DE102016112095A1 - System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems - Google Patents

System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs. Das System weist einen Kühlmittelkreislauf (12) und einen Kältemittelkreislauf (2) mit einem Verdichter (3), einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5), mindestens einem Expansionsorgan (6, 8), mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (7) zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms, welcher als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (7) ausgebildet ist, sowie mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (9), welcher als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) ausgebildet und innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (12) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel angeordnet ist, auf. Zudem weist der Kältemittelkreislauf (2) einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager (4) auf, welcher als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) ausgebildet und innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (12) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel angeordnet ist. Der Kühlmittelkreislauf (12) ist mit mindestens einem Wärmeübertrager (14, 16) zur Wärmeübertragung mit einer Antriebskomponente ausgebildet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Systems (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs. Das System weist einen Kühlmittelkreislauf und einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, mindestens einem Expansionsorgan, mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms sowie mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel auf. Der Wärmeübertrager zum Konditionieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms ist dabei als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet. Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel ist innerhalb des Kühlmittelkreislaufs angeordnet und als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge bezeichnet, weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems sind herkömmliche Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem elektrischen Hybridantrieb mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierter Wärme zirkulierende Kühlmittel durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager geleitet wird. Um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen einer Hochvoltbatterie, welche üblicherweise zwischen 20°C und 35°C liegen, einzuhalten, ist zur Kühlung der Batterie entweder der Kühlmittelkreislauf mit einem zusätzlichen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur thermischen Kopplung mit dem Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems oder ein als Batteriekühler ausgebildeter direkt kältemittelgekühlter Wärmeübertrager vorgesehen. Der zur Batteriekühlung als Verdampfer des Kältemittels betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird auch als Chiller bezeichnet.
  • Aus der DE 10 2009 002 424 A1 geht ein System zur Kühlung der Zuluft für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs sowie zur Kühlung einer Batterie hervor. Das System weist einen Kältemittelkreislauf sowie mindestens einen Kühlmittelkreislauf auf. Der Kältemittelkreislauf ist dabei zur Aufnahme der Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf ausgebildet. Das in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager abgekühlte Kühlmittel wird zum einem zu einem in einem Klimagerät angeordneten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet. Beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers wird das Kühlmittel erwärmt, wobei die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt wird. Zum anderen wird das im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager abgekühlte Kühlmittel zur Batterie geführt, wo es in einem Batteriekühler die von der Batterie emittierte Wärme aufnimmt. Die Kühlmittelkreisläufe des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers und des Batteriekühlers können dabei getrennt voneinander oder als ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf ausgebildet sein.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte automobile Kälteanlagen für Elektrofahrzeuge sind für maximale Kälteleistungen im Bereich von 6 kW bis 9 kW ausgelegt. Zukünftige Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, insbesondere mit Schnell-Ladetechnik der Batterie, weisen jedoch einen Kältebedarf im Bereich von 12 kW bis 15 kW und damit einen sehr viel größeren Kältebedarf als herkömmliche Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge auf.
  • Für die Bereitstellung von vergleichsweise hohen Kälteleistungen sind unterschiedliche Klimatisierungssysteme für Kraftfahrzeuge bekannt. Dabei werden einerseits in einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf mindestens zwei Verdichter parallel betrieben, sodass der Massenstrom des Kältemittels verdoppelt oder vervielfacht wird. Andererseits werden mindestens zwei Kältemittelkreisläufe unabhängig voneinander ausgebildet, wobei jeder zusätzliche Kältemittelkreislauf zusätzliche Komponenten aufweist.
  • In der US 7,228,707 B2 und in der US 2013/0145781 A1 werden jeweils ein Kältemittelkreislauf mit parallel zueinander angeordneten Verdichtern beschrieben. Die parallel zueinander geschalteten Verdichter verdichten das Kältemittel in eine gemeinsame Druckleitung, welche das Kältemittel zu einem als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager leitet. Der aus der US 7,228,707 B2 bekannte Kältemittelkreislauf in Economizerschaltung weist zudem eine Vielzahl von als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern auf, welche zum Konditionieren verschiedener Umgebungen dienen. Dabei ist jeder Verdampfer mit einem Verdichter verbunden. Die US 2013/0145781 A1 offenbart einen Kältemittelkreislauf mit zwei Verdichtern, wobei der erste Verdichter drehzahlgeregelt und der zweite Verdichter zum Betrieb mit einer festen Drehzahl ausgebildet sind.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreisläufen müssen die einzelnen Komponenten, wie der als Kondensator/Gaskühler betriebene Wärmeübertrager, die Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen zwischen den Komponenten und die Ventile, entsprechend dem hohen maximalen Massenstrom des Kältemittels sehr groß dimensioniert werden. Obwohl einzelne Strömungspfade und damit Verdampfer unabhängig voneinander abzusperren sind, sind die Verdampfer nur druckabhängig untereinander betreibbar. Bei gleichzeitigem Betrieb sind die Verdampfer, auch durch den Einsatz kostenintensiver elektrischer Expansionsventile, sehr aufwändig aufeinander abzustimmen.
