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Die Erfindung betrifft ein Wärmesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Kältekreis, mit einem Heizungswärmetauscher, der in einem Heizkreis angeordnet ist, zur Innenraumklimatisierung, mit einem Hochvoltspeicher, der in einem HVS-Kreis angeordnet ist, und mit einem Kühler, der in einem Kühlkreis angeordnet ist, wobei der Heizkreis, der HVS-Kreis und der Kühlkreis in einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf integriert sind, und wobei in einem ersten HVS-Kühlbetrieb der HVS-Kreis vom Kühlkreis getrennt ist und mit einem Chiller verbunden ist, zur Wärmeabfuhr in den Kältekreis.
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Ein solches Wärmesystem ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden, nachveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2014 226 346 A1 beschrieben.
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Zur Klimatisierung verschiedener Komponenten eines Fahrzeugs ist es zunächst grundsätzlich möglich, jede Komponenten über einen eigenen, separaten Kühlkreis unabhängig, d. h. autark und fluidtechnisch voneinander getrennt zu klimatisieren. Dies ist jedoch sehr aufwendig, weshalb beispielsweise in der oben zitierten
DE 10 2014 226 346 A1 eine kombinierte Kühllösung beschrieben wird, bei der mehrere Kühlkreise in ein gemeinsames Wärmesystem integriert sind. In dem dort beschriebenen Wärmesystem sind eine NT-Komponente, ein Ladeluftkühler, eine Wärmequelle und ein Verbrennungsmotor an einen gemeinsamen Kühlkreis angeschlossen, sodass in verschiedenen Betriebszuständen des Wärmesystems und entsprechend der thermischen Anforderungen jeder einzelnen Komponente eine optimale Klimatisierung der Komponenten erfolgt.
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Allgemein ergibt sich jedoch bei integrierten Konzepten zur Klimatisierung mehrerer Komponenten eines Fahrzeugs ein hoher Verschaltungsaufwand und eine komplexe Verschaltungsstruktur, die insbesondere durch eine Vielzahl an Ventilen charakterisiert ist.
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In der
DE 10 2011 016 070 A1 ist eine Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug beschrieben, mit einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf, welche über einen Kondensator und einen kühlmittelseitig wirkenden Verdampfer Wärme tauschen. Die
DE 10 2012 024 080 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Niedertemperatur-Kühlkreis zum Kühlen einer Batterieanordnung. In der
DE 10 2004 014 847 A1 wird ein Kältekreis beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Wärmesystem anzugeben, welches mit möglichst geringem Verschaltungsaufwand eine möglichst vielseitige und effiziente Klimatisierung verschiedener Komponenten eines Fahrzeugs gewährleistet. Dabei soll das Wärmesystem insbesondere auch solche Betriebsmodi unterstützen, die speziell zur Klimatisierung bei einem Elektro-oder Hybridfahrzeug geeignet sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wärmesystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Wärmesystem ist zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Das Wärmesystem weist einen Heizungswärmetauscher auf, der in einem Heizkreis angeordnet ist, zur Innenraumklimatisierung, einen Hochvoltspeicher, der in einem HVS-Kreis angeordnet ist, und einen Kühler, der in einem Kühlkreis angeordnet ist. Die drei Kreise, nämlich der Heizkreis, der HVS-Kreis und der Kühlkreis, sind dabei in einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf integriert, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert. Zusätzlich weist das Wärmesystem einen separaten Kältekreis auf, in welchem ein Kältemittel zirkuliert.
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Das Wärmesystem ist in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar, welche insbesondere je nach Bedarf von einer Steuereinheit eingestellt werden. In einem ersten HVS-Kühlbetrieb ist der HVS-Kreis vom Kühlkreis getrennt und mit einem Chiller verbunden, zur Wärmeabfuhr in den Kältekreis. In einem zweiten HVS-Kühlbetrieb ist der HVS-Kreis über einen Chiller-Bypass mit dem Kühlkreis verbunden, zur Wärmeabfuhr über den Kühler.
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Die drei Kreise sind grundsätzlich über eine Anzahl von Leitungen fluidtechnisch, d. h. hydraulisch miteinander verbunden, sodass je nach Betriebsmodus ein Austausch von Kühlmittel zwischen verschiedenen der Kreise erfolgt. Unter getrennt wird dann insbesondere verstanden, dass der jeweilige Kreis lediglich abgesperrt wird, insbesondere mittels eines geeigneten Ventils, sodass kein Austausch von Kühlmittel zwischen dem getrennten Kreis und den übrigen Kreisen erfolgt.
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Ein wesentlicher mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass der Hochvoltspeicher mittels der beiden HVS-Kühlbetriebe auf unterschiedliche Weise kühlbar ist. Mit anderen Worten: die vom Hochvoltspeicher im Betrieb generierte Abwärme ist flexibel abführbar, nämlich einerseits über den Kühler, andererseits über den Kältekreis. Dabei wird der erste HVS-Kühlbetrieb vorzugsweise dann eingestellt, wenn eine vergleichsweise hohe Außentemperatur, beispielsweise im Bereich von 20°C oder mehr, vorliegt und eine Wärmeabfuhr über den Kühler an die Umgebung nur eingeschränkt möglich ist. Die erforderliche Kühlleistung wird dann mittels des Kältekreises realisiert. Der zweite HVS-Kühlbetrieb wird dann vorzugsweise bei geringeren Außentemperaturen eingestellt, beispielsweise geringer als 20 °C. In diesem Fall ist eine effiziente Wärmeabfuhr über den Kühler möglich und auf eine Verwendung des Kältekreises zur Kühlung des Hochvoltspeichers wird verzichtet, sodass insgesamt Energie eingespart wird. Es ergibt sich also vorteilhaft eine Wahlmöglichkeit bezüglich der Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers. Diese Wahlmöglichkeit wird insbesondere durch die spezielle Verschaltung der Kreise miteinander und der damit einhergehenden Integration in den gemeinsamen Kühlmittelkreislauf erzielt. Dadurch ist das Wärmesystem zugleich besonders einfach konstruiert sowie effizient.
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Der Hochvoltspeicher ist ein elektrischer Energiespeicher, welcher vorrangig insbesondere zur Versorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs dient, d. h. zum Antrieb des Fahrzeugs. Zusätzlich ist es jedoch auch möglich, dem Hochvoltspeicher elektrische Energie zur Versorgung anderer Komponenten des Fahrzeugs zu entnehmen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Wärmesystem eine Ventilanordnung mit mehreren Schaltstellungen auf, zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten HVS-Kühlbetrieb. Dabei sind in einer ersten Schaltstellung der Hochvoltspeicher und der Chiller in Serie geschaltet und in einer zweiten Schaltstellung sind der Hochvoltspeicher und der Kühler in Serie geschaltet. Durch Umschalten zwischen den beiden Schaltstellungen wird dann zwischen den beiden HVS-Kühlbetrieben gewechselt und der Hochvoltspeicher stromab entweder mit dem Chiller oder dem Kühler verbunden. Das Kühlmittel durchströmt also zunächst den Hochvoltspeicher und anschließend entweder den Chiller oder den Kühler, in einem gegebenen HVS-Kühlbetrieb. Grundsätzlich ist auch eine Ausgestaltung denkbar und geeignet, in welcher eine gemeinsame Serienschaltung des Hochvoltspeichers, des Chillers und des Kühlers einstellbar ist. In der ersten Schaltstellung ist der HVS-Kreis dann geschlossen, sodass Kühlmittel in diesem zirkulieren kann. Dabei sind der Heizkreis und der Kühlkreis vom HVS-Kreis getrennt. In der zweiten Schaltstellung ist dagegen lediglich der Heizkreis vom HVS-Kreis getrennt, sodass ein Einströmen von Kühlmittel aus dem Heizkreis effektiv verhindert wird. Der Kühlkreis ist dagegen dann mit dem HVS-Kreis verbunden, um die Serienschaltung des Hochvoltspeichers mit dem Kühler zu realisieren.
