zu entfeuchten. Weiterhin ist ein vierter Wärmetauscher in den Kältekreislauf geschaltet, der derart ausgestaltet ist, das Kältemittel, das durch den vierten Wärmetauscher strömt, zu kühlen. Eine Expansionsvorrichtung ist in dem Kältekreislauf stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher angeordnet.
Wenn eine Erwärmung des Fahrgastraumes erforderlich ist, ist die Expansionsvorrichtung derart konfiguriert, Kältemittel von dem zweiten Wärmetauscher aufzunehmen und das Kältemittel zu kühlen und zu expandieren. Wenn ein Kühlen des Fahrgastraums erforderlich ist, ist die Expansionsvorrichtung derart konfiguriert, Kältemittel von dem vierten Wärmetauscher aufzunehmen und das Kältemittel zu kühlen und zu expandieren.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm des Fahrzeug-Wärmepumpensystems, das ein Medium zur thermischen Speicherung aufweist.
2 ist ein schematisches Diagramm des Fahrzeug-Wärmepumpensystems, wobei das Medium zur thermischen Speicherung ein RESS ist.
3 ist ein schematisches Diagramm des Fahrzeug-Wärmepumpensystems, wobei das Medium zur thermischen Speicherung ein Phasenänderungsmaterial ist.
4 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte des Verfahrens zur Lieferung von Wärme an einen Fahrzeug-Fahrgastraum in einem Elektrofahrzeug-(EV)-Modus zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte detaillierter zeigt, die notwendig sind, um Wärme von dem Medium zur thermischen Speicherung an den Fahrzeug-Fahrgastraum zu übertragen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung und Figuren betreffen beispielhafte Ausführungsformen. In den Figuren sind einige Komponenten mit standardisierten oder grundsätzlichen Symbolen gezeigt. Diese Symbole sind nur repräsentativ.
Bezug nehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Ansichten entsprechen, ist ein Wärmepumpensystem 101 zur Verwendung in einem Fahrzeug 100 vorgesehen, um den Fahrgastraum 102 unter Verwendung thermischer Speicherung zu erwärmen.
Allgemein Bezug nehmend auf 1 kann das Fahrzeug 100 das Wärmepumpensystem 101, den Fahrgastraum 102, eine Kraftmaschine 119 und eine Batterie 104 aufweisen. Das Fahrzeug 100 kann ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite sein, das einen Hybrid-Betriebsmodus und einen EV-Betriebsmodus aufweist. Im Hybridmodus arbeitet das Fahrzeug 100 unter Verwendung von sowohl elektrischer Leistung als auch Leistung von der Kraftmaschine 119. Im EV-Modus arbeitet das Fahrzeug ausschließlich mit Elektrizität.
Das Fahrzeug 100 kann zwei Zustände aufweisen: einen inaktiven Zustand, bei dem das Fahrzeug 100 abgeschaltet ist und bei dem die elektrische Leistungsquelle des Fahrzeugs 100 geladen wird oder ein Niveau mit voller elektrischer Ladung erreicht hat, und einen aktiven Fahrzustand, bei dem das Fahrzeug die elektrischen Leistungsquellen abreichert, um das Fahrzeug im EV-Modus vorzutreiben und anzutreiben. Die elektrische Leistungsquelle kann eine einfache Batterie 104 oder ein RESS in Verbindung mit einer Batterie 104 oder einer anderen ähnlichen elektrischen Leistungsquelle aufweisen.
Das Wärmepumpensystem 101 kann ein Medium 103 zur thermischen Speicherung, einen ersten Kühlmittelkreislauf 105, einen Kältekreislauf 106 und einen zweiten Kühlmittelkreislauf 107 aufweisen. Das Medium 103 zur thermischen Speicherung kann Wärme während des inaktiven Zustandes speichern. Wärme, die in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeichert ist, kann Abwärme von der Batterie 104 oder Wärme, die unter Verwendung einer Heizung 109 aktiv hinzugefügt wird, aufweisen.