  • Die herkömmlichen Kälteanlagen mit Kältemittelkreisläufen mit mindestens zwei Verdichtern oder bekannte Kaskadensysteme stellen zwar eine höhere Kälteleistung bereit, allerdings ist die Übertragung der Wärme im Kondensator/Gaskühler als Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft sehr begrenzt. Das System eines Kraftfahrzeugs aus dem Stand der Technik ist lediglich für eine Wärmeabgabe im Bereich von 13 kW bis 14 kW konfiguriert. Die Bereitstellung einer Kälteleistung im Bereich von 12 kW bis 15 kW erfordert jedoch eine Wärmeabgabe auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs von mindestens 20 kW. Da das Kraftfahrzeug während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie zudem nicht bewegt wird und damit ruht beziehungsweise parkt, weist die Strömung der Luft zur Beaufschlagung des Kondensators/Gaskühlers im Frontbereich des Kraftfahrzeugs eine minimale Geschwindigkeit auf. Die Umgebungsluft wird lediglich von dem dem Kondensator/Gaskühler zugeordneten Lüfter gefördert und nicht zusätzlich vom Fahrtwind unterstützt, was wiederum zu einer Reduktion der Wärmeabgabe am Kondensator/Gaskühler führt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems mit ausreichender Kälteleistung für Kraftfahrzeuge mit einem großen Kältebedarf, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Dabei ist insbesondere die für die hohen Kälteleistungen erforderliche Wärmeabgabe von mindestens 20 kW, zumindest für einen begrenzten Zeitraum, beispielsweise beim Schnell-Ladevorgang der Batterie, zu gewährleisten. Die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum sollen minimal sein und der Kältemittelkreislauf aus für herkömmliche Massenströme dimensionierten Komponenten ausgebildet sein. Das System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das System weist einen Kühlmittelkreislauf und einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, mindestens einem Expansionsorgan, mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms sowie mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel auf. Der Wärmeübertrager zum Konditionieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms ist dabei als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet. Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel ist innerhalb des Kühlmittelkreislaufs angeordnet und als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet. Der Kältemittelkreislauf ist über den als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt.
  • Nach der Konzeption der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager auf, welcher als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet und innerhalb des Kühlmittelkreislaufs zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel angeordnet ist. Damit ist der Kältemittelkreislauf auch über den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Der Kühlmittelkreislauf ist zudem mit mindestens einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit einer Antriebskomponente ausgebildet.
  • Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der als Kondensator/Gaskühler betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel und der als Kondensator/Gaskühler betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Umgebungsluft in Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander angeordnet. Die Wärmeübertrager sind in Reihe geschaltet. Dabei ist Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet.
  • Die Antriebskomponente ist bevorzugt eine elektrische Komponente, beispielsweise eine Hochvoltbatterie beziehungsweise ein elektrischer Motor, eines elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs. Der Kühlmittelkreislauf weist dabei vorteilhaft einen ersten Wärmeübertrager zum Temperieren der Batterie und einen zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit dem elektrischen Antriebsmotor auf.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erste Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel und vor dem dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel sowie der zweite Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel angeordnet sind.
  • Der Kühlmittelkreislauf ist bevorzugt mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an Umgebungsluft ausgebildet. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ist vorteilhaft in Strömungsrichtung des Kühlmittels zwischen dem zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit dem Antriebsmotor und dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel angeordnet. Dabei kann die Umgebungsluft den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs vorteilhaft parallel oder seriell, das heißt nacheinander, überströmen. Bei einer Anordnung des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager für ein serielles Beaufschlagen mit der Umgebungsluft ist der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung der Umgebungsluft bevorzugt vor dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Die Komponenten, insbesondere die Wärmeübertrager, des Kühlmittelkreislaufs sind jeweils nacheinander und damit in Reihe geschaltet angeordnet. Die Wärmeübertrager sind jeweils bevorzugt direkt nacheinander von Kühlmittel durchströmt ausgebildet. Unter der direkten Anordnung der Wärmeübertrager nacheinander ist zu verstehen, dass die Wärmeübertrager über eine Kühlmittelleitung miteinander derart verbunden sind, dass das Kühlmittel auf dem Strömungsweg zwischen den Wärmeübertragern keine weitere Komponente des Kühlmittelkreislaufs, insbesondere zur Wärmeaufnahme oder zur Wärmeabgabe durch das Kühlmittel, ausgenommen die entsprechende Verbindungsleitung oder beispielsweise eine Kühlmittelpumpe, passiert.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf mindestens zwei Strömungspfade mit jeweils einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan auf. Dabei sind die Strömungspfade parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar. Der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist innerhalb des ersten Strömungspfades und der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Systems zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • – Übertragen von Wärme von einem durch einen Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittel an ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel beim Durchströmen eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel abgekühlt wird und das Kältemittel verdampft,
    • – Leiten des abgekühlten Kühlmittels zu einem ersten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit einer ersten Antriebskomponente,
    • – Übertragen von Wärme von der ersten Antriebskomponente an das Kühlmittel beim Durchströmen des ersten Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel erwärmt und die erste Antriebskomponente gekühlt werden,
    • – Leiten des Kühlmittels zu einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und
    • – Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers, wobei das Kühlmittel abgekühlt wird.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Kühlmittel beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Luft der Umgebung des Systems abgekühlt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmittel nach dem Ausströmen aus dem ersten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit der ersten Antriebskomponente beziehungsweise zum Temperieren der ersten Antriebskomponente zu einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers wird Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen, wobei das Kältemittel zumindest teilweise enthitzt oder enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt wird und das Kühlmittel erwärmt wird.
  • Das Kältemittel wird nach dem Ausströmen aus dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager bevorzugt zu einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet. Beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers wird Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen, wobei das Kältemittel verflüssigt und gegebenenfalls unterkühlt wird.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das erwärmte Kühlmittel zu einem zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung mit einer zweiten Antriebskomponente geleitet wird. Beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers wird
    • – beim Betrieb des Systems in einem Modus, in welchem die vom System aufgenommene Wärme größer ist als die an die Umgebung übertragbare Wärme, Wärme vom Kühlmittel an die zweite Antriebskomponente übertragen, wobei das Kühlmittel abgekühlt wird sowie
    • – beim Betrieb des Systems in einem Modus, in welchem die an die Umgebung übertragbare Wärme größer ist die vom System aufgenommene Wärme, Wärme von der zweiten Antriebskomponente an das Kühlmittel übertragen, wobei das Kühlmittel erwärmt und die zweite Antriebskomponente gekühlt werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Kühlmittel nach dem Ausströmen aus dem ersten Wärmeübertrager durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und anschließend durch zweiten Wärmeübertrager geleitet.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms über eine Wärmeübertragungsfläche eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers des Kältemittelkreislaufs geleitet, wobei das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme verdampft.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die mögliche Speicherung von Wärme in einer Komponente des Antriebsstrangs, ermöglicht die Verwendung des Systems in Kraftfahrzeugen mit einem elektromotorischen Antrieb oder in Kraftfahrzeugen mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor.
  • Das erfindungsgemäße System weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • – während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie kann eine ausreichende Batteriekühlung gewährleistet werden, was die Applikation der Schnell-Ladetechnik in Elektrofahrzeugen ermöglicht,
    • – dabei ist es nicht erforderlich, die gesamte Kälteleistung des Systems, speziell während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie bei hohen Umgebungstemperaturen, unmittelbar abzuführen, da ein Teil der Wärme zwischengespeichert wird, sodass die wärmeabgebende Fläche des Gesamtsystems als eine der begrenzendenden Randbedingungen für die erzielbare Kälteleistung, nicht vergrößert werden muss,
    • – dadurch maximale Effizienz des Systems beim Betrieb und minimaler Bauraum sowie
    • – geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung sowie während des Betriebs.