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Im ersten HVS-Kühlbetrieb wird der HVS-Kreis getrennt betrieben, d. h. es wird wiederkehrend Kühlmittel durch den Hochvoltspeicher und den Chiller geleitet, ohne in andere Bereiche des Kühlmittelkreislaufs zu gelangen. Um das Kühlmittel im HVS-Kreis geeignet umzuwälzen ist in diesem insbesondere eine HVS-Kreis-Pumpe angeordnet. In einer geeigneten Ausgestaltung durchströmt das Kühlmittel dann die HVS-Kreis-Pumpe, den Hochvoltspeicher, den Chiller und die Ventilanordnung in dieser Reihenfolge nacheinander.
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Zur Umwälzung des Kühlmittels im Kühlkreis ist in diesem insbesondere eine Kühlkreispumpe angeordnet, und zwar beispielsweise stromab des Kühlers, alternativ stromauf des Kühlers. Die Positionierung der Kühlkreispumpe ist insbesondere von hydraulischen Randbedingungen wie beispielsweise Druckverlust, Pumpentyp und/oder Volumenstromanforderungen im Kühlmittelkreislauf abhängig und wird daher zweckmäßigerweise hinsichtlich dieser Randbedingungen ausgewählt.
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Im zweiten HVS-Kühlbetrieb ist der HVS-Kreis mit dem Kühlkreis verbunden, insbesondere über einen HVS-Vorlauf und/oder einen HVS-Rücklauf. Insbesondere ist im Kühlmittelkreislauf stromab des Hochvoltspeichers eine HVS-Abzweigung ausgebildet, stromab welcher in einer Richtung der Chiller angeordnet ist und in einer anderen Richtung der Chiller-Bypass, zur Umgehung des Chillers. Durch Umschalten zwischen den beiden HVS-Kühlbetrieben wird dann entsprechend der Kühlmittelstrom an dieser HVS-Abzweigung umgeleitet. Im zweiten HVS-Kühlbetrieb wird zudem lediglich ein Teilabschnitt des HVS-Kreises betrieben, es zirkuliert also kein Kühlmittel durch den HVS-Kreis, vielmehr bildet der Teilabschnitt, auf welchem der Hochvoltspeicher angeordnet ist, dann einen Nebenzweig des Kühlkreises, sodass stromab des Hochvoltspeichers das Kühlmittel den Kühler durchströmt. In dieser Konfiguration dient der Chiller-Bypass für den Nebenzweig insbesondere als Rücklauf, über welchen der Nebenzweig an den Kühlkreis angeschlossen ist.
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Der Chiller ist als Verdampfer zum Wärmetausch zwischen dem Kältemittel im Kältekreis und dem Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf ausgebildet. Zum Einstellen der Überhitzung des Kältemittels ist dem Chiller im Kältekreis ein geeignetes Expansionsorgan vorgeschaltet. Der Kältemittelmassenstrom durch den Chiller wird insbesondere von einem Verdichter aufgebracht, welcher stromab des Chillers angeordnet ist und das Kältemittel auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau befördert. Anschließend durchströmt das verdichtete Kältemittel einen Kondensator, über welchen die Wärme aus dem Kältekreis wieder abgegeben wird.
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In einer zweckmäßigen Variante ist im Kältekreis ein Zusatzverdichter parallel zum Verdichter geschaltet, welcher bei einem entsprechend hohen Klimatisierungsbedarf dann hinzugeschaltet wird. Der Zusatzverdichter ermöglicht dann im Betrieb eine bedarfsweise Leistungssteigerung des Kältekreises. Die Verwendung eines zweiten Verdichters, nämlich des Zusatzverdichters, birgt gegenüber einem einzelnen, baugleichen Verdichter den Vorteil, dass eine deutlich höhere Kälteleistung realisiert wird. Zudem werden in der Ausgestaltung mit dem Zusatzverdichter bei gleicher Leistung die beiden Verdichter jeweils mit geringerer Last betrieben als bei einer Verwendung lediglich eines Verdichters, welcher im Vergleich dazu mit höherer Last läuft. Dadurch wird eine deutlich bessere Akustik erzielt, der Kältekreis ist im Betrieb also leiser. Vorzugsweise sind der Verdichter und der Zusatzverdichter sogar baugleich, sodass der Kältekreis nach einem Baukastenprinzip mit einer für ein jeweiliges Fahrzeug geeigneten Klimatisierungsleistung ausgestattet werden kann, indem einfach eine entsprechende Anzahl an Verdichtern verwendet wird.
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Zudem ist im Kältekreis zweckmäßigerweise ein Klima-Verdampfer angeordnet, welcher zum Chiller parallel geschaltet ist und der Innenraumkühlung dient. Entsprechend weist das Wärmesystem dann einen Innenraumkühlbetrieb auf, in welchem über den Klima-Verdampfer Wärme aus der Luft, die in den Innenraum einströmt, in den Kältekreis aufgenommen wird. Der Heizungswärmetauscher und der Klima-Verdampfer sind dann jeweils ein Bestandteil eines Klimageräts, mittels welchem der Innenraum sowohl beheizt als auch gekühlt werden kann.
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Zur Leistungs- und Effizienzsteigerung ist in einer geeigneten Weiterbildung im Kältekreis weiterhin ein innerer Wärmetauscher angeordnet, welcher einen Wärmeaustausch zwischen der Saugleitung stromauf des Verdichters, d.h. auf dessen Saugseite, und der Flüssigleitung stromab des Kondensators ermöglicht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Wärmesystem einen Wärmepumpenbetrieb auf, in welchem der Heizkreis vom Kühlkreis getrennt ist und in welchem mittels eines Kondensators, der im Heizkreis angeordnet ist, eine Wärmezufuhr aus dem Kältekreis erfolgt, zur Innenraumbeheizung. Der Kondensator ist hierbei als wassergekühlter Kondensator ausgebildet, nämlich ähnlich wie der Chiller als Wärmetauscher, zum Wärmetausch zwischen dem Kältekreis und dem Kühlmittelkreislauf, genauer gesagt dem Heizkreis. Im Wärmepumpenbetrieb wird dann mittels des Kältekreises eine Wärmepumpenfunktion realisiert und der Kältekreis zur Übertragung von Wärme vom Chiller und/oder vom Klima-Verdampfer in den Heizkreis verwendet. Auf diese Weise ist eine effiziente Wärmenutzung der Abwärme des Antriebsstrangs, des Hochvoltspeichers und der Umgebungswärme realisiert. Die im Kühlmittelkreislauf vorhandene Wärme wird gezielt dem Heizkreis und somit dem Heizungswärmetauscher zugeführt und dann zur Innenraumbeheizung verwendet. Der Wärmepumpenbetrieb dient somit vorrangig und insbesondere ausschließlich der Innenraumbeheizung.
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Der Heizkreis ist ähnlich dem HVS-Kreis zweckmäßigerweise über einen Heiz-Vorlauf und/oder einen Heiz-Rücklauf an den Kühlkreis angebunden. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Wärmesystem dann ein Heizkreisventil auf, mittels dessen der Heizkreis vom Kühlkreis trennbar ist. Dazu wird das Heizkreisventil geschlossen oder auch abgesperrt. Zweckmäßigerweise ist das Heizkreisventil im Heiz-Vorlauf des Heizkreises angeordnet. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Heizkreisventil ein Absperrventil.