Das Wärmepumpensystem 101 kann die Wärme, die in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeichert ist, an den Fahrgastraum 102 des Fahrzeugs 100 über den ersten Kühlmittelkreislauf 105, den Kältekreislauf 106 und den zweiten Kühlmittelkreislauf 107 während des aktiven Fahrzustandes übertragen.
Genauer Bezug nehmend auf 1 kann der erste Kühlmittelkreislauf 105 ein erstes Kühlmittel über eine erste Kühlmittelpumpe 128 zirkulieren. Der erste Kühlmittelkreislauf 105 kann eine Heizung 109, ein Medium 103 zur thermischen Speicherung und einen ersten Wärmetauscher 108 aufweisen. Die Heizung 109 kann derart konfiguriert sein, das erste Kühlmittel zu erwärmen und das erste Kühlmittel durch das Medium 103 zur thermischen Speicherung zu lenken, um die Wärme, die darin während des inaktiven Zustandes gespeichert ist, zu absorbieren. Das Kühlmittel kann dann an den ersten Wärmetauscher 108 gelenkt werden.
Der erste Wärmetauscher 108 kann einen ersten Kühlmittelhohlraum 121 und einen Kältemittelhohlraum 122 aufweisen. Der erste Wärmetauscher 108 kann derart konfiguriert sein, Wärme zwischen dem ersten Kühlmittel, das durch den ersten Kühlmittelhohlraum 121 strömt, und dem Kältemittel zu tauschen, das durch den Kältekreislauf 106 zirkuliert wird und durch den Kältemittelhohlraum 122 strömt. Der erste Wärmetauscher 108 kann derart konfiguriert sein, Wärme zwischen dem ersten Kühlmittel und einem Kältemittel zu tauschen, das durch den Kältekreislauf 106 zirkuliert wird. Der erste Wärmetauscher 108 kann ein Kühler sein, der als ein Verdampfer funktionieren kann, um Wärme von dem ersten Kühlmittel an das Kältemittel zu dissipieren.
Das Medium 103 zur thermischen Speicherung kann eine beliebige Vorrichtung sein, die zur thermischen Speicherung in der Lage ist. Das Medium 103 zur thermischen Speicherung kann beispielsweise ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS), das die Batterie (als 104 in 2 gezeigt) aufnimmt; ein RESS, das Leistungselektronik aufnimmt; ein Phasenänderungsmaterial, das um die Batteriepackung (wie in 3 gezeigt) positioniert und als Isolierung um die Batteriepackung verwendet ist; oder ein Phasenänderungsmaterial allein sein.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 2 gezeigt ist, kann das Medium 103 zur thermischen Speicherung ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) sein, das eine flüssigkeitsgekühlte Batterie 104 aufnimmt. Die flüssigkeitsgekühlte Batterie 104 gibt eine signifikante Wärmemenge in dem inaktiven Zustand ab. Diese Wärme kann in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung/RESS gespeichert und an den Fahrgastraum 102 während des aktiven EV-Fahrzustandes übertragen werden, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen. Die in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeicherte Wärme kann an den Fahrgastraum 102 über den ersten Kühlmittelkreislauf 105 übertragen werden, der ein erstes Kühlmittel durch das RESS zirkuliert, um Wärme von der Batterie 104 zu absorbieren.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, wie in 3 gezeigt ist, ist das Medium 103 zur thermischen Speicherung ein Phasenänderungsmaterial, das um die Batterie 104 positioniert ist. Das Phasenänderungsmaterial kann ein eutektisches, ein Salzhydrat- oder anderes organisches Material sein, wie Wachs, Öle, Fettsäuren und Polyglykole oder dergleichen. Die flüssigkeitsgekühlte Batterie 104 gibt eine signifikante Wärmemenge in dem inaktiven Zustand ab. Diese Wärme kann in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung/Phasenänderungsmaterial gespeichert und an den Fahrgastraum 102 während des aktiven EV-Fahrzustandes übertragen werden, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen. Die Wärme, die in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeichert ist, kann über den ersten Kühlmittelkreislauf 105 an den Fahrgastraum 102 übertragen werden, der ein erstes Kühlmittel durch das Phasenänderungsmaterial zirkuliert, um Wärme davon zu absorbieren.
