DE102016200362A1

DE102016200362A1 - Wärmesystem, elektro- oder hybridfahrzeug mit einem solchen und verfahren zum betrieb eines wärmesystems

Info

Publication number: DE102016200362A1
Application number: DE102016200362.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Allgäuer; Marion Mack; Nicolas Flahaut; Oliver Horn; Markus Moser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: US20180319246A1; CN108136875A; US10654336B2; CN108136875B; WO2017121605A1; DE102016200362B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmesystem (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, an welches ein Hochvoltspeicher (8) angeschlossen ist und welches einen Kühlmittelkreislauf (4) aufweist, mit einem Heizkreis (14), an welchen ein Heizungswärmetauscher (16) angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis (22), an welchen ein Kühler (24) und eine Wärmequelle (26) angeschlossen sind. Zur besonders flexiblen Klimatisierung weist das Wärmesystem zumindest zwei Kältekreise (6a, 6b) auf, wobei ein erster Kältekreis (6a) einen Klima-Verdampfer (34) aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator (32a), mittels dessen der erste Kältekreis (6a) mit dem Kühlmittelkreislauf (4) thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis (6a). Auch der zweite Kältekreis (6b) ist mittels eines zweiten Kondensators (32b) thermisch mit dem Kühlmittelkreislauf gekoppelt. Die beiden Kältekreise (6a, 6b) sind jedoch nicht miteinander gekoppelt. Zumindest einer der Kältekreise (6a, 6b) weist weiterhin einen Chiller (30, 30a, 30b) auf, zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittelkreislauf (4). Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Wärmesystem (2) sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, an welches ein Hochvoltspeicher angeschlossen ist und welches einen ersten Kältekreis aufweist und einen Kühlmittelkreislauf, mit einem Heizkreis, an welchen ein Heizungswärmetauscher angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis, an welchen ein Kühler und eine Wärmequelle angeschlossen sind, wobei der erste Kältekreis einen Klima-Verdampfer aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator, mittels dessen der erste Kältekreis mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem solchen Wärmesystem sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems.
Ein entsprechendes Wärmesystem ist in der auf die Anmelderin zurückgehenden, unveröffentlichten, deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102015220623.8 beschrieben.
Ein Wärmesystem dient vorrangig der Klimatisierung diverser Komponenten eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Innenraums, auch als Fahrgastraum bezeichnet, eines Verbrennungsmotors, eines elektrischen Antriebsstrangs, einer Leistungselektronik und/oder eines Hochvoltspeichers, zur Versorgung des Antriebsstrangs mit Energie. Die jeweilige Komponente wird dann im Betrieb mittels des Wärmesystems bedarfsweise beheizt, gekühlt oder beides. Zur Erzeugung einer bestimmten Klimatisierungsleistung z. B. zur Kühlung des Innenraums und/oder des Hochvoltspeichers weist das Wärmesystem typischerweise einen Kältekreis auf, mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer. In bestimmten Fällen, d. h. bei bestimmten Betriebszuständen des Fahrzeugs, ist die mittels des Kältekreises generierbare Klimatisierungsleistung jedoch nicht ausreichend, um eine hinreichende Kühlung zu gewährleisten. Besonders im Zusammenhang mit einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches einen Hochvoltspeicher zum Antrieb aufweist, sind als Betriebszustände beispielsweise hohe Fahrgeschwindigkeiten und ein Schnellladen des Hochvoltspeichers hinsichtlich einer Kühlung kritisch.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Wärmesystem zur Klimatisierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs anzugeben sowie ein solches Fahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems. Das Wärmesystem soll möglichst kostengünstig und insbesondere aus Komponenten aufgebaut sein, welche verfügbar sind und automotiv tauglich sind, besonders hinsichtlich Gewicht und Bauraum. Zusätzlich soll der Betrieb des Wärmesystems sowohl unter Teillast- als auch unter Volllastbedingungen möglichst effizient und akustisch unauffällig sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wärmesystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Wärmesystem sinngemäß auch für das Fahrzeug sowie das Verfahren und umgekehrt.
Das Wärmesystem dient der Klimatisierung diverser Komponenten eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welches im Rahmen dieser Anmeldung kurz auch lediglich als Fahrzeug bezeichnet wird. An das Wärmesystem ist ein Hochvoltspeicher angeschlossen, welcher vorrangig der Energieversorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs dient. Dazu ist der Hochvoltspeicher mittels eines geeigneten Wärmetauschers thermisch an das Wärmesystem angeschlossen, zum Wärmetausch mit diesem. Des Wärmesystem weist einen ersten Kältekreis auf, in welchem insbesondere mittels eines Verdichters ein Kältemittel verdichtet und gefördert wird.
Weiter weist das Wärmesystem einen Kühlmittelkreislauf auf, mit einem Heizkreis, an welchen ein Heizungswärmetauscher angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis, an welchen ein Kühler und eine Wärmequelle angeschlossen sind, wobei der erste Kältekreis einen Klima-Verdampfer aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator, mittels dessen der erste Kältekreis mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis. Der Kondensator ist kühlmittelgekühlt und beispielsweise ein wassergekühlter Kondensator oder alternativ ein Gaskühler, falls das Kältemittel z. B. R744 ist.
Insgesamt ist das Wärmesystem demnach dazu ausgebildet, mittels des Klima-Verdampfers und des Heizungswärmetauschers den Innenraum des Fahrzeugs, genauer gesagt Luft, welche dem Innenraum zugeführt wird, zu beheizen, zu kühlen und insbesondere auch zu entfeuchten. Der Heizungswärmetauscher und der Klima-Verdampfer sind somit insbesondere Teile eines Klimageräts. Zur Kühlung wird der Luft mittels des Klima-Verdampfers Wärme entzogen und gelangt in den ersten Kältekreis. Zur Beheizung wird dagegen mittels des Kondensators Wärme vom ersten Kältekreis in den Kühlmittelkreislauf übertragen und dadurch Kühlmittel erwärmt, welches dann dem Heizungswärmetauscher zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist ein bezüglich des ersten Kältekreises separater, zweiter Kältekreis angeordnet, d. h. das Wärmesystem weist einen zweiten Kältekreis auf. Dieser ist vom ersten Kältekreis hydraulisch getrennt, d. h. es erfolgt kein Kältemittelaustausch zwischen den beiden Kältekreisen. Der zweite Kältekreis weist einen zweiten Kondensator auf und ist mittels diesem mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt, zur Wärmeabfuhr aus dem zweiten Kältekreis. Unter separat wird somit insbesondere verstanden, dass der erste und der zweite Kältekreis nicht direkt miteinander verbunden oder gekoppelt sind und daher auch nicht unmittelbar Kältemittel oder Wärme miteinander austauschen können. Beide Kältekreise sind jedoch mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch verbunden, um jeweils Wärme mit diesem auszutauschen. Die thermische Anbindung an den Kühlmittelkreislauf erfolgt zumindest über den jeweiligen Kondensator, über welchen Wärme vom jeweiligen Kältekreis in den Kühlmittelkreislauf übertragen wird.
Weiterhin weist zumindest einer der Kältekreise einen Chiller auf, zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittelkreislauf. Auch der Chiller stellt eine thermische Verbindung des entsprechenden Kältekreises mit dem Kühlmittelkreislauf dar, jedoch wird hier die Wärme im Vergleich zum Kondensator in umgekehrter Richtung transportiert, nämlich vom Kühlmittelkreislauf zum Kältekreis. Dadurch wird in einem Kühlbetrieb Wärme, welche von einer Komponente, insbesondere der Wärmequelle, im Kühlmittelkreislauf generiert wird, über den Chiller abgeführt und auf diese Weise die Komponente gekühlt. Die in den Kältekreis aufgenommene Wärme wird dann insbesondere in einem Wärmepumpenbetrieb über den Kondensator an anderer Stelle wieder dem Kühlmittelkreislauf zugeführt, zweckmäßigerweise dem Heizkreis zwecks Innenraumbeheizung. Der Kältekreis mit Chiller und Kondensator ist somit insbesondere eine Wärmepumpe. Alternativ oder zusätzlich zur Wärmeabfuhr über den Chiller wird Wärme über den Kühler abgeführt. Aufgrund der separaten Ausgestaltung der Kältekreise sind die Kondensatoren und der Chiller jeweils lediglich einem Kältekreis zugeordnet, jedoch sämtlich an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Überlegung zugrunde, dass eine einfache Skalierung eines einzelnen Kältekreises hinsichtlich der Klimatisierungsleistung gewisse Nachteile birgt und vor allem einen größeren und leistungsstärkeren Verdichter bedingt, welcher zu einer erhöhten Bauteilvielfalt bei der Konstruktion unterschiedlicher Fahrzeuge mit unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der maximalen Klimatisierungsleistung führt. Weitere Nachteile eines größeren Verdichters sind insbesondere hohe Entwicklungskosten, ein größerer benötigter Bauraum, die Notwendigkeit einer Taktung im Teillastbetrieb, d. h. bei niedrigem Kälteleistungsbedarf, welches hinsichtlich Akustik und Ölrückführung kritisch ist, z. B. bei einem Scrollverdichter aufgrund einer Minimaldrehzahl, sowie die Notwendigkeit einer Anpassung von Kältemittelleitungen und Verbindungstechnik, insbesondere aufgrund der höheren Kältemittelmassenströme.
Demgegenüber werden bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Wärmesystems mit mehreren, separaten Kältekreisen vorteilhafterweise für die diversen Kältekreise bereits vorhandene Komponenten verbaut, insbesondere wird in den mehreren Kältekreisen jeweils der gleiche Verdichter verbaut. Insgesamt ist somit auf einfache Weise eine Leistungsskalierung mit bereits bewährten und vorhandenen Bauteilen im Rahmen eines besonders einfachen Baukastenkonzepts möglich. Ein existierendes Baukastenkonzept braucht insbesondere nicht erweitert zu werden. Weiterhin werden vorteilhaft entsprechend gering dimensionierte Verdichter verwendet, welche dann jeweils lediglich teilweise zur gesamten maximalen Klimatisierungsleistung des Wärmesystems beitragen.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht somit insbesondere darin, bei einem Wärmesystem mehrere Kältekreise zu verwenden, um die Leistung des Wärmesystems zu erhöhen. Ein besonderer Vorteil eines solchen Wärmesystems besteht dann insbesondere auch darin, dass die diversen Kältekreise unterschiedliche Klimatisierungsaufgaben wahrnehmen können, indem die Kältekreise an unterschiedlichen Stellen des Kühlmittelkreislaufs mit diesem thermisch verbunden sind. Eine Klimatisierungsaufgabe ist beispielsweise die Kühlung einer bestimmten Komponente und/oder die Wärmeabfuhr über eine bestimmte Komponente des Wärmesystems. Dabei ist insgesamt eine Vielzahl an Verschaltungen der Kältekreise mit dem Kühlmittelkreislauf denkbar, von denen einige bevorzugte Ausgestaltungen weiter unten beschrieben werden. Bei einer einfachen Skalierung eines einzelnen Kältekreises ist eine solche flexible Verschaltung nicht möglich. Bei der Verwendung mehrerer Kältekreise ist dagegen zweckmäßigerweise jedem Kältekreis individuell eine Anzahl von Klimatisierungsaufgaben zugeordnet. Insbesondere wird je nach Betriebsmodus des Wärmesystems und je nach Leistungsbedarf ein jeweiliger Kältekreis abgeschaltet oder hinzugeschaltet, d. h. aktiviert oder deaktiviert. Aufgrund der separaten und insbesondere separat schaltbaren Kältekreise ist das Wärmesystem im Betrieb somit besonders effizient. Zum Schalten der Kältekreise weist das Wärmesystem dann zweckmäßigerweise eine Steuereinheit auf, auch als Controller bezeichnet, oder ist mit einer Steuereinheit des Fahrzeugs verbunden. Die Steuereinheit dient alternativ oder zusätzlich auch zum Umschalten des Wärmesystems zwischen diversen Betriebsmodi.
Der Kühlmittelkreislauf ist insbesondere als integrierter Kühlmittelkreislauf konzipiert, bei welchem mehrere Kreise, nämlich zumindest der Kühlkreis und der Heizkreis grundsätzlich über eine Anzahl von Leitungen hydraulisch, d. h. fluidtechnisch miteinander verbunden sind, sodass je nach Betriebsmodus des Wärmesystems ein Austausch von Kühlmittel zwischen verschiedenen der Kreise erfolgt oder unterbunden wird. Durch eine geeignete Verschaltung der Kreise untereinander, z. B. mittels geeigneter Ventile, sind die Kreise insbesondere voneinander trennbar. 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. Alternativ sind die Kreise jedoch getrennt voneinander ausgebildet und nicht fluidtechnisch miteinander verbunden. Dies ist beispielsweise bei einem Hybridfahrzeug mit einem Hochtemperaturkühlkreislauf und einem davon dauerhaft getrennten Niedrigtemperaturkühlkreislauf denkbar und zweckmäßig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt dem Wärmesystem der in der eingangs genannten deutschen Anmeldung 10 2015 220 623.8 beschriebene und im Zusammenhang mit der dortigen 1 näher erläuterte Kühlmittelkreislauf zugrunde. Bezüglich des Betriebs und der Betriebsmodi eines solchen Wärmesystems wird ebenfalls auf diese Anmeldung verwiesen. Die Erfindung ist allerdings grundsätzlich auch auf andere Wärmesysteme und Verschaltungen vorteilhaft anwendbar.
Vorzugsweise weist der Kühlmittelkreislauf in der integrierten Ausgestaltung stromab des Kühlers einen Heizkreisvorlauf auf, welcher den Kühlkreis mit dem Heizkreis verbindet. Stromauf des Kühlers ist der Heizkreis dann über einen Heizkreisrücklauf ebenfalls an den Kühlkreis angeschlossen. Der Heizkreis ist zudem zur Wärmequelle parallel geschaltet, d. h. dass Kühlmittel, welches vom Kühler kommt, wird auf den Heizkreis und die Wärmequelle aufgeteilt.
Die Wärmequelle ist insbesondere ein elektrischer Antriebsstrang des Fahrzