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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Kältekreis, zur Klimatisierung mehrerer Fahrzeugkomponenten, wobei ein Hauptkondensator an den Kältekreis angeschlossen ist, zur Abgabe von Wärme an die Umgebung.
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Fahrzeuge sind regelmäßig mit einem Kältekreis ausgestattet, um diverse Fahrzeugkomponenten zu klimatisieren und deren Temperatur bedarfsgerecht einzustellen. Dazu zirkuliert in dem Kältekreis ein Kältemittel, welches üblicherweise nacheinander einen Verdichter, einen Kondensator, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer durchströmt. Der Verdampfer ist entweder direkt oder mittelbar über einen Kühlmittelkreis mit einer zu kühlenden Fahrzeugkomponenten verbunden. Im Betrieb nimmt dann das Kältemittel im Verdampfer Wärme auf, welche anschließend über den Kondensator abgegeben wird.
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Aus der genannten
WO 2014/023596 A1 ist es bekannt, eine Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs in den Kältekreis zu integrieren, d. h. diese Batterie zwecks Klimatisierung über einen Wärmetauscher derart an den Kältekreis anzuschließen, dass ein Wärmeaustausch mit dem Kältemittel erfolgt. Die Batterie wirkt dann insbesondere als Wärmequelle in dem Kältekreis und der zugehörige Wärmetauscher entsprechend als Verdampfer.
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Bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug stellt die Batterie üblicherweise die primäre Energiequelle zum Antrieb des Fahrzeugs dar. In diesem Zusammenhang wird die Batterie auch als Hochvoltspeicher bezeichnet. Dieser Begriff wird auch im Folgenden verwendet, insbesondere in Abgrenzung zur herkömmlichen Niedervolt-Bordnetz-Batterie.
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Für den Hochvoltspeicher eines Fahrzeugs gelten häufig strenge Anforderungen hinsichtlich der Temperaturführung, beispielsweise hinsichtlich zulässiger minimaler und maximaler Betriebstemperaturen, sodass eine Klimatisierung des Hochvoltspeichers sinnvoll ist. Ein Problem stellt dabei auch die möglicherweise ungleichmäßige Beheizung verschiedener Zellen eines Hochvoltspeichers dar. Insbesondere werden zur Reichweitensteigerung immer mehr Zellen verwendet, d. h. größere und/oder mehrere Hochvoltspeicher in einem Fahrzeug verbaut, wodurch sich ein entsprechender Leistungsbedarf bezüglich der Klimatisierung ergibt, welcher von herkömmlichen Systemen höchstens unzureichend erfüllt wird. Dies gilt umso mehr, als auch üblicherweise noch weitere Fahrzeugkomponenten mittels des Klimakreises klimatisiert werden sollen, beispielsweise der Innenraum des Fahrzeugs.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug anzugeben, welches einen Kältekreis mit einer möglichst großen Klimatisierungsleistung aufweist, um mehrere Fahrzeugkomponenten besonders bedarfsgerecht zu klimatisieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrerzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Fahrzeug ist insbesondere eine Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist einen Kältekreis auf, zur Klimatisierung mehrerer Fahrzeugkomponenten, beispielsweise eines Innenraums und/oder eines Hochvoltspeichers. Dabei ist an den Kältekreis ein Hauptkondensator angeschlossen, zur Abgabe von Wärme an die Umgebung. Der Kältekreis weist weiterhin insbesondere einen Verdichter, einen Verdampfer sowie ein Expansionsorgan auf. Insbesondere ist zum Austausch von Wärme mit einer jeweiligen der Fahrzeugkomponenten ein zugehöriger Verdampfer an den Kältekreis angeschlossen. Im Kältekreis zirkuliert zudem ein Kältemittel, beispielsweise R1234YF oder R744, wobei dann insbesondere in letzterem Fall der Hauptkondensator vorzugsweise als Hauptgaskühler ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist zusätzlich an den Kältekreis zumindest ein Zusatzkondensator angeschlossen, zur Leistungssteigerung des Kältekreises, wobei der Zusatzkondensator in einem Radhaus untergebracht ist. Im Fall eines nicht vollständig kondensierenden Kältemittels, beispielsweise bei R744, ist der Zusatzkondensator zweckmäßigerweise als Gaskühler ausgebildet.
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Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Leistungssteigerung des Kältekreises eine entsprechend große Kondensatorfläche zur Wärmeabfuhr zur Verfügung gestellt werden muss. Der übliche Hauptkondensator ist dabei hinsichtlich dessen Größe und damit auch hinsichtlich dessen Leistung insbesondere durch den im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt. Diese Bauraumbegrenzung wird dann durch die Verwendung des Zusatzkondensators vorteilhaft umgangen, indem zusätzliche Kondensatorfläche abseits des Hauptkondensators geschaffen wird.
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Allerdings muss zusätzlich zu ausreichendem Bauraum auch eine hinreichende Kühlung des Kondensators zwecks Wärmeabgabe gewährleistet sein. Der Zusatzkondensator ist daher besonders vorteilhaft in einem Radhaus des Fahrzeugs untergebracht, welches aufgrund dessen üblicherweise peripheren, das heißt äußeren Lage am Fahrzeug ausreichend mit vergleichsweise kühler Umgebungsluft versorgt wird.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen demnach insbesondere darin, dass durch den Zusatzkondensator zusätzliche Kondensatorfläche zwecks Wärmeabgabe ausgebildet ist und diese zusätzliche Kondensatorfläche durch Unterbringung in den Radhäusern des Fahrzeugs gleichzeitig besonders optimal gekühlt wird. Dadurch ist die Leistungsfähigkeit des Kältekreises deutlich erhöht und besonders zur insbesondere gleichzeitigen Klimatisierung mehrerer Fahrzeugkomponenten geeignet. Besonders im Falle eines an den Kältekreis angeschlossen Hochvoltspeichers ist aufgrund der zusätzlichen Leistung eine zuverlässige Klimatisierung des Hochvoltspeichers gewährleistet.
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Die Radhäuser des Fahrzeugs dienen vorrangig der Aufnahme von Rädern, insbesondere einem Rad pro Radhaus, sodass ein herkömmliches Fahrzeug entsprechend zwei vordere und zwei hintere Radhäuser aufweist. Dabei sind die Radhäuser einerseits üblicherweise von einer schützenden Karosserie oder Verkleidung umgeben, andererseits aber aufgrund der peripheren Lage besonders einfach mit Umgebungsluft beaufschlagbar. Insbesondere sind die Radhäuser dadurch im Vergleich zu anderen Stellen im Fahrzeug zur Aufnahme von zusätzlichen Kondensatoren besonders geeignet. Da ein Fahrzeug üblicherweise mehrere Radhäuser aufweist, sind in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung entsprechend auch mehrere Zusatzkondensatoren an den Kältekreis angeschlossen. Insbesondere ist in einem Radhaus jeweils ein Zusatzkondensator untergebracht.
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Allgemein sind vorzugsweise mehrere Zusatzkondensatoren an den Kältekreis angeschlossen, um eine möglichst große Kondensatorfläche zu erzielen. Vorzugsweise wird durch sämtliche Zusatzkondensatoren eine zusätzliche Kondensatorfläche bereitgestellt, die den entsprechend zusätzlichen Klimatisierungsbedarf eines Hochvoltspeichers oder einer Hochvoltspeicheranordnung, der/die gegenüber einem herkömmlichen Hochvoltspeicher vergrößert ist, bereitstellt. Die Zusatzkondensatorleistung ergibt sich dabei insbesondere als Summe von zusätzlicher Verdichterleistung und zusätzlicher Kälteleistung in Abhängigkeit der vom Hochvoltspeicher erzeugten Abwärme. Beispielsweise beträgt die zusätzliche Kondensatorfläche dann wenigstens die Hälfte der bereits vom Hauptkondensator zur Verfügung gestellten Kondensatorfläche.
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Bei der Verschaltung der Zusatzkondensatoren im Kältekreis sind grundsätzlich verschiedene geeignete Ausgestaltungen realisierbar. In einer besonders einfachen Ausgestaltung werden mehrere Zusatzkondensatoren mit dem Hauptkondensator lediglich in Reihe geschaltet, wodurch sich insbesondere bisherige Kältekreise besonders einfach nachrüsten lassen. Insgesamt ist eine solche Reihenschaltung konstruktiv besonders einfach. Alternativ ist allerdings auch beispielsweise eine Parallelschaltung sämtlicher Kondensatoren im Kältekreis geeignet. Hierdurch ist dann vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Lastverteilung realisiert, da warme Kältemittel vom Verdichter aus entsprechend auf die mehreren Kondensatoren verteilt wird und nicht vollständig zunächst einem einzelnen Kondensator und danach erste dem nächsten Kondensator zugeführt wird. Gleichermaßen geeignet ist aber auch eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung der verschiedenen Kondensatoren.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist an den Kältekreis eine Anzahl von Hochvoltspeichern angeschlossen. Eine solche direkte Klimatisierung von Hochvoltspeichern hat diverse Vorteile, unter anderem die Vermeidung eines zusätzlichen Kühlmittelkreislaufs. Insbesondere weist das Fahrzeug mehrere Hochvoltspeicher auf, die an den Kältekreis angeschlossen sind und einen entsprechend hohen Klimatisierungsbedarf aufweisen, welcher dann durch den Hauptkondensator in Kombination mit einem oder mehreren Zusatzkondensatoren vorteilhaft gedeckt ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von Zusatzkondensatoren zwecks Schaffung einer möglichst großen Kondensatorfläche und einer damit einhergehenden vergrößerten Klimatisierungsleistung weist somit besondere Vorteile in Kombination mit mehreren Hochvoltspeichern oder einem Hochvoltspeicher mit besonders hoher Kapazität auf. Das Fahrzeug weist dann eine entsprechend große und im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen vergrößerte Reichweite auf, zugleich ist eine ausreichende Klimatisierung der Hochvoltspeicher gewährleistet. Dabei beträgt die Gesamtkapazität der Anzahl von Hochvoltspeichern beispielsweise etwa 30 bis 90 Kilowattstunden oder mehr. Die sich ergebende große räumliche Ausdehnung eines solchen Hochvoltspeichers oder einer entsprechenden Hochvoltspeicheranordnung aus mehreren Hochvoltspeichern führt dann möglicherweise zu einer nachteilig großen Temperaturspreizung an dieser Anordnung und dann unter Umständen zu Leistungseinbußen aufgrund unterschiedlicher Temperatur der diversen Zellen. Die Erhöhung der Kondensatorfläche durch die Zusatzkondensatoren ermöglicht dann insbesondere eine Reduzierung dieser Temperaturspreizung.
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Der sich im Fahrtbetrieb ergebende Fahrtwind wirkt zunächst üblicherweise frontal auf das Fahrzeug und somit in verstärktem Maße auch auf die vorderen Radhäuser, insbesondere im Vergleich zu den hinteren Radhäusern. Bevorzugterweise ist daher der Zusatzkondensator in einem vorderen Radhaus untergebracht. Diese sind besonders einfach mit im Vergleich zum Kältemittel kalter Umgebungsluft beaufschlagbar und eine Kühlung von hier untergebrachten Zusatzkondensatoren gestaltet sich entsprechend einfach.
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Um die Kühlung weiterhin zu verbessern, ist der Zusatzkondensator bevorzugterweise bezüglich anströmender Umgebungsluft, d. h. des anströmenden Fahrtwinds stromauf des Rads angeordnet, d. h. vor diesem, sodass also das Rad den Zusatzkondensator gerade nicht verdeckt und somit der Zusatzkondensator direkt mit Fahrtwind beaufschlagt wird.
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In einer besonders geeigneten Ausgestaltung weist das Radhaus einen Anströmkanal auf, zur Beaufschlagung des Zusatzkondensators mit Umgebungsluft, insbesondere mit Fahrtwind. Der Anströmkanal führt dabei die Umgebungsluft, insbesondere im Fahrtbetrieb, dem Zusatzkondensator zu, sodass eine verbesserte Kühlung erfolgt.
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Um eine optimale Beaufschlagung eines jeden der Kondensatoren zu erzielen, ist für jeden der Kondensatoren ein separater Anströmkanal ausgebildet. Mit anderen Worten: Der Hauptkondensator sowie der Zusatzkondensator oder die Zusatzkondensatoren werden jeweils mittels eines separaten Anströmkanals mit Umgebungsluft versorgt. Auf diese Weise wird vorteilhaft auch vermieden, dass einer der Kondensatoren mit bereits durch einen der anderen Kondensatoren erwärmten Luft beaufschlagt wird, was zu einer entsprechenden Leistungsverminderung führen würde.
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In einer alternativen geeigneten Ausgestaltung ist der Zusatzkondensator bezüglich der anströmenden Umgebungsluft stromab des Rads angeordnet, d. h. hinter dem Rad. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Radhaus noch weitere Komponenten untergebracht sind, welche mittels anströmender Umgebungsluft gekühlt werden sollen. Dies ist beispielsweise bei Bremsen von Vorteil, welche ansonsten von einem vor dem Rad montierten Zusatzkondensator mit bereits erwärmter Luft beaufschlagt würden. In einem solchen Fall ist es daher vorteilhaft, den Zusatzkondensator bezüglich der anströmenden Luft stromab dieser zusätzlich im Radhaus untergebrachten Komponente anzuordnen. Dadurch wird dann vorteilhafterweise eine zu starke Erwärmung dieser zusätzlichen Komponente vermieden und deren Betriebssicherheit gewährleistet.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist das Radhaus mehrere Anströmkanäle auf, zur separaten Anströmung des Zusatzkondensators und einer weiteren Komponente, beispielsweise einer Bremse, welche im Radhaus untergebracht ist. Durch die separaten Anströmkanäle werden dann beide Komponenten, das heißt die weitere Komponente und der Zusatzkondensator, jeweils mit einem separaten Luftstrom beaufschlagt, sodass also keine der beiden Komponenten durch einen bereits zuvor erwärmten Luftstrom in deren Leistung nachteilig beeinflusst wird.
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Alternativ oder zusätzlich zur oben beschriebenen passiven Kühlung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung im Radhaus ein Lüfter angeordnet, zur aktiven Kühlung des dort angeordneten Zusatzkondensators. Dadurch ist auf vorteilhafte Weise auch im Standbetrieb des Fahrzeugs, das heißt beim Ausbleiben von Fahrtwind, eine ausreichende Kühlung des Zusatzkondensators gewährleistet.
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Vorzugsweise ist der Kältekreis auch als Wärmepumpe betreibbar und weist dann einen Heizbetrieb auf, in welchem der Hauptkondensator und der Zusatzkondensator jeweils als Verdampfer wirken, nämlich als Hauptverdampfer bzw. Zusatzverdampfer. Im Heizbetrieb wird dann insbesondere die Strömungsrichtung des Kältemittels umgekehrt und es erfolgt eine Wärmeaufnahme über die Kondensatoren, welche nun als Verdampfer betrieben werden. Ein solcher Kältekreis ist besonders flexibel hinsichtlich der Klimatisierung der daran angeschlossenen Fahrzeugkomponenten und ermöglicht auf vorteilhafte Weise auch eine Beheizung derselben. Dies ist insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen vorteilhaft, bei denen ein Hochvoltspeicher eine minimale Betriebstemperatur aufweist, welche nicht unterschritten werden soll.
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Im Zusammenhang eines Kältekreises mit Heizbetrieb ist auch eine solche Ausgestaltung des Kältekreises vorteilhaft, bei welcher der Zusatzkondensator, der im Heizbetrieb als Verdampfer wirkt, in einem hinteren Radhaus untergebracht ist. Diejenige Luft, die in das hintere Radhaus gelangt, hat vorher üblicherweise das Fahrzeug passiert und ist entsprechend erwärmt, insbesondere im Vergleich zur Luft in den vorderen Radhäusern. Da der Zusatzkondensator im Heizbetrieb Wärme aufnehmen soll, ist daher eine Anordnung in dem vergleichsweise wärmeren hinteren Radhaus besonders effizient. Denkbar ist auch eine Ausgestaltung derart, dass Zusatzkondensatoren in sowohl in den vorderen als auch den hinteren Radhäusern untergebracht sind.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit einem Kältekreis und
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2 das Fahrzeug mit einer Variante des Kältekreises.
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In 1 ist ein Fahrzeug 2 schematisch dargestellt, welches sich in einem Fahrbetrieb in einer Fahrtrichtung F bewegt und dabei frontal von Luft L in Form von Fahrtwind angeströmt wird. Das Fahrzeug weist einen Kältekreis 4 auf, an welchen mehrere Fahrzeugkomponenten angeschlossen sind, und zwar hier mittels mehrerer Verdampfers 6, 8, insbesondere eines Klima-Verdampfers 6, zur Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs 2, sowie mehrere HVS-Verdampfer 8, zur Klimatisierung mehrerer Hochvoltspeicher des Fahrzeugs 2. Die Hochvoltspeicher dienen insbesondere als Energiequelle zum Antrieb des Fahrzeugs 2, welches in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Aufgrund der hier mehreren Hochvoltspeichern weist das Fahrzeug 2 eine besonders große Reichweite auf.
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Über die Verdampfer 6, 8 wird in den Kältekreis 4 Wärme aufgenommen, welche zumindest teilweise über einen Hauptkondensator 10 an die Umgebung abgegeben wird. Dieser Hauptkondensator 10 ist in dem hier gezeigten Beispiel frontseitig am Fahrzeug 2 angeordnet und wird im Fahrbetrieb durch Fahrtwind beaufschlagt und dadurch wiederum gekühlt. Aufgrund der hier mehreren Hochvoltspeicher und der zusätzlichen Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs 2 besteht jedoch ein zumindest potentiell besonders hoher Leistungsbedarf. Daher sind an den Kältekreis 4 zusätzlich mehrere Zusatzkondensatoren 12 angeschlossen. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Kondensatoren 10, 12 in Reihe geschaltet, in einer nicht gezeigten Alternative dagegen beispielsweise parallel oder in einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung.
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Weiterhin umfasst der Kältekreis 4 einen Verdichter 14 sowie eine Anzahl von Expansionsventilen 16, wobei hier jedem Verdampfer 6, 8 insbesondere ein Expansionsorgan 16 zugeordnet ist.
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Durch die Zusatzkondensatoren 12 ist die insgesamt zur Kondensation zur Verfügung stehende Kondensatorfläche beträchtlich vergrößert. Um diese vergrößerte Kondensatorfläche möglichst effizient zu kühlen, sind die Zusatzkondensatoren 12 in Radhäusern 18 des Fahrzeugs 2 untergebracht. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Zusatzkondensatoren 12 dabei in vorderen Radhäusern 18 untergebracht, das heißt bezüglich der Fahrtrichtung F vorne am Fahrzeug 2. Zudem sind in 1 die Zusatzkondensatoren 12 bezüglich der anströmenden Umgebungsluft L stromauf der Räder 20 des Fahrzeugs 2 angeordnet und werden auf diese Weise besonders effizient mit Umgebungsluft L beaufschlagt. Um eine verbesserte Kühlwirkung durch Fahrtwind zu erzielen, weisen die Radhäuser 18 frontseitig jeweils einen Anströmkanal 22 auf, mittels dessen anströmende Luft L zum jeweiligen Zusatzkondensator 12 geführt wird.
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In 2 ist eine alternative Ausgestaltung des Fahrzeugs 2 gezeigt, bei der die Zusatzkondensatoren 12 hinter den Rädern 20 der vorderen Radhäuser 18 angeordnet sind. Dies ist sinnvoll, da in den Radhäusern 18 zusätzlich weitere Komponenten 24 untergebracht sind, welche möglicherweise gekühlt werden müssen. Insbesondere handelt es sich bei diesen weiteren Komponenten 24 um Bremsen für die Räder 20. Durch die Anordnung der Zusatzkondensatoren 12 hinter den, d. h. stromab der Räder 20, wird eine Erwärmung derjenigen Luft L, welche zur Kühlung der weiteren Komponenten 24 dient, vorteilhaft vermieden. Insbesondere sind in einem jeweiligen Radhaus 18 für den dort jeweils untergebrachten Zusatzkondensator 12 und die weitere Komponente 24 jeweils separate Anströmkanäle 26 ausgebildet, sodass also die in das Radhaus 18 einströmende Luft L entweder über den Anströmkanal 22 zur Kühlung des Zusatzkondensators 12 oder oder den Anströmkanal 26 zur Kühlung der weiteren Komponente 24 verwendet wird, nicht jedoch über beide Komponenten 12, 24 gleichzeitig geführt wird. In 2 sind zudem zusätzliche Lüfter 28 angeordnet, zur aktiven Kühlung der Zusatzkondensatoren 12.
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Der Kältekreis 4 ist zudem in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen auch als Wärmepumpe betreibbar und dient dann beispielsweise der Heizung des Innenraums und/oder der Hochvoltspeicher. Über den Hauptkondensator 10 und die Zusatzkondensatoren 12 wird dann insbesondere Wärme aus der Umgebung in den Kältekreis 4 aufgenommen und über die Verdampfer 6, 8, welche dann als Kondensatoren wirken, entsprechend zur Beheizung abgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fahrzeug
- 4
- Kältekreis
- 6
- Klima-Verdampfer
- 8
- HVS-Verdampfer
- 10
- Hauptkondensator
- 12
- Zusatzkondensator
- 14
- Verdichter
- 16
- Expansionsorgan
- 18
- Radhaus
- 20
- Rad
- 22
- Anströmkanal
- 24
- weitere Komponente
- 26
- Anströmkanal
- 28
- Lüfter
- F
- Fahrtrichtung
- L
- Luft, Umgebungsluft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014023596 A1 [0002]
- WO 2014/023596 A1 [0004]