Allgemein Bezug nehmend auf die 1 - 3 weist das Wärmepumpensystem ferner den Kältekreislauf 106, der derart konfiguriert ist, Kältemittel zu zirkulieren und den Fahrgastraum 102 zu entfeuchten, sowie den zweiten Kühlmittelkreislauf 107 auf, der derart konfiguriert ist, ein zweites Kühlmittel zu zirkulieren, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen.
Der Kältekreislauf 106 kann einen Kompressor 110, den ersten Wärmetauscher 108, einen zweiten Wärmetauscher 111, eine erste Expansionsvorrichtung 114, eine zweite Expansionsvorrichtung 115 und einen dritten Wärmetauscher 116 aufweisen.
Der Kompressor 110 kann derart konfiguriert sein, das Kältemittel zu komprimieren. Der Kompressor 110 kann von einem Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben werden, der eine einzelne oder variable Drehzahl-Vielfalt aufweisen kann. Der Kompressor 110 kann auch eine Pumpe sein, die von einem Riemen angetrieben wird, der mit einem Vortriebssystem (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Kompressor 110 kann ferner derart konfiguriert sein, Kältemittelgas von einem des ersten Wärmetauschers 108 und des dritten Wärmetauschers 116 aufzunehmen. Der Kompressor 110 kann das Kältemittelgas in einen Hochdruckzustand mit Druck beaufschlagen und komprimiertes Kältemittelgas an den zweiten Wärmetauscher 111 ausstoßen.
Der zweite Wärmetauscher 111 kann einen Kältemittelhohlraum 112 und einen zweiten Kühlmittelhohlraum 113 aufweisen. Der zweite Wärmetauscher 111 kann ein Wärmepumpenkondensator von Kältemittel auf Kühlmittel sein, der derart konfiguriert ist, das Kältemittel zu kühlen und zu kondensieren und Wärme zwischen dem Kältemittel, das durch den Kältemittelhohlraum 112 strömt, und dem zweiten Kühlmittel, das durch den zweiten Kühlmittelhohlraum 113 strömt, zu tauschen. Der zweite Wärmetauscher 111 kann Kältemittel von dem Kompressor 110 und das zweite Kühlmittel von einem Bypassventil 118 oder einer Kraftmaschine aufnehmen. Der zweite Wärmetauscher 111 kann Wärme von dem druckbeaufschlagten Kältemittelgas, wenn dieses durch den Kältemittelhohlraum 112 strömt, in dem Ausmaß entnehmen, dass das druckbeaufschlagte Kältemittelgas gekühlt und bis zu einem Punkt kondensiert wird, bei dem es seinen flüssigen Zustand rückgewinnt. Die Wärme, die von dem Kältemittel entnommen wird, wenn dieses durch den zweiten Kältemittelhohlraum 112 strömt, kann an das zweite Kühlmittel übertragen werden, das durch den zweiten Kühlmittelhohlraum 113 strömt.
Der zweite Wärmetauscher 111 kann ferner derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem Kältemittelhohlraum 112 durch den Kältekreislauf 106 zu einer von der ersten Expansionsvorrichtung 114 und der zweiten Expansionsvorrichtung 115 auszustoßen. Der zweite Wärmetauscher 111 kann auch derart konfiguriert sein, das zweite Kühlmittel von dem zweiten Kühlmittelhohlraum 113 an einen Heizerkern 117 in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 107 auszustoßen, wie hier nachfolgend beschrieben ist.
In dem Fall, dass der Fahrgastraum 102 eine Kühlung anstatt einer Erwärmung erfordert, kann der Kältekreislauf 106 auch einen vierten Wärmetauscher 123 aufweisen, der anstelle des zweiten Wärmetauschers 111 verwendet wird. Der vierte Wärmetauscher 123 kann ein Kondensator von Kältemittel auf Luft sein. Der vierte Wärmetauscher 123 kann druckbeaufschlagtes Kältemittelgas von dem Kompressor 110 aufnehmen und das druckbeaufschlagte Kältemittelgas, wenn es hindurchströmt, in dem Maß kühlen und kondensieren, dass das druckbeaufschlagte Kältemittelgas bis zu einem Punkt gekühlt und kondensiert wird, bei dem es seinen flüssigen Zustand rückgewinnt. In einem solchen Fall kann der vierte Wärmetauscher 123 Kältemittel zu einer von der ersten Expansionsvorrichtung 114 und der zweiten Expansionsvorrichtung 115 ausstoßen.
Die erste Expansionsvorrichtung 114 und die zweite Expansionsvorrichtung 115 des Kältekreislaufs 106 können derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem Kältemittelhohlraum 112 des zweiten Wärmetauschers 111 aufzunehmen, und können ferner derart konfiguriert sein, ein Kühlen und Expandieren des Kältemittels zu ermöglichen. Die erste und zweite Expansionsvorrichtung 114, 115 können eine Expansion des flüssigen Kältemittels bei hohem Druck ermöglichen, wodurch der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn es die erste und zweite Expansionsvorrichtung 114, 115 verlässt. Die erste und zweite Expansionsvorrichtung 114, 115 können ferner derart konfiguriert sein, Kältemittel zu jedem des jeweiligen ersten Wärmetauschers 108, der als ein Wärmepumpenverdampfer wirkt, und des dritten Wärmetauschers 116, der als ein Fahrgastraumverdampfer wirkt, bei einem signifikant reduzierten Druck zu steuern und selektiv zu verteilen. Die erste und zweite Expansionsvorrichtung 114, 115 können thermostatische Ventile oder Ventile zur thermischen Expansion sein und können derart konfiguriert sein, einen konstanten Verdampferüberhitzungszustand zu halten, wenn das Kältemittel in einen von dem ersten Wärmetauscher 108 und dem dritten Wärmetauscher 116 eintritt. Jede der jeweiligen ersten Expansionsvorrichtung 114 und der zweiten Expansionsvorrichtung 115 können entweder elektronisch oder mechanisch sein.
Die erste und zweite Expansionsvorrichtung 114, 115 können die Temperatur des Kältemittels, das entweder den ersten Wärmetauscher 108 oder den dritten Wärmetauscher 116 verlässt, überwachen, wie mit einem Sensor oder einer Thermostatkugel, und können die Leistungsfähigkeit des Wärmeaustauschs dadurch verbessern, dass zusätzliches oder weniger Kältemittel in den ersten und dritten Wärmetauscher 108, 116 gelassen wird.
Wenn eine Erwärmung des Fahrgastraumes erforderlich ist, kann die erste Expansionsvorrichtung 114 derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem Kältemittelhohlraum 112 des zweiten Wärmetauschers 111 aufzunehmen und ein Kühlen und Expandieren des Kältemittels zulassen. Wenn ein Kühlen des Fahrgastraums 102 erforderlich ist, kann die erste Expansionsvorrichtung 114 derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem vierten Wärmetauscher 123 aufzunehmen und ein Kühlen und Expandieren des Kältemittels zu ermöglichen.
Die erste Expansionsvorrichtung 114 kann ferner derart konfiguriert sein, Kältemittel an den Kältemittelhohlraum 122 des ersten Wärmetauschers 108 auszustoßen. Der erste Wärmetauscher 108 ist derart konfiguriert, Wärme zwischen dem ersten Kühlmittel und einem Kältemittel, das durch den Kältekreislauf 106 zirkuliert wird, zu tauschen und das Kältemittel zurück an den Kompressor 110 auszustoßen, um den Kältekreislauf 106 zu vervollständigen.