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Ähnlich dem HVS-Kreis wird auch der Heizkreis in getrenntem Zustand als eine Schleife betrieben, entlang welcher dann Kühlmittel wiederkehrend zunächst über den Kondensator und anschließend über den Heizungswärmetauscher geführt wird. Insbesondere ist im Heizkreis zusätzlich eine Heizkreispumpe angeordnet, um eine geeignete Kühlmittelzirkulation zu erzielen. Die über den Kondensator in den Heizkreis eingetragene Wärme wird dann dem Heizungswärmetauscher zugeführt und zur Innenraumbeheizung verwendet. Soll dagegen keine Innenraumbeheizung erfolgen, wird der Heizkreis mit dem Kühlkreis verbunden und hierzu insbesondere das Heizkreisventil geöffnet, sodass dann der Kondensator; der Heizungswärmetauscher und der Kühler hintereinander geschaltet sind. Eine Beheizung über den Heizungswärmetauscher wird dann insbesondere dadurch vermieden, dass dieser luftseitig abgesperrt wird, mit anderen Worten: es strömt zwar möglicherweise warmes Kühlmittel durch den Heizungswärmetauscher, es erfolgt allerdings keine Luftumwälzung, sodass dem Innenraum keine erwärmte Luft zugeführt wird und der Innenraum entsprechend nicht beheizt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einem geöffneten und mit dem Kühlkreis verbunden Heizkreis eine ungewollte Umgehung des Kondensators insbesondere dadurch verhindert, dass der Heizkreis lediglich abschnittsweise durchströmt wird und der übrige Heizkreis zweckmäßigerweise mittels eines Heizkreis-Rückschlagventils abgesichert wird. Bei geöffnetem Heizkreis werden dann lediglich der Kondensator und der Heizungswärmetauscher durchströmt, nicht jedoch der übrige Heizkreis. Das Heizkreis-Rückschlagventil ist dazu insbesondere im Heizkreis stromauf des Kondensators und eines Anschlusses an den Heizkreis-Vorlauf angeordnet, sodass ausgehend vom Heizkreis-Vorlauf das Kühlmittel lediglich in Richtung des Kondensators strömen kann und nicht zusätzlich auch in entgegengesetzter Richtung.
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Ist der Wärmeeintrag durch den Kondensator größer als die Wärme, welche über den Heizungswärmetauscher abgeführt wird, z.B. bei geringem Heizleistungsbedarf, so in einer vorteilhaften Weiterbildung durch eine Taktung des Heizkreisventils ein Mischbetrieb eingestellt, d.h. ein Teil der Wärme wird dann über den Kühler an die Umgebung abgeführt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Kombination des ersten HVS-Kühlbetriebs mit dem Wärmepumpenbetrieb, sodass die Abwärme des Hochvoltspeichers zur Innenraumbeheizung verwendet wird. Vorzugsweise ist das Wärmesystem demnach gleichzeitig im Wärmepumpenbetrieb und im HVS-Kühlbetrieb betreibbar, zur Versorgung des Heizungswärmetauschers mit Abwärme des Hochvoltspeichers mittels des Chillers und des Kondensators. Hierdurch wird ein besonders effizienter Kombibetrieb realisiert, in welchem sowohl der Heizkreis als auch der HVS-Kreis vom Kühlkreis getrennt sind und mittels des Kältekreises die Abwärme des Hochvoltspeichers direkt in den Heizkreis übertragen wird.
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Zweckmäßigerweise sind noch weitere Komponenten des Fahrzeugs in den Kühlmittelkreislauf integriert, sodass insgesamt ein besonders effizientes Wärmesystem ausgebildet ist, mittels welchem Abwärme verschiedener Komponenten auf einfache Weise abgeführt wird. Beispiele für solche Komponenten sind der Antriebsstrang des Fahrzeugs, eine Leistungs- oder Ladeelektronik, bei einem Hybridfahrzeug auch ein Ladeluftkühler oder Ähnliches. Eine entsprechende Komponente ist dabei vorrangig eine Wärmequelle, welche bei der vorliegenden Ausgestaltung des Wärmesystems an den Kühlkreis angeschlossen und mit dem Kühler in Serie geschaltet ist. Auf diese Weise ist Abwärme der Wärmequelle dann zunächst über den Kühler an die Umgebung abführbar. Dabei wird unter „in den Kühlmittelkreislauf integriert“ und „an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen“ hier und allgemein verstanden, dass die Komponente und insbesondere auch der Hochvoltspeicher mittels geeigneter Wärmetauscher thermisch an den Kühlmittelkreislauf angebunden sind.
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Je nach Bedarf erfolgt im zweiten HVS-Kühlbetrieb über den Kühler zusätzlich zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers insbesondere auch eine Abfuhr von Abwärme der Wärmequelle. Dadurch ist insbesondere ein Gesamt-Kühlbetrieb realisiert, bei dem Abwärme mehrerer Komponenten des Fahrzeugs über den gemeinsamen Kühlmittelkreislauf an den Kühler und schließlich an die Umgebung abgegeben wird. Zusätzlich ist insbesondere auch eine Innenraumkühlung mittels des Kältekreises möglich. Geeigneterweise sind die Wärmequelle und der Hochvoltspeicher parallel zueinander geschaltet, d. h. bilden zwei zueinander parallele Zweige des Kühlmittelkreislaufs. Grundsätzlich ist auch eine Verschaltung mit mehreren Wärmequellen denkbar, welche dann jeweils zueinander parallel verschaltet sind oder alternativ auch seriell oder in einer Kombination hiervon. Die Parallelschaltung von Hochvoltspeicher und Wärmequelle ist auf besonders einfache Weise mittels des Chiller-Bypass realisiert, welcher in dieser Situation wie auch oben schon beschrieben als Rücklauf des Hochvoltspeichers dient und als Anbindung desselben an den Kühlkreis, zur Ausbildung zweier paralleler Zweige.
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Vorliegend ist die Wärmequelle im Kühlkreis angeordnet und im Wärmepumpenbetrieb über den Chiller-Bypass mit dem Chiller verbunden, zur Übertragung von Abwärme der Wärmequelle zum Heizungswärmetauscher. Eine Kühlung des Hochvoltspeichers erfolgt hierbei insbesondere nicht, sondern lediglich eine Kühlung der Wärmequelle. Durch die Wärmepumpenfunktion des Kältekreises wird dann die Abwärme in den Heizkreis übertragen und dort zur Innenraumbeheizung verwendet. Im Wärmepumpenbetrieb stehen somit grundsätzlich vier Möglichkeiten zur Versorgung des Heizungswärmetauschers mit Wärme zur Verfügung: erstens der Hochvoltspeicher, bei einer Kombination des Wärmepumpenbetriebs mit dem ersten HVS-Kühlbetrieb. Zweitens die Wärmequelle, bei einem reinen Wärmepumpenbetrieb ohne eine Kühlung des Hochvoltspeichers. Drittens der Kühler, falls das Kühlmittel über den Chiller unter die Umgebungstemperatur abgekühlt wird, sodass am Kühler eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung in den Kühlmittelkreislauf erfolgt. Viertens der Klima-Verdampfer im Klimagerät, genauer gesagt im Umluftbetrieb der Innenraum, welchem Wärme über den Klima-Verdampfer beim Entfeuchten entnommen wird, d.h. einem Entfeuchtungs- oder Reheat-Betrieb, oder im Frischluftbetrieb die Umgebung, wobei die Wärme dann der von außen einströmenden Luft entnommen wird, oder in einem Mischbetrieb eine Kombination der beiden vorgenannten Alternativen. Die dritte Möglichkeit steht dabei insbesondere im reinen Wärmepumpenbetrieb zur Verfügung. Die dritte Möglichkeit steht insbesondere sowohl im ersten HVS-Kühlbetrieb als auch im reinen Wärmepumpenbetrieb zur Verfügung.