  • Das Klimatisierungssystem, insbesondere die Kältemittelkreisläufe, sind unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
  • Die Figur zeigt ein System 1 eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2 zum Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums und einem Kühlmittelkreislauf 12 zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten, insbesondere zur Kühlung der Batterie, des Kraftfahrzeugs. Der Kältemittelkreislauf 2 und der Kühlmittelkreislauf 12 sind thermisch miteinander gekoppelt.
  • Der Kältemittelkreislauf 2 weist einen Verdichter 3 zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels auf. Das verdichtete und überhitzte gasförmige Kältemittel wird zu einem ersten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 4 geleitet. Der erste Kondensator/Gaskühler ist als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 ausgebildet. Beim Durchströmen des ersten Kondensators/Gaskühlers 4 wird die Wärme vom Kältemittel an das im Kühlmittelkreislauf 12 zirkulierende Kühlmittel übertragen. Dabei wird das Kältemittel je nach Bedarf und Betriebsmodus enthitzt und verflüssigt sowie gegebenenfalls unterkühlt. Mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 ist der Kältemittelkreislauf 2 mit dem Kühlmittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt.
  • Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 wird das Kältemittel zu einem zweiten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5 geleitet. Der zweite Kondensator/Gaskühler ist als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 ausgebildet. Beim Durchströmen des zweiten Kondensators/Gaskühlers 5 wird die Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen. Dabei wird das Kältemittel je nach Bedarf und Betriebsmodus enthitzt und verflüssigt sowie gegebenenfalls unterkühlt, beispielsweise wenn im ersten Kondensator/Gaskühler 4 keine oder eine sehr geringe Wärme übertragen wird. Ansonsten wird das Kältemittel im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 lediglich verflüssigt und/oder gegebenenfalls unterkühlt.
  • Nach dem Austreten aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird das flüssige Kältemittel an einer Abzweigstelle 10 je nach Bedarf auf zwei Strömungspfade aufgeteilt. Jeder der Strömungspfade weist ein Expansionsorgan 6, 8 und einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 7, 9 auf. Die durch die Strömungspfade geleiteten Teilmassenströme des Kältemittels werden an einer Mündungsstelle 11 wieder zusammengeführt und als gemeinsamer Kältemittelmassenstrom vom Verdichter 3 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2 ist geschlossen. Die beiden Strömungspfade werden dabei je nach Bedarf einzeln oder gemeinsam und parallel mit Kältemittel beaufschlagt. Die Anteile des Massenstroms können je nach Bedarf zwischen 0 und 100 % betragen.
  • Der mit dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltet angeordneten ersten Expansionsorgan 6 als Verdampfer des ersten Strömungspfades betriebene Wärmeübertrager ist als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 7 ausgebildet. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 7 verdampfende Kältemittel nimmt die Wärme des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms auf. Dabei wird der Luftmassenstrom entfeuchtet und/oder abgekühlt. Der mit dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltet angeordneten zweiten Expansionsorgan 8 als Verdampfer des zweiten Strömungspfades betriebene Wärmeübertrager ist als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 ausgebildet. Das beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 9 verdampfende Kältemittel nimmt Wärme des im Kühlmittelkreislauf 12 zirkulierenden Kühlmittels auf. Dabei wird das Kühlmittel abgekühlt. Mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9, welcher auch als Chiller bezeichnet wird, ist der Kältemittelkreislauf 2 mit dem Kühlmittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt.
  • Der Kühlmittelkreislauf 12 weist neben den bereits beschriebenen, als Verdampfer im Kältemittelkreislauf 2 betriebenem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 und als Kondensator/Gaskühler betriebenem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 eine Kühlmittelpumpe 13 zum Umwälzen des Kühlmittels und einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15 auf.
  • Im speziell zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs ausgebildeten Kühlmittelkreislauf 12 sind zudem ein erster Wärmeübertrager 14 und ein zweiter Wärmeübertrager 16 integriert. Der erste Wärmeübertrager 14 ist zum Temperieren der Batterie, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, konfiguriert. Der zweite Wärmeübertrager 16 dient dabei der Wärmeübertragung mit dem elektrischen Antriebsmotors, kurz auch als Motor bezeichnet. Der erste Wärmeübertrager 14 ist dabei in Strömungsrichtung des Kühlmittels zwischen dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 und dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 beziehungsweise der Kühlmittelpumpe 13 angeordnet, während der zweite Wärmeübertrager 16 in Strömungsrichtung des Kühlmittels zwischen dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 und dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15 ausgebildet ist. Der erste Wärmeübertrager 14 zur Wärmeübertragung mit einer Antriebskomponente, der als Kondensator/Gaskühler betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4, der zweite Wärmeübertrager 16 zur Wärmeübertragung mit einer Antriebskomponente, der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15 und der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 sind jeweils hintereinander und damit in Reihe geschaltet angeordnet.