Wenn ein Erwärmen des Fahrgastraumes erforderlich ist, kann die zweite Expansionsvorrichtung 115 derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem Kältemittelhohlraum 112 des zweiten Wärmetauschers 111 aufzunehmen und ein Kühlen und Expandieren des Kältemittels zuzulassen. Wenn ein Kühlen des Fahrgastraumes erforderlich ist, kann die zweite Expansionsvorrichtung 115 derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem vierten Wärmetauscher 123 aufzunehmen und ein Kühlen und ein Expandieren des Kältemittels zuzulassen.
Die zweite Expansionsvorrichtung 115 kann ferner derart konfiguriert sein, Kältemittel an den dritten Wärmetauscher 116 auszustoßen, der als ein Fahrgastraumverdampfer wirkt.
Der dritte Wärmetauscher 116 kann derart konfiguriert sein, Wärme von dem Kältemittel, das durch den dritten Wärmetauscher 116 strömt, an die Luft zu tauschen, die über den dritten Wärmetauscher 116 und in den Fahrgastraum 102 strömt, um den Fahrgastraum 102 zu kühlen und zu entfeuchten. Der dritte Wärmetauscher 116 kann ferner derart konfiguriert sein, Kältemittel von der zweiten Expansionsvorrichtung 115 aufzunehmen und Kältemittel zurück an den Kompressor 110 auszustoßen, um den Kältekreislauf 106 zu vervollständigen.
Der Kältekreislauf kann auch eine Mehrzahl von Strömungssteuerventilen 124, 125, 126, 127 aufweisen, um die Strömung von Kältemittel durch den Kältekreislauf 106 des Wärmepumpensystems 101 auf Grundlage der Heiz-, Kühl- und Entfeuchtungsanforderungen des Fahrgastraumes 102 zu steuern und selektiv zu verteilen.
Der zweite Kühlmittelkreislauf 107 kann ein zweites Kühlmittel über eine zweite Kühlmittelpumpe 129 zirkulieren. Der zweite Kühlmittelkreislauf 107 kann einen Heizerkern 117, den zweiten Wärmetauscher 111, ein Bypassventil 118 und eine Kraftmaschine 119 aufweisen.
Der zweite Wärmetauscher 111 kann den Kältemittelhohlraum 112 und den zweiten Kühlmittelhohlraum 113 aufweisen, wie hier oben beschrieben ist. Der zweite Wärmetauscher 111 kann ein Wärmepumpenkondensator von Kältemittel auf Kühlmittel sein, der derart konfiguriert ist, das Kältemittel zu kühlen und zu kondensieren und Wärme zwischen dem Kältemittel, das durch den Kältemittelhohlraum 112 strömt, und dem zweiten Kühlmittel, das durch den zweiten Kühlmittelhohlraum 113 strömt, zu tauschen. Der zweite Wärmetauscher 111 kann Kältemittel von dem Kompressor 110 in dem Kältekreislauf 106 und das zweite Kühlmittel von einem aus einem Bypassventil 118 und einer Kraftmaschine 119 in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 107 aufnehmen. Das Bypassventil 118 kann ein Dreiwegeventil mit zwei Positionen sein und kann derart konfiguriert sein, die Strömung des zweiten Kühlmittels von dem zweiten Wärmetauscher 111 an einen von dem zweiten Wärmetauscher 111 und der Kraftmaschine 119 zu lenken. In dem EV-Modus lenkt das Bypassventil 118 eine Kühlmittelströmung zur Umgehung der Kraftmaschine 119 und zum Ausstoßen des zweiten Kühlmittels direkt an den zweiten Wärmetauscher 111, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen. Im Hybridmodus kann das Bypassventil 118 die gesamte Strömung des zweiten Kühlmittels an die Kraftmaschine 119 lenken, um Kraftmaschinenabwärme zu verwenden, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen, wobei die Kraftmaschine 119 dann erwärmtes zweites Kühlmittel an den zweiten Wärmetauscher 111 ausstößt, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen.