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Bei der Innenraumbeheizung mittels Abwärme der Wärmequelle ist dann die Strömungsrichtung des Kühlmittels entlang des Chiller-Bypass umgekehrt bezüglich der Strömungsrichtung im zweiten HVS-Kühlbetrieb. Vorteilhafterweise ist der Chiller-Bypass jedoch der einzige Leitungsabschnitt des gesamten Wärmesystems, auf welchem eine Umkehr der Strömungsrichtung erfolgt. Auf allen anderen Leitungsabschnitten strömt das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf stets in die gleiche Strömungsrichtung, unabhängig vom Betriebsmodus, wodurch die einzelnen Komponenten stets in deren Vorzugsrichtung durchströmt werden und eine gute Entlüftung des Kühlsystems sichergestellt ist. Auch im Kältekreis wird die Strömungsrichtung durchgängig beibehalten und nicht umgekehrt, weshalb zum Einen ein besonders einfacher Aufbau möglich ist und zum Anderen insbesondere eventuelle Probleme mit der Ölrückführung vermieden werden.
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Um zu vermeiden, dass beim reinen Wärmepumpenbetrieb, d. h. ohne HVS-Kühlbetrieb, ein Teilstrom des Kühlmittels an der HVS-Abzweigung vor dem Chiller ungewollt in Richtung des Hochvoltspeichers strömt, ist stromab desselben und noch vor der HVS-Abzweigung vorteilhafterweise ein HVS-Rückschlagventil angeordnet. Dadurch wird ein ungewolltes Einlaufen von Kühlmittel von der Wärmequelle zum Hochvoltspeicher hin verhindert und stattdessen der gesamte Kühlmittelstrom über den Chiller geleitet.
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Um den Heizkreis und den Kühlkreis im reinen Wärmepumpenbetrieb möglichst wirksam voneinander zu trennen, ist die Ventilanordnung geeigneterweise in der ersten Schaltstellung geschaltet, d.h. der HVS-Kreis ist geschlossen und insbesondere vom Kühlkreis und vom Heizkreis getrennt, jedoch ist die HVS-Kreis-Pumpe hierbei nicht aktiv, sodass im HVS-Kreis kein Kühlmittel zirkuliert.
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Im ersten HVS-Kühlbetrieb ist die Kühlkreispumpe üblicherweise aktiv. Das Kühlkreisventil ist insbesondere in dessen erster Schaltstellung geschaltet, sodass der HVS-Kreis vom Kühlkreis getrennt ist und kein Austausch von Kühlmittel zwischen diesen beiden Kreisen erfolgt.
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Um die Wärmezufuhr zum Heizungswärmetauscher im Wärmepumpenbetrieb umzuschalten, nämlich zwischen der Wärmezufuhr vom Hochvoltspeicher oder von der Wärmequelle, weist das Wärmesystem in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ein Kühlkreisventil auf, mit mehreren Schaltstellungen, wobei in einer ersten Schaltstellung der Hochvoltspeicher mit dem Chiller verbunden ist und in einer zweiten Schaltstellung die Wärmequelle mit dem Chiller. Mit anderen Worten: mittels des Kühlkreisventils wird im Wärmepumpenbetrieb entweder ein reiner Wärmepumpenbetrieb eingestellt oder zusätzlich der erste HVS-Kühlbetrieb. Dabei wird auf besonders vorteilhafte Weise in der ersten Schaltstellung gleichzeitig eine Serienschaltung der Wärmequelle mit dem Kühler realisiert, sodass in dieser Schaltstellung der Hochvoltspeicher über den Kältekreis gekühlt wird und die Wärmequelle über den Kühler.
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Das Kühlkreisventil ist zweckmäßigerweise stromauf des Kühlers und stromab des Chillers angeordnet und beispielsweise als 3-Wege-Ventil ausgebildet. Stromab der Wärmequelle ist der Kühlmittelkreislauf dann in zwei zueinander parallele Teilabschnitte aufgeteilt, von denen der Eine den Chiller-Bypass und den Chiller umfasst und der Andere eine entsprechende Umgehung darstellt. In diesem Zusammenhang, d. h. von der Wärmequelle aus gesehen, ist der Chiller-Bypass insbesondere kein Bypass, sondern vielmehr ein Chiller-Vorlauf und die Umgehung stellt dann einen Bypass bezüglich des Chillers dar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Wärmesystem einen Kühler-Bypass auf, zur Umgehung des Kühlers, mit einem Bypass-Ventil. Der Kühler-Bypass wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geschaltet. Ist die Umgebungstemperatur geringer als die Temperatur des Kühlmittels am Eintritt des Kühlers, wird das Bypass-Ventil insbesondere im Wärmepumpenbetrieb geöffnet, insbesondere lediglich im reinen Wärmepumpenbetrieb. Dadurch wird auf konstruktiv besonders einfache Weise verhindert, dass Abwärme von der Wärmequelle, welche vorrangig zur Innenraumbeheizung verwendet werden soll, aufgrund der Serienschaltung mit dem Kühler über ebendiesen verloren geht. Stattdessen verbleibt die Abwärme im Kühlkreis, bis das Kühlmittel wieder dem Chiller zugeführt wurde. Ist dagegen die Umgebungstemperatur größer als die Kühlmitteltemperatur am Eintritt des Kühlers, werden das Bypass-Ventil und somit der Kühler-Bypass zweckmäßigerweise geschlossen, um dann über den Kühler Wärme aufzunehmen. Das Bypass-Ventil ist beispielsweise ein einfaches Absperrventil.
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Bei gleichzeitiger Kühlung des Hochvoltspeichers im ersten HVS-Kühlbetrieb ist der Status des Bypass-Ventils üblicherweise von untergeordneter Bedeutung. In einer geeigneten Ausführungsform ist das Bypass-Ventil geöffnet und zumindest ein Teilstrom an Kühlmittel wird am Kühler vorbeigeführt, sodass die Kühlung der Wärmequelle verringert ist und der Kühlkreis in einem optimalen Betriebsbereich betrieben wird.
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Der Kühler kann entweder als einzelne Kühlereinheit oder auch als Kühlerpaket ausgebildet sein. Im Falle eines Kühlerpakets umfasst dieses mehrere Kühlereinheiten, die in geeigneter Weise parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühler jedoch zumindest zwei Kühlereinheiten auf, nämlich eine Hauptkühlereinheit und eine Nebenkühlereinheit, wobei stromab der Hauptkühlereinheit eine Kühler-Verzweigung angeordnet ist, an welcher ein erster Kühlmittelteilstrom zur Wärmequelle geführt wird und ein zweiter Kühlmittelteilstrom zur Nebenkühlereinheit und anschließend zum Heizkreis und zum HVS-Kreis. Mit anderen Worten: der gesamte Kühlmittelstrom im Kühlkreis wird zunächst über die Hauptkühlereinheit geführt und anschließend wird derjenige Kühlmittelteilstrom, welcher über geeignete Vorläufe vom Kühlkreis zum Heizkreis sowie zum HVS-Kreis abgezweigt wird, zuerst noch über die Nebenkühlereinheit geführt. Dieser Ausführung liegt der Gedanke zugrunde, dass der Hochvoltspeicher, der Kondensator und die Wärmequelle jeweils bei unterschiedlichen Vorlauftemperaturen eine optimale Effizienz und Leistung entfalten. Insbesondere ist für die Wärmequelle üblicherweise eine höhere Vorlauftemperatur noch ausreichend. Die Nebenkühlereinheit dient demnach zur stärkeren Abkühlung des Kühlmittels, welches dem Hochvoltspeicher und dem Kondensator zugeführt wird, während der Wärmequelle im Vergleich dazu wärmeres Kühlmittel zugeführt wird. Dadurch ist die jeweilige Vorlauftemperatur optimal eingestellt.
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Die Hauptkühlereinheit und die Nebenkühlereinheit sind dazu in einer ersten Variante als hintereinandergeschaltete Kühlerabschnitte einer integrierten Kühleranordnung ausgebildet, bei welcher das Kühlmittel in den Kühler einströmt und ein Kühlmittelteilstrom vor dem kompletten Durchlaufen des Kühlers abgezweigt und dann der Wärmequelle zugeführt wird. Eine entsprechende Abzweigung ist dann zwischen den beiden Kühlerabschnitten angeordnet, sodass der zuerst durchlaufene Kühlerabschnitt die Hauptkühlereinheit bildet und der nachfolgende Abschnitt die nur von einem Kühlmittelteilstrom durchlaufene Nebenkühlereinheit. In einer zweiten Variante sind die Hauptkühlereinheit und die Nebenkühlereinheit als jeweils separate Kühlereinheiten ausgebildet und über geeignete Leitungen miteinander verbunden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist im Heizkreis ein Zuheizer angeordnet, zur insbesondere zusätzlichen Zufuhr von Wärme. Der Zuheizer ist beispielsweise ein elektrischer Durchlauferhitzer. Mittels des Zuheizers ist auch bei einer möglicherweise unzureichenden Wärmezufuhr im Wärmepumpenbetrieb gewährleistet, dass hinreichend viel Wärme zur Innenraumbeheizung im Heizkreis zur Verfügung steht. Der Zuheizer dient also insbesondere zum Ausgleichen eines Wärmedefizits im Heizkreis. Dieses wird insbesondere bestimmt, indem im Heizkreis eine Kühlmitteltemperatur gemessen wird und mit einer Solltemperatur verglichen wird, wobei der Zuheizer dann aktiviert wird, falls die Kühlmitteltemperatur geringer ist als die Solltemperatur. Zweckmäßigerweise wird die Kühlmitteltemperatur direkt vor dem Heizungswärmetauscher gemessen, d. h. stromauf des Heizungswärmetauschers und stromab des Kondensators.
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Im Heizkreis ist der Zuheizer vorteilhafterweise derart angeordnet, dass sich dieser in einem HVS-Heizbetrieb des Wärmesystems auch zur Beheizung des Hochvoltspeichers einsetzen lässt. Mit anderen Worten: das Wärmesystem weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen HVS-Heizbetrieb auf, in welchem der Zuheizer und der Hochvoltspeicher in Serie geschaltet sind, zur Beheizung des Hochvoltspeichers. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass der Zuheizer im Heizkreis stromab des Heizungswärmetauschers und stromauf des Kondensators angeordnet ist und dass der Heizkreis und der HVS-Kreis über eine Querverbindung fluidtechnisch direkt miteinander verbunden sind, sodass ein direkter Kühlmittelaustausch zwischen den beiden Kreisen ermöglicht ist, d.h. ohne Umweg über den Kühlkreis. Dazu ist stromab des Zuheizers und insbesondere stromauf des Kondensators eine Heizkreis-Verzweigung angeordnet, an welcher die Querverbindung abzweigt und stromauf des Hochvoltspeichers an den HVS-Kreis angeschlossen ist, sodass entlang der Querverbindung der Hochvoltspeicher stromab des Zuheizers angeordnet ist und dann auf besonders einfache Weise mit Wärme versorgt wird.
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Vorteilhafterweise ist im HVS-Heizbetrieb das Kühlkreisventil in dessen erster Schaltstellung eingestellt, sodass das Kühlmittel, welches dem Hochvoltspeicher durchströmt, anschließend gerade nicht über den Chiller geführt wird, sondern stattdessen über den Chiller-Bypass und über den Kühlkreis wieder zum Zuheizer. Auf diese Weise wird eine thermodynamisch ungünstige Erwärmung des Chillers vermieden und stattdessen die vom Zuheizer bereitgestellte Wärme besonders effizient im Wesentlichen vollständig zur Beheizung des Hochvoltspeichers verwendet.
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Um insbesondere im HVS-Heizbetrieb ein ungewolltes Einströmen von Kühlmittel stromab des Chiller-Bypass in Richtung der Wärmequelle zu verhindern, ist vorteilhafterweise entsprechend stromab der Wärmequelle und insbesondere noch vor der Abzweigung zum Chiller-Bypass ein Kühlkreis-Rückschlagventil angeordnet.
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Bei der Anordnung des Zuheizers stromab des Heizungswärmetauschers ist insbesondere zu beachten, dass die Solltemperatur zur Ansteuerung des Zuheizers weiterhin bevorzugterweise stromauf des Heizungswärmetauschers gemessen wird und gerade nicht in der Nähe des Zuheizers. Nichtsdestoweniger ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung am Austritt des Zuheizers oder alternativ am Eintritt des Hochvoltspeichers ein Temperatursensor angeordnet, um besonders im HVS-Heizbetrieb die Temperatur des dem Hochvoltspeicher zugeführten und erwärmten Kühlmittels zu messen und eine optimale Kühlmitteltemperatur zur Beheizung des Hochvoltspeichers einzustellen.
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Ist eine Beheizung des Innenraums nicht gewünscht, so wird der Heizkreis mit dem Kühlkreis wie oben beschrieben verbunden und das Kühlmittel strömt vom Kühlkreis, durch den Kondensator, den Heizungswärmetauscher und zum Kühler, insbesondere ohne dabei den Zuheizer zu passieren. Der Heizkreis wird somit lediglich abschnittsweise durchströmt und wie oben bereits beschrieben zweckmäßigerweise mittels eines Heizkreis-Rückschlagventils abgesichert. Dieses ist dann insbesondere zwischen dem Zuheizer und dem Kondensator angeordnet, sodass ausgehend vom Heizkreis-Vorlauf das Kühlmittel lediglich in Richtung des Kondensators strömen kann und nicht zusätzlich auch in entgegengesetzter Richtung zum Zuheizer.
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Eine Beheizung des Hochvoltspeicher ist insbesondere beim Laden des Hochvoltspeichers und/oder beim Starten des Fahrzeugs sinnvoll, sodass der HVS-Heizbetrieb vorzugsweise vorrangig oder sogar ausschließlich in einem Standbetrieb, vor einem Starten des Fahrzeugs oder beim Starten des Fahrzeugs aktiviert wird, um den Hochvoltspeicher in einer Ladephase oder in einer Aufwärmphase auf eine vorgegebene Betriebstemperatur aufzuheizen.
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Um auf einfache Weise dem Hochvoltspeicher vom Zuheizer aus Wärme zuzuführen weist die Ventilanordnung in einer bevorzugten Weiterbildung einen dritten Schaltzustand auf, in welchem der Heizkreis mit dem HVS-Kreis verbunden ist, zur Zufuhr von Wärme vom Zuheizer zum Hochvoltspeicher. Dadurch lässt sich mittels der Ventilanordnung eine Vielzahl von Betriebszuständen auf einfache Weise einstellen, nämlich die Kühlung des Hochvoltspeichers über den Kältekreis, die Kühlung des Hochvoltspeichers über den Kühler und die Beheizung des Hochvoltspeichers über den Zuheizer, d.h. über den Heizkreis.
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Die Ventilanordnung weist somit in einer möglichen Ausgestaltung insgesamt drei Eingänge auf, sowie einen Ausgang, stromab dessen der Hochvoltspeicher angeordnet ist. Die Ventilanordnung selbst ist beispielsweise mittels zweier 3-Wege-Ventile realisiert. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung als ein einzelnes 4-Wege-Ventil geeignet. Im Falle einer Ausgestaltung der Ventilanordnung mit mehreren Ventilen sind diese bevorzugterweise in räumlicher Nähe zueinander untergebracht, d. h. insbesondere um maximal etwa 20 cm voneinander beabstandet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden mehrere der oben genannten Ausführungsformen des Wärmesystems kombiniert und auf diese Weise ein schaltungstechnisch besonders einfaches Wärmesystem realisiert, mittels welchem dann sowohl eine Kühlung als auch eine Beheizung des Hochvoltspeichers möglich ist, wobei die Kühlung je nach Bedarf, insbesondere je nach Außentemperatur, über den Kältekreis oder den Kühler erfolgt. Die Beheizung ist besonders einfach über eine Doppelfunktion des Zuheizers realisiert, welcher entweder zur besagten Beheizung des Hochvoltspeichers dient oder zum Ausgleich eines Wärmedefizits im Heizkreis zwecks Innenraumbeheizung. Zusätzlich ist insbesondere in jedem der genannten Betriebsmodi eine Innenraumkühlung mittels des Klima-Verdampfers im Kältekreis möglich.
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Eine besondere Bedeutung kommt bei der speziellen Verschaltung den diversen Ventilen und Rückschlagventilen sowie deren Positionierung relativ zu den angeschlossenen Komponenten zu. Bei einer Verschaltung auf Basis der diversen oben erwähnten Ventile ist nämlich in konstruktiv besonders einfacher Weise ein Wärmesystem realisiert, welches die beschriebenen Betriebsmodi unterstützt, teilweise auch gleichzeitig. Dabei werden insbesondere lediglich das Heizkreis-Ventil, das Kühlkreis-Ventil, das Bypass-Ventil und die Ventilanordnung mit einem oder zwei Ventilen benötigt und sonst vorteilhaft keine weiteren Schalt- und/oder Absperrventile. Die spezielle Verschaltung ermöglicht dann insbesondere sowohl einen jeweils separaten Betrieb der drei Kreise als auch eine beliebige Verschaltung miteinander, d.h. der Heizkreis ist mit dem HVS-Kreis verbindbar und diese beiden Kreise sind jeweils separat auch mit dem Kühlkreis verbindbar. Zudem sind bei gleichzeitiger Verbindung des Heizkreises und des HVS-Kreises mit dem Kühlkreis dann drei zueinander parallele Zweige ausgebildet und dadurch der Heizungswärmetauscher mit vorgeschaltetem Kondensator, der Hochvoltspeicher und die Wärmequelle parallel zueinander geschaltet und jeweils mit dem Kühler oder zumindest der Hauptkühlereinheit in Serie geschaltet. Die Rückschlagventile verhindern dann auf effiziente Weise eine ungewollte Strömungsumkehr.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine erste Variante eines Kühlmittelkreislaufs eines Wärmesystems,
- 2 einen Kältekreis des Wärmesystems,
- 3a - 3e jeweils einen Betriebszustand des Wärmesystems, und
- 4 eine zweite Variante des Kühlmittelkreislaufs.
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Die 1 und 2 zeigen ein Wärmesystem 2 eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs, wobei in 1 ein Kühlmittelkreislauf 4 des Wärmesystems 2 dargestellt ist und in 2 ein Kältekreis 6. Das Wärmesystem 2 dient zur Klimatisierung diverser Komponenten des Fahrzeugs, welche über geeignete Wärmetauscher an das Wärmesystem 2 thermisch angeschlossen sind, um Wärme abzugeben oder aufzunehmen.
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Das Fahrzeug ist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher 8, welcher zwecks Klimatisierung an den Kühlmittelkreislauf 4 angeschlossen ist. Dazu ist der Hochvoltspeicher zunächst an einen HVS-Kreis 10 angeschlossen, welcher dann ein Teil des Kühlmittelkreislaufs 4 ist. Zur Umwälzung von Kühlmittel im HVS-Kreis 10 ist in diesem zusätzlich eine HVS-Kreis-Pumpe 12 angeordnet. Weiterhin ist in den Kühlmittelkreislauf 4 ein Heizkreis 14 integriert, welcher zur Innenraumbeheizung einen Heizungswärmetauscher 16 aufweist. Im Heizkreis 14 ist zudem eine Heizkreispumpe 18 angeordnet sowie ein zusätzlicher Zuheizer 20, der beispielsweise ein elektrischer Durchlauferhitzer ist. Zusätzlich zum HVS-Kreis 10 und zum Heizkreis 14 weist das Wärmesystem 2 noch einen Kühlkreis 22 auf, in welchem ein Kühler 24 sowie eine Wärmequelle 26 angeordnet sind. Die Wärmequelle 26 ist beispielsweise ein Antriebsstrang, eine Lade- oder Leistungselektronik des Fahrzeugs. Zur Kühlmittelumwälzung ist im Kühlkreis 22 eine Kühlkreispumpe 28 angeordnet.
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An den Kühlmittelkreislauf 4 sind weiterhin ein Chiller 30 und ein Kondensator 32 angeschlossen, welche ebenfalls an den in 2 dargestellten Kältekreis 6 angeschlossen sind. Dabei wirkt der Chiller 30 im Kältekreis 6 als Verdampfer und dient insgesamt zur Übertragung von Wärme vom Kühlmittelkreislauf 4 in den Kältekreis 6. Der Kondensator 32 dient dann der Übertragung von Wärme vom Kältekreis 6 in den Kühlmittelkreislauf 4. Dabei ist der Chiller 30 im HVS-Kreis 10 stromab des Hochvoltspeichers 8 angeschlossen und der Kondensator 32 im Heizkreis 14 stromauf des Heizungswärmetauschers 16.
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Der Kältekreis 6 weist weiterhin einen Klima-Verdampfer 34 auf, welcher hier parallel zum Chiller 30 geschaltet ist und der Innenraumkühlung dient. Der Heizungswärmetauscher 16 und der Klima-Verdampfer 34 sind dann jeweils ein Bestandteil eines nicht näher bezeichneten Klimageräts zur Innenraumklimatisierung. Dem Klima-Verdampfer 34 und dem Chiller 30 ist jeweils ein nicht näher bezeichnetes Expansionsorgan vorgeschaltet.
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Weiterhin weist der Kältekreis einen Verdichter 36 auf, zur Verdichtung des Kältemittels vor Eintritt in den Kondensator 32. In einer nicht gezeigten Alternative weist der Kältekreis zur Leistungssteigerung zwei insbesondere baugleiche Verdichter 36 auf, welche dann zueinander parallel geschaltet sind. In der hier gezeigten Ausführungsform ist in den Kältekreis 6 zudem zur Effizienzsteigerung und Leistungssteigerung ein innerer Wärmetauscher 38 integriert.