  • Die Kühlmittelpumpe 13 fördert das Kühlmittel vom Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 des Kältemittelkreislaufs 2 zum Wärmeübertrager 14 zum Temperieren der Batterie und durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4, in welchem das Kältemittel Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 12 aufnehmen kann, zum Wärmeübertrager 16 zur Wärmeübertragung mit dem Motor.
  • Beim Schnell-Ladevorgang der Batterie des elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs mit einem erforderlichen Kältebedarf im Bereich von 12 kW bis 15 kW und insbesondere bei gleichzeitig hohen Temperaturen der Umgebungsluft des Systems 1 ist eine sehr große Wärmemenge vom System 1 abzuführen. Der Schnell-Ladevorgang benötigt dabei eine Zeit im Bereich von 10 min bis 15 min. Um die sehr große Wärmemenge nicht innerhalb der sehr kurzen Zeit der Dauer des Schnell-Ladevorgangs der Batterie abführen zu müssen, was eine sehr große Wärmeleistung erfordert, ist ein Anteil der an die Umgebungsluft zu übertragenden Wärme zwischenzuspeichern. Als geeigneter Wärmezwischenspeicher ist dabei beispielsweise der elektrische Antriebsmotor geeignet, welcher auf Temperaturen im Bereich von 60°C bis 80°C aufgeheizt werden kann sowie eine große thermische Masse und damit eine große thermische Speicherkapazität aufweist. Mit dem Zwischenspeichern der Wärme ist während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie lediglich ein Anteil der in der Zeit des Aufladens emittierten und abzugebenden Wärme an die Umgebungsluft zu übertragen. Das Zwischenspeichern der Wärme hat insbesondere bei hohen Werten der Temperatur der Umgebungsluft während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie einen großen Einfluss auf die Kälteleistung des Kältemittelkreislaufs 2 zum Temperieren, insbesondere zum Abkühlen, der Batterie beziehungsweise zum Konditionieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms.
  • Beim gleichzeitigen Betrieb des Systems 1 im Schnell-Ladevorgang der Batterie und im Kälteanlagenmodus zum Klimatisieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms, insbesondere zum Abkühlen und/oder Entfeuchten des Luftmassenstroms, wird der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 10 des Kältemittelkreislaufs 2 aufgeteilt, sodass jeweils ein Teilmassenstrom des Kältemittels durch den ersten und den zweiten Strömungspfad geleitet wird. Das im ersten Strömungspfad zum ersten Expansionsorgan 6 geleitete Kältemittel wird beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 6 entspannt und als Zweiphasen-Gemisch in den Verdampfer 7 eingeleitet. Beim Verdampfen des flüssigen Anteils nimmt das Kältemittel Wärme von dem dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom auf und verdampft. Das im zweiten Strömungspfad zum zweiten Expansionsorgan 8 geleitete Kältemittel wird beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 8 entspannt und als Zweiphasen-Gemisch in den Verdampfer 9 eingeleitet. Beim Verdampfen des flüssigen Anteils nimmt das Kältemittel Wärme vom Kühlmittel auf. Das Kühlmittel wird dabei bevorzugt auf einen Wert der Temperatur abgekühlt, welcher unterhalb des Wertes der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Anschließend werden die durch die Strömungspfade geleiteten Teilmassenströme des Kältemittels an der Mündungsstelle 11 wieder vermischt und als gemeinsamer Massenstrom vom Verdichter 3 angesaugt und verdichtet.
  • Das beim Durchströmen des Verdampfers 9 abgekühlte Kühlmittel wird anschließend zum ersten Wärmeübertrager 14 geleitet, welcher zum Temperieren der Batterie ausgebildet ist. Bei der Wärmeübertragung von der insbesondere während des Schnell-Ladevorgangs sehr viel Wärme emittierenden und/oder sich erwärmenden Batterie an das Kühlmittel wird das Kühlmittel stark erwärmt. Durch das Abführen der Wärme von der Batterie wird verhindert, dass sich die Batterie zu stark erwärmt. Das aus dem ersten Wärmeübertrager 14 ausströmende Kühlmittel wird darauffolgend durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 zum zweiten Wärmeübertrager 16 geleitet, welcher zur Wärmeübertragung mit dem elektrischen Antriebsmotor ausgebildet ist.
  • Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen der Umgebungsluft, beispielsweise bei Temperaturen von etwa mindestens 40°C, steigt die erforderliche gesamte Kälteleistung des Systems 1, welche sich aus der Leistung zum Kühlen der Batterie und der Leistung zum Konditionieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms zusammensetzt, bei konstanter Größe der wärmeabgebenden Fläche des Gesamtsystems stark an. Je nach Temperatur der Batterie beziehungsweise des Kühlmittels nach der Erwärmung des Kühlmittels beim Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 14 wird beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4 Wärme vom überhitzten Kältemittel an das Kühlmittel übertragen. Dabei wird das Kältemittel zumindest teilweise enthitzt oder vollständig enthitzt und gegebenenfalls zumindest teilweise verflüssigt, während das Kühlmittel weiter erwärmt wird. Im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 wird ein Großteil der vom Kältemittel abzuführenden Wärme an das Kühlmittel übertragen.
  • Das auf eine hohe Temperatur erwärmte Kühlmittel wird beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 16 abgekühlt, wobei die Wärme vom höher temperierten Kühlmittel an den Motor übertragen und im Motor als thermische Masse gespeichert wird. Der Kühlmittelkreislauf 12 wird dabei derart gesteuert, dass eine vorgegebene maximale Temperatur des Motors nicht überschritten wird. Anschließend strömt das Kühlmittel durch den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15, wobei Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen wird. Das zumindest vorgekühlte Kühlmittel wird zum als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 zurückgeleitet.
  • Das beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 4 zumindest teilweise enthitzte oder vollständig enthitzte und gegebenenfalls zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel wird zum Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitet. Im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen. Da im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 4 bereits ein Großteil der vom Kältemittel abzuführenden Wärme, insbesondere die Wärme zum Enthitzen des gasförmigen, überhitzten Kältemittels, an das Kühlmittel übertragen wurde, kann der Kondensator/Gaskühler 5 mit einer effizienten Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft bei einer geringeren Einlasstemperatur des Kältemittels betrieben werden. Das aus dem Kondensator/Gaskühler 5 ausströmende enthitzte und verflüssigte sowie gegebenenfalls unterkühlte Kältemittel wird zur Abzweigstelle 10 geleitet.
  • Beim gleichzeitigen Betrieb des Systems 1 im Schnell-Ladevorgang der Batterie und im Kälteanlagenmodus zum Klimatisieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms wird die von der Batterie während des Schnell-Ladevorgangs emittierte Wärme vom Kühlmittel aufgenommen. Die von dem dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom abgeführte Wärme wird vom Kältemittel aufgenommen und zuzüglich der im Verdichter 3 an das Kältemittel zugeführten Wärme anteilig an das Kühlmittel und die Umgebungsluft übertragen. Die an das Kühlmittel abgeführte Wärme wird wiederum zu Anteilen an den Motor als Wärmespeicher, die Umgebungsluft und das Kältemittel übertragen.
  • Beim ausschließlichen Betrieb des Systems 1 während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie, das heißt ohne den Betrieb im Kälteanlagenmodus zum Klimatisieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms, strömt das im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierende Kältemittel von der Abzweigstelle 10 ausschließlich in den zweiten Strömungspfad zum zweiten Expansionsorgan 8, wird beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 8 entspannt und als Zweiphasen-Gemisch in den Verdampfer 9 eingeleitet. Beim Verdampfen des flüssigen Anteils nimmt das Kältemittel wiederum Wärme vom Kühlmittel auf. Das Kühlmittel wird dabei bevorzugt auf einen Wert der Temperatur abgekühlt, welcher unterhalb des Wertes der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Im Unterschied zum gleichzeitigen Betrieb des Systems 1 im Schnell-Ladevorgang der Batterie und im Kälteanlagenmodus zum Klimatisieren des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms ist der erste Strömungspfad geschlossen.
  • Die im Verdampfer 9 vom Kühlmittel an das Kältemittel abgeführte Wärme wird zuzüglich der im Verdichter 3 an das Kältemittel übertragenen Wärme im Kondensator/Gaskühler 4 zumindest anteilig wieder an das Kühlmittel abgegeben. Mit dem im Verdampfer 9 abgekühlten Kühlmittel ist es möglich, die von der Batterie emittierte Wärme aufzunehmen. Der im Kondensator/Gaskühler 4 nicht vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragene Anteil der Wärme wird im Kondensator/Gaskühler 5 an die Umgebungsluft übertragen. Die von der Batterie während des Schnell-Ladevorgangs emittierte Wärme wird im ersten Wärmeübertrager 14 an das Kühlmittel und vom Kühlmittel jeweils zu Anteilen im zweiten Wärmeübertrager 16 an den Motor, im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15 an die Umgebungsluft und im als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 9 an das Kältemittel übertragen.
  • Nach dem Beenden des Betriebs des Schnell-Ladevorgangs der Batterie verringert sich die von der Batterie an das Kühlmittel abzugebende Wärme, sodass das Kühlmittel bei gleichbleibender oder größerer abgegebener Wärme des Systems 1 an die Umgebung mit einer geringeren Temperatur zum zweiten Wärmeübertrager 16 geleitet wird und der als Wärmespeicher dienende Motor wieder abgekühlt werden kann. Das im Vergleich zum Betrieb des Systems 1 während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie eine geringere Temperatur als der Motor aufweisende Kühlmittel wird beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 16 weiter erwärmt. Dabei wird die Wärme vom höher temperierten Motor an das Kühlmittel übertragen, wobei auch die im Betrieb des Systems 1 während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie im Motor gespeicherte Wärme wieder abgeführt wird. Die im Motor während des Schnell-Ladevorgangs der Batterie gespeicherte Wärme wird während der Fahrt des Kraftfahrzeugs und damit zu einem späteren Zeitpunkt als der Schnell-Ladevorgang der Batterie über den Kühlmittelkreislauf 12 und den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15 an die Umgebungsluft abgeführt.
  • Durch ein Fahren des Kraftfahrzeugs und damit einem verbesserten Umgebungsluftmassenstrom zu den im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 und Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 15 als im stehenden Zustand des Kraftfahrzeugs werden jeweils gleichzeitig der Wärmedurchgang und damit die Wärmeleistungen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 und des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 15 erhöht. Es wird mehr Wärme vom System 1 an die Umgebungsluft übertragen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    System
    2
    Kältemittelkreislauf
    3
    Verdichter
    4
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
    5
    Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
    6
    erstes Expansionsorgan
    7
    Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Verdampfer
    8
    zweites Expansionsorgan
    9
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, Verdampfer
    10
    Abzweigstelle
    11
    Mündungsstelle
    12
    Kühlmittelkreislauf
    13
    Kühlmittelpumpe
    14
    erster Wärmeübertrager Antriebskomponente, Batterie
    15
    Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    16
    zweiter Wärmeübertrager Antriebskomponente, Motor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009002424 A1 [0003]
    • US 7228707 B2 [0006, 0006]
    • US 2013/0145781 A1 [0006, 0006]

Claims (10)

  1. System (1) zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs, aufweisend – einen Kühlmittelkreislauf (12) und – einen Kältemittelkreislauf (2) mit einem Verdichter (3), einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5), mindestens einem Expansionsorgan (6, 8), mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (7) zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms, welcher als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (7) ausgebildet ist, sowie mindestens einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (9), welcher als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) ausgebildet und innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (12) zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an das Kältemittel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager (4) aufweist, welcher als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) ausgebildet und innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (12) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel angeordnet ist, und dass der Kühlmittelkreislauf (12) mindestens einen Wärmeübertrager (14, 16) zur Wärmeübertragung mit einer Antriebskomponente aufweist.
  2. System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Kondensator/Gaskühler betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) und der als Kondensator/Gaskühler betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) in Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander angeordnet sind.
  3. System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (12) einen ersten Wärmeübertrager (14) zum Temperieren einer Batterie und einen zweiten Wärmeübertrager (16) zur Wärmeübertragung mit einem elektrischen Antriebsmotor aufweist.
  4. System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (14) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) und vor dem dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) angeordnet ist, und dass der zweite Wärmeübertrager (16) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) angeordnet ist.
  5. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mindestens zwei Strömungspfade mit jeweils einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (7, 9) und einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan (6, 8) aufweist, wobei – die Strömungspfade parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar sind und – der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (7) innerhalb des ersten Strömungspfades und der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (9) innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet sind.