Der zweite Wärmetauscher 111 kann ferner Wärme von dem druckbeaufschlagten Kältemittelgas, wenn dieses durch den Kältemittelhohlraum 112 strömt, in dem Ausmaß entnehmen, dass das druckbeaufschlagte Kältemittelgas bis zu einem Punkt gekühlt und kondensiert wird, bei dem es einen flüssigen Zustand rückgewinnt. Die Wärme, die von dem Kältemittel entnommen wird, wenn dieses durch den Kältemittelhohlraum 112 strömt, kann an das zweite Kühlmittel übertragen werden, das durch den zweiten Kühlmittelhohlraum 113 strömt.
Der zweite Wärmetauscher 111 kann ferner derart konfiguriert sein, das zweite Kühlmittel von dem zweiten Kühlmittelhohlraum 113 an den Heizerkern 117 auszustoßen.
Der Heizerkern 117 kann derart konfiguriert sein, das zweite Kühlmittel von dem zweiten Wärmetauscher 111 aufzunehmen. Der Heizerkern 117 kann ferner derart konfiguriert sein, Luft, die über den dritten Wärmetauscher 116 strömt und von diesem entfeuchtet wird, zu heizen. Der Heizerkern 117 kann die Luft, die darüber und in den Fahrgastraum 102 strömt, mit dem erwärmten zweiten Kühlmittel erwärmen, das hindurchströmt, um den Fahrgastraum 102 zu heizen.
Nachdem die Luft, die über den Heizerkern 117 strömt, hierdurch über das erwärmte zweite Kühlmittel erhitzt ist, hat das Wärmepumpensystem 101 die Wärme, die dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeichert ist, effektiv an das erste Kühlmittel, das durch den ersten Kühlmittelkreislauf 105 strömt, an das Kältemittel, das durch den Kältekreislauf 106 strömt, an das zweite Kühlmittel, das durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 107 strömt, und schließlich an den Fahrgastraum 102 übertragen, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen.
Wie in den 1 - 3 gezeigt ist, können der erste Kühlmittelkreislauf 105, der Kältekreislauf 106 und der zweite Kühlmittelkreislauf 107 durch zumindest ein Steuermodul 120 gesteuert werden, das derart konfiguriert sein kann, um mit der ersten Kühlmittelpumpe 128, dem Kompressor 110 und der zweiten Kühlmittelpumpe 129 zu kommunizieren. Das zumindest eine Steuermodul 120 kann ferner derart konfiguriert sein, mit der ersten Expansionsvorrichtung 114 und der zweiten Expansionsvorrichtung 115; der Mehrzahl von Strömungssteuerventilen 124, 125, 126, 127; und anderen Subsystemen durch zumindest eine elektrische Verbindung zu kommunizieren.
Die Verwendung von thermischer Speicherung in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen, ermöglicht einen effektiveren Betrieb von Hybrid-Fahrzeugen sowie Elektrofahrzeugen mit erweiterter Reichweite im EV-Modus bei kälteren Umgebungstemperaturen, da das Fahrzeug diese gespeicherte Energie verwendet, anstatt zu erfordern, dass die Kraftmaschine 119 Benzin oder Kraftstoff verbrennt, um den Fahrgastraum 102 bei kalten Umgebungstemperaturen zu heizen. Zusätzlich erlauben unter Verwendung des Wärmepumpensystems 101, das die Fähigkeiten aufweist, Wärme, die in einem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeichert ist, zu übertragen und zu verwenden, um den Fahrgastraum 102 zu heizen, einen Betrieb von Hybrid-Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen mit erweiterter Reichweite im Wärmepumpenmodus bei äußerst kalten Umgebungstemperaturen von so niedrig wie -40°C.
Bezug nehmend auf die 4 und 5 ist auch ein Verfahren zum Bereitstellen von Wärme für einen Fahrgastraum 102 in Verbindung mit dem Aufbau des beispielhaften Fahrzeugs 100, das in den 1 und 2 gezeigt ist, vorgesehen. Das vorliegende Verfahren (in Flussdiagrammform bei 200 gezeigt) kann nützlicherweise dazu verwendet werden, einen Fahrgastraum 102 eines Fahrzeugs 100 zu heizen, das einen aktiven elektrischen Antriebszustand und einen inaktiven Zustand aufweist.