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Im Folgenden wird die in 1 gezeigte spezielle Verschaltung des Kühlmittelkreislaufs 4 näher erläutert. Aufgrund dieser Verschaltung ist das Wärmesystem 2 in mehreren Betriebsmodi betreibbar, welche dann in Kombination mit den 3a bis 3e erläutert werden, wobei diejenigen Leitungsabschnitte, welche von Kühlmittel durchströmt werden, verstärkt dargestellt sind.
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Die drei Kreise (HVS-Kreis 10, Heizkreis 14, Kühlkreis 22) sind derart in den Kühlmittelkreislauf 4 integriert, dass diese jeweils wahlweise miteinander verbunden werden können, um eine Vielzahl an Betriebsmodi des Wärmesystems 2 zu realisieren, wobei auch mehrere Betriebsmodi gleichzeitig eingestellt werden können, wodurch sich eine maximale Flexibilität bei der Klimatisierung der angeschlossenen Komponenten ergibt.
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Zunächst sind der HVS-Kreis 10 und der Kühlkreis 22 über einen Chiller-Bypass 40 miteinander verbunden. Dieser erstreckt sich von einer HVS-Abzweigung 42 stromab des Hochvoltspeichers 8 und stromauf des Chillers 30 bis zu einer Anschlussstelle am Kühlkreis stromab der Wärmequelle 26 Mittels des Chiller-Bypass 40 ist es dann möglich, die vom Hochvoltspeicher 8 generierte Abwärme entweder in einem ersten HVS-Kühlbetrieb über den Chiller 30 in den Kältekreis 6 abzuführen, wie in den 3a und 3c dargestellt, oder in einem zweiten HVS-Kühlbetrieb über den Chiller-Bypass 40 an den Kühler 24 weiterzuführen und dort an die Umgebung abzugeben, wie in 3d dargestellt.
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Um zwischen diesen beiden HVS-Kühlbetrieben umzuschalten, ist stromauf des Hochvoltspeichers 8 eine Ventilanordnung 44 angeordnet. Diese weist hier zwei 3-Wege-Ventile auf, in einer nicht gezeigten Variante jedoch lediglich ein 4-Wege-Ventil. Die Ventilanordnung 44 weist zudem in der hier gezeigten Variante drei Eingänge E1, E2, E3 sowie einen Ausgang A auf, wobei letzterer dann zum Hochvoltspeicher 8 führt. Die Ventilanordnung 44 weist dann mehrere Schaltstellungen auf, wobei in einer jeweiligen Schaltstellung einer der Eingänge E1, E2, E3 geöffnet ist und die anderen beiden geschlossen sind. Der Eingang E1 dient zur Rückführung von Kühlmittel zum Hochvoltspeicher 8 und somit zur Ausbildung des HVS-Kreises 10. Der Eingang E2 verbindet dagegen den HVS-Kreis 10 mit dem Kühlkreis 22. Der Eingang E3 verbindet den Heizkreis 14 mit dem HVS-Kreis 10. In einer ersten Schaltstellung ist nun der Eingang E1 geöffnet und der erste HVS-Kühlbetrieb eingestellt, wobei dann Kühlmittel im HVS-Kreis 10 zirkuliert und wiederkehrend den Hochvoltspeicher 8 und den Chiller 30 durchströmt. Der HVS-Kreis 10 ist hierbei vom Kühlkreis 22 getrennt, wie in den 3a und 3c gezeigt.
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In einer zweiten Schaltstellung ist dagegen der Eingang E2 geöffnet und der HVS-Kreis 10 ist mit dem Kühlkreis 22 verbunden, sodass Kühlmittel vom Hochvoltspeicher 8 über den Chiller-Bypass 40 zum Kühler 24 gelangt, wie in 3d gezeigt. Zudem ist der Eingang E1 geöffnet und der Eingang E3 ist geschlossen, sodass ein Einströmen von Kühlmittel vom Heizkreis 14 in Richtung des Chillers 30 verhindert wird. Insgesamt wird daraus deutlich, dass der Hochvoltspeicher in dieser Schaltstellung zur Wärmequelle 26 parallel geschaltet ist. Demnach wird auch die Wärmequelle 26 gekühlt und deren Abwärme dem Kühler 24 zugeführt. Aufgrund der speziellen Verschaltung ist allerdings auch im ersten HVS-Kühlbetrieb eine Kühlung der Wärmequelle 26 über den Kühler 24 gewährleistet, wie aus den 3a und 3c deutlich wird.
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Durch die Anordnung des Kondensators 32 im Heizkreis 14 stromauf des Heizungswärmetauschers 16 ist es möglich, einen Wärmepumpenbetrieb zu realisieren, um über den Kältekreis 6 Wärme an den Heizungswärmetauscher 16 zu übergeben und dort zur Innenraumbeheizung zu nutzen. Der Wärmepumpenbetrieb wird dabei dadurch eingestellt, dass der Heizkreis 14 vom Kühlkreis 22 getrennt betrieben wird, sodass Kühlmittel wiederkehrend durch den Kondensator 32, zur Wärmeaufnahme, und durch den Heizungswärmetauscher 16, zur Wärmeabgabe, geführt wird. Die Trennung ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Heizkreisventil 46 realisiert, welches hier als Absperrventil ausgebildet ist und in einem Heizkreis-Vorlauf 47, d. h. einem Vorlauf des Heizkreises 14 angeordnet ist. Durch Öffnen des Heizkreisventils 46 wird der Heizkreis 14 mit dem Kühlkreis 22 verbunden und der Kondensator 32 sowie der Heizungswärmetauscher 16 sind mit dem Kühler 24 in Serie geschaltet; es erfolgt keine Innenraumbeheizung. Vielmehr wird Wärme, welche über den Kondensator 32 in den Kühlmittelkreislauf 4 gelangt über den Kühler 24 abgeführt, wie in den 3a und 3d gezeigt. Durch Schließen des Heizkreisventils 46 wird dann der Wärmepumpenbetrieb eingestellt, wie in den 3b und 3c gezeigt. Dabei stammt die in den Heizkreis 14 übertragene Wärme entweder vom Hochvoltspeicher 8, wie in 3c gezeigt, d. h. gleichzeitig zum Wärmepumpenbetrieb ist der erste HVS-Kühlbetrieb aktiv; oder von der Wärmequelle 26, aus der Umgebung und/oder vom Klima-Verdampfer 34 aus dem Kältekreis 6, wie in 3b gezeigt, d. h. es ist kein HVS-Kühlbetrieb aktiv und der Wärmepumpenbetrieb ist ein reiner Wärmepumpenbetrieb. Um den Heizkreis 14 und den Kühlkreis 22 möglichst wirksam voneinander zu trennen, sind bei der Ventilanordnung 44 die Eingänge E2, E3 geschlossen. Der Eingang E1 ist geöffnet, jedoch ist die HVS-Kreis-Pumpe 12 nicht aktiv, sodass im HVS-Kreis 10 kein Kühlmittel zirkuliert.
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Im Wärmepumpenbetrieb ist es zudem in bestimmten Fällen zweckmäßig, den Kühler 24 zu umgehen und eine Wärmeabfuhr an die Umgebung zu verhindern. Dazu weist das Wärmesystem einen Kühler-Bypass 48 auf, mit einem Bypass-Ventil 50, welches im Wärmepumpenbetrieb dann geöffnet ist, wie in den 3b und 3c gezeigt. Besonders aus 3c wird allerdings deutlich, dass auch ein Schließen des Bypass-Ventils 50 besonders im Wärmepumpenbetrieb in Kombination mit dem ersten HVS-Kühlbetrieb sinnvoll sein kann. Die in 3c gezeigte vollständige Trennung der drei Kreise (HVS-Kreis 10, Heizkreis 14, Kühlkreis 22) voneinander führt dazu, dass die Wärmequelle nicht über den Chiller 30 gekühlt wird, sodass bei entsprechendem Kühlbedarf dann durch Schließen des Bypass-Ventils 50 eine Kühlung über den Kühler 24 erfolgt. Ein Schließen des Bypass-Ventils 50 ist auch dann sinnvoll, wenn über den Kühler 24 Wärme aus der Umgebung entnommen werden soll.
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Zum Umschalten zwischen dem reinen Wärmepumpenbetrieb und dem Wärmepumpenbetrieb in Kombination mit dem ersten HVS-Kühlbetrieb ist im Kühlkreis 22 ein Kühlkreisventil 52 angeordnet, mit entsprechend zwei Schaltstellungen. Dazu ist das Kühlkreisventil 52 hier als 3-Wege-Ventil ausgebildet und stromab sowohl des Chillers 30 als auch der Wärmequelle 26 angeordnet. Durch Umschalten des Kühlkreisventils 52 wird dann die Wärmequelle 26 mit dem Kühler 24 verbunden, und zwar entweder mit dazwischengeschaltetem Chiller 30, wie in 3b gezeigt, oder direkt, wie in 3c gezeigt.
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Der Zuheizer 20 erfüllt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Doppelfunktion und wird in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi zur Beheizung zweier unterschiedlicher Komponenten verwendet, nämlich einerseits zur Innenraumbeheizung im Wärmepumpenbetrieb oder zur Beheizung des Hochvoltspeichers 8 in einem HVS-Heizbetrieb, welcher in 3e dargestellt ist. Für diesen HVS-Heizbetrieb weist der Kühlmittelkreislauf 4 eine Querverbindung 54 auf, über welche der Heizkreis 14 stromab des Zuheizers 20 mit dem HVS-Kreis 10 verbunden ist. Die Anbindung an den HVS-Kreis erfolgt hier über den Eingang E3 der Ventilanordnung 44. Durch Öffnen dieses Eingangs E3 ist dann der Zuheizer 20 stromauf des Hochvoltspeichers 8 angeordnet, sodass Kühlmittel zunächst vom Zuheizer 20 erwärmt wird und anschließend dem Hochvoltspeicher 8 zugeführt wird. Das Kühlkreisventil 52 ist dann zweckmäßigerweise derart geschaltet, dass der Chiller 30 gerade nicht von Kühlmittel durchströmt wird, um einen unnötigen Wärmeverlust durch Aufheizung des Chillers 30 und hydraulischen Druckverlust, welcher dann durch eine höhere Pumpenleistung kompensiert werden müsste, zu vermeiden. Weniger geeignet, jedoch grundsätzlich denkbar ist auch, das Kühlkreisventil 52 in dessen anderer Schaltstellung zu betreiben, sodass der Chiller 30 dann durchströmt wird, wobei der Kältekreis 6 in jedem Fall vorzugsweise ausgeschaltet ist, sodass keine Wärmeübertragung in diesen erfolgt. Insbesondere wird der HVS-Heizbetrieb vor und/oder während eines Ladevorgangs des Hochvoltspeichers 8 aktiviert und nicht im regulären Fahrbetrieb des Fahrzeugs.
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Wie aus den 3a bis 3e weiterhin hervorgeht, sind die drei Kreise (HVS-Kreis 10, Heizkreis 14, Kühlkreis 22) jeweils mittels eines Rückschlagventils gegen eine Umkehr der Strömungsrichtung des Kühlmittels abgesichert. Dabei ist im Heizkreis 14 stromab des Zuheizers 20 und stromauf des Kondensators 32 ein Heizkreis-Rückschlagventil 56 angeordnet, welches insbesondere bei deaktiviertem Wärmepumpenbetrieb ein ungewolltes Abzweigen von Kühlmittel stromab des Heizkreis-Vorlaufs 47 und in Richtung des Zuheizers 20 verhindert. Im HVS-Kreis 10 ist dann stromab des Hochvoltspeichers 8 ein HVS-Rückschlagventil 58 angeordnet, welches insbesondere im reinen Wärmepumpenbetrieb gemäß 3b ein Eindringen von Kühlmittel aus dem Chiller-Bypass 40 in Richtung des Hochvoltspeichers 8 verhindert. Im Kühlkreis ist schließlich stromab der Wärmequelle 26 ein Kühlkreis-Rückschlagventil 60 angeordnet, durch welches insbesondere ein Eindringen von Kühlmittel aus dem HVS-Kreis 10 in Richtung der Wärmequelle 26 verhindert ist.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Kühler 24 als einzelne Kühlereinheit dargestellt. Eine geeignete Variante zeigt 4. Hierbei weist der Kühler mehrere Kühlereinheiten auf, nämlich eine Hauptkühlereinheit 62 und eine Nebenkühlereinheit 64. Die Hauptkühlereinheit 62 ist hierbei wie der Kühler 24 aus 1 angeordnet, d. h. diese wird vom gesamten Kühlmittelstrom im Kühlkreis 22 durchströmt. Dagegen ist die Nebenkühlereinheit 64 stromab einer Kühler-Verzweigung 66 angeordnet, sodass ein Kühlmittelteilstrom an der Nebenkühlereinheit 64 vorbeigeführt wird und lediglich in der Hauptkühlereinheit 62 abgekühlt wird. Dieser Kühlmittelteilstrom wird der Wärmequelle 26 zugeführt. Der übrige, an der Kühler-Verzweigung 66 abgezweigte Teilstrom wird dagegen über die Nebenkühlereinheit 64 zusätzlich abgekühlt und dann dem Heizkreis 14 und dem HVS-Kreis 10 zugeführt. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Temperaturniveaus für das Kühlmittel erzielen, bevor dieses die verschiedenen zu kühlenden Komponenten durchströmt.
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In einer nicht gezeigten Variante sind die Hauptkühlereinheit 62 und die Nebenkühlereinheit 64 jeweils Teilabschnitte des Kühlers 24 und die Kühler-Verzweigung 66 ist innerhalb des Kühlers 24 angeordnet, sodass ein Kühlmittelteilstrom bereits vor dem vollständigen Durchströmen des Kühlers 24 abgezweigt und der Wärmequelle 26 zugeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Wärmesystem
- 4
- Kühlmittelkreislauf
- 6
- Kältekreis
- 8
- Hochvoltspeicher
- 10
- HVS-Kreis
- 12
- HVS-Kreis-Pumpe
- 14
- Heizkreis
- 16
- Heizungswärmetauscher
- 18
- Heizkreispumpe
- 20
- Zuheizer
- 22
- Kühlkreis
- 24
- Kühler
- 26
- Wärmequelle
- 28
- Kühlkreispumpe
- 30
- Chiller
- 32
- Kondensator
- 34
- Klima-Verdampfer
- 36
- Verdichter
- 38
- innerer Wärmetauscher
- 40
- Chiller-Bypass
- 42
- HVS-Abzweigung
- 44
- Ventilanordnung
- 46
- Heizkreisventil
- 47
- Heizkreis-Vorlauf
- 48
- Kühler-Bypass
- 50
- Bypass-Ventil
- 52
- Kühlkreisventil
- 54
- Querverbindung
- 56
- Heizkreis-Rückschlagventil
- 58
- HVS-Rückschlagventil
- 60
- Kühlkreis-Rückschlagventil
- 62
- Hauptkühlereinheit
- 64
- Nebenkühlereinheit
- 66
- Kühler-Verzweigung
- A
- Ausgang
- E1, E2, E3
- Eingang