  6. Verfahren zum Betreiben des Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend folgende Schritte: – Übertragen von Wärme von einem durch einen Kühlmittelkreislauf (12) zirkulierenden Kühlmittel an ein in einem Kältemittelkreislauf (2) zirkulierendes Kältemittel beim Durchströmen eines als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (9), wobei das Kühlmittel abgekühlt wird und das Kältemittel verdampft, – Übertragen von Wärme von einer ersten Antriebskomponente an das Kühlmittel beim Durchströmen eines ersten Wärmeübertragers (14), wobei das Kühlmittel erwärmt und die erste Antriebskomponente gekühlt werden, und – Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an Umgebungsluft beim Durchströmen eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers (15), wobei das Kühlmittel abgekühlt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel nach dem Ausströmen aus dem ersten Wärmeübertrager (14) zu einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) des Kältemittelkreislaufs (2) geleitet wird und dass beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (4) Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird, wobei das Kältemittel zumindest teilweise enthitzt oder enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt wird und das Kühlmittel erwärmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Kühlmittel zu einem zweiten Wärmeübertrager (16) zur Wärmeübertragung mit einer zweiten Antriebskomponente geleitet wird, und dass beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers (16) – beim Betrieb des Systems (1) in einem Modus, in welchem die vom System (1) aufgenommene Wärme größer ist als die an die Umgebung übertragbare Wärme, Wärme vom Kühlmittel an die zweite Antriebskomponente übertragen wird, wobei das Kühlmittel abgekühlt wird sowie – beim Betrieb des Systems (1) in einem Modus, in welchem die an die Umgebung übertragbare Wärme größer ist die vom System (1) aufgenommene Wärme, Wärme von der zweiten Antriebskomponente an das Kühlmittel übertragen wird, wobei das Kühlmittel erwärmt und die zweite Antriebskomponente gekühlt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel nach dem Ausströmen aus dem ersten Wärmeübertrager (14) durch den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (4) des Kältemittelkreislaufs (2) und anschließend durch den zweiten Wärmeübertrager (16) geleitet wird.
  10. Verwendung des Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Antrieb oder einem Kraftfahrzeug mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108437737A (zh) * 2018-02-06 2018-08-24 江苏金坛长荡湖新能源科技有限公司 一种电动车温控节能系统及控制方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201718141D0 (en) * 2017-11-02 2017-12-20 Rolls Royce Plc Thermal management system
DE102018101518A1 (de) * 2018-01-24 2019-07-25 Hanon Systems Thermisches System für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des thermischen Systems
DE102021101127A1 (de) 2020-03-19 2021-09-23 Hanon Systems System zum Klimatisieren der Luft eines Fahrgastraums und zur Wärmeübertragung mit Antriebskomponenten eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben des Systems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7228707B2 (en) 2004-10-28 2007-06-12 Carrier Corporation Hybrid tandem compressor system with multiple evaporators and economizer circuit
DE102009002424A1 (de) 2008-06-23 2010-01-14 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Zusammenstellen eines Fahrzeug-Kühlaggregat-Bypass-Systems und entsprechendes Verfahren
US20130145781A1 (en) 2011-05-16 2013-06-13 Carrier Corporation Multi-Compressor Refrigeration System and Method for Operating It

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005263200A (ja) * 2004-02-18 2005-09-29 Denso Corp 車両用空調装置
US9180753B2 (en) * 2009-12-03 2015-11-10 Hyundai Motor Company Integrated cooling system for eco-friendly vehicle
US8174235B2 (en) * 2011-07-25 2012-05-08 Lightening Energy System and method for recharging electric vehicle batteries
KR101416357B1 (ko) * 2012-09-07 2014-07-08 현대자동차 주식회사 차량용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법
JP6274201B2 (ja) * 2013-03-06 2018-02-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 車両用空調装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7228707B2 (en) 2004-10-28 2007-06-12 Carrier Corporation Hybrid tandem compressor system with multiple evaporators and economizer circuit
DE102009002424A1 (de) 2008-06-23 2010-01-14 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Zusammenstellen eines Fahrzeug-Kühlaggregat-Bypass-Systems und entsprechendes Verfahren
US20130145781A1 (en) 2011-05-16 2013-06-13 Carrier Corporation Multi-Compressor Refrigeration System and Method for Operating It

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108437737A (zh) * 2018-02-06 2018-08-24 江苏金坛长荡湖新能源科技有限公司 一种电动车温控节能系统及控制方法

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