Das Verfahren kann die Schritte 201 und 202 aufweisen, wie in 4 gezeigt ist. Bei Schritt 201 speichert das Wärmepumpensystem 101 Wärme in einem Medium 103 zur thermischen Speicherung während des inaktiven Zustandes. Das Medium 103 zur thermischen Speicherung kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) sein, das eine flüssigkeitsgekühlte Batterie 104 aufnimmt. Die flüssigkeitsgekühlte Batterie 104 gibt eine signifikante Wärmemenge während des inaktiven Zustandes und/oder Wärme ab, die der Batterie aktiv unter Verwendung einer Heizung 109 zugeführt wird. Das Medium 103 zur thermischen Speicherung kann auch ein Phasenänderungsmaterial sein, das um die Batterie 104 positioniert und zur Absorption der Wärme in der Lage ist, die während des inaktiven Zustandes von der Batterie 104 abgegeben wird.
Bei Schritt 202 kann das Wärmepumpensystem 101 Wärme von dem Medium 103 zur thermischen Speicherung an den Fahrgastraum 102 während des aktiven elektrischen Fahrzustandes im EV-Modus übertragen. Wärme wird über den ersten Kühlmittelkreislauf 105, den Kältekreislauf 106 und den zweiten Kühlmittelkreislauf 107 übertragen.
Der Schritt 202, der Wärme von dem Medium 103 zur thermischen Speicherung an den Fahrgastraum 102 überträgt, kann mehrere Unterschritte 301 - 305 aufweisen, wie in 5 gezeigt ist.
Bei Schritt 301 zirkuliert der erste Kühlmittelkreislauf 105 ein erstes Kühlmittel durch das Medium 103 zur thermischen Speicherung, um zu ermöglichen, dass das erste Kühlmittel die in dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeicherte Wärme absorbieren kann. Das erste Kühlmittel wird dann von dem Medium 103 zur thermischen Speicherung an den ersten Wärmetauscher 108 geführt.
Bei Schritt 302 absorbiert und tauscht der erste Wärmetauscher 108 die Wärme von dem Medium 103 zur thermischen Speicherung an das erste Kühlmittel und von dem ersten Kühlmittel an ein Kältemittel, das durch den Kältekreislauf 106 zirkuliert wird. Das Kältemittel wird dann durch den Kältekreislauf 106 und weiter zu dem zweiten Wärmetauscher 111 geführt.
Bei Schritt 303 tauscht der zweite Wärmetauscher 111 die Wärme von dem Medium 103 zur thermischen Speicherung, die nun in dem Kältemittel vorhanden ist, an das zweite Kühlmittel, das durch einen zweiten Kühlmittelkreislauf 107 zirkuliert wird.
Bei Schritt 304 wird das zweite Kühlmittel dann durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 107 und weiter zu dem Heizerkern 117 geführt.
Bei Schritt 305 wird die von dem Medium 103 zur thermischen Speicherung gespeicherte Wärme von dem zweiten Kühlmittel und dem Heizerkern 117 auf die Luft übertragen, die über den Heizerkern 117 und in den Fahrgastraum 102 strömt, um den Fahrgastraum 102 zu heizen.

Claims

Wärmepumpensystem (101) zur Verwendung in einem Fahrzeug (100), das einen Fahrgastraum (102) zur Aufnahme konditionierter Luft, eine Kraftmaschine (119) und eine aufladbare Batterie (104) aufweist, wobei das Wärmepumpensystem (101) umfasst: ein Medium (103) zur thermischen Speicherung, das derart konfiguriert ist, Wärme, die durch Laden der Batterie (104) erzeugt wird, zu speichern, wobei das Medium (103) zur thermischen Speicherung ein Phasenänderungsmaterial ist; einen ersten Kühlmittelkreislauf (105), der derart konfiguriert ist, ein erstes Kühlmittel zu zirkulieren, um die gespeicherte Wärme von dem Medium (103) zur thermischen Speicherung zu absorbieren; einen Kältekreislauf (106), der derart konfiguriert ist, ein Kältemittel zu zirkulieren, der derart konfiguriert ist, gespeicherte Wärme von dem ersten Kühlmittel zu absorbieren, und ferner konfiguriert ist, die Luft zu konditionieren, die von dem Fahrgastraum (102) aufzunehmen ist; einen ersten Wärmetauscher (108), der derart konfiguriert ist, gespeicherte Wärme von dem ersten Kühlmittel, das in dem ersten Kühlmittelkreislauf (105) zirkuliert, an das Kältemittel zu tauschen, das in dem Kältekreislauf (106) zirkuliert; einen zweiten Kühlmittelkreislauf (107), der derart konfiguriert ist, ein zweites Kühlmittel zu zirkulieren, der derart konfiguriert ist, die Wärme von dem Kältemittel zu absorbieren, und ferner konfiguriert ist, um Luft zu konditionieren, die von dem Fahrgastraum (102) aufzunehmen ist; einen zweiten Wärmetauscher (111), der derart konfiguriert ist, die Wärme, die von dem Kältemittel in dem Kältekreislauf (106) absorbiert ist, von dem ersten Kühlmittel in dem ersten Kühlmittelkreislauf (105) an das zweite Kühlmittel in dem zweiten Kühlmittelkreislauf (107) zu tauschen; einen dritten Wärmetauscher (116), der in den Kältekreislauf (106) geschaltet ist und derart konfiguriert ist, die Wärme von dem Kältemittel, das durch den dritten Wärmetauscher (116) strömt, an die Luft zu tauschen, die über den dritten Wärmetauscher (116) und in den Fahrgastraum (102) strömt, um den Fahrgastraum (102) zu kühlen und zu entfeuchten; einen vierten Wärmetauscher (123), der in den Kältekreislauf (106) geschaltet ist und derart ausgestaltet ist, das Kältemittel, das durch den vierten Wärmetauscher (123) strömt, zu kühlen; eine Expansionsvorrichtung (114), die in dem Kältekreislauf (106) stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher (108) angeordnet ist; wobei, wenn eine Erwärmung des Fahrgastraums (102) erforderlich ist, die Expansionsvorrichtung (114) derart konfiguriert ist, Kältemittel von dem zweiten Wärmetauscher (111) aufzunehmen und das Kältemittel zu kühlen und zu expandieren; wobei, wenn ein Kühlen des Fahrgastraums (102) erforderlich ist, die Expansionsvorrichtung (114) derart konfiguriert ist, Kältemittel von dem vierten Wärmetauscher (123) und das Kältemittel zu kühlen und zu expandieren; und wobei die in dem Medium (103) zur thermischen Speicherung gespeicherte Wärme an die konditionierte Luft, die von dem Fahrgastraum (102) empfangen wird, über den ersten Kühlmittelkreislauf (105), den Kältekreislauf (106) und den zweiten Kühlmittelkreislauf (107) übertragen wird.
Wärmepumpensystem (101) nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug (100) einen aktiven Fahrzustand und einen inaktiven Zustand aufweist.
Wärmepumpensystem (101) nach Anspruch 2, wobei das Medium (103) zur thermischen Speicherung Wärme speichert, die während des inaktiven Zustandes erzeugt wird; und wobei die Wärme, die in dem Medium (103) zur thermischen Speicherung während des inaktiven Zustandes gespeichert ist, an den Fahrgastraum (102) über den ersten Kühlmittelkreislauf (105), den Kältekreislauf (106) und den zweiten Kühlmittelkreislauf (107) während des aktiven Fahrzustandes übertragen wird.
Wärmepumpensystem (101) nach Anspruch 1, wobei das Phasenänderungsmaterial ein eutektisches, Salzhydrat- oder organisches Material ist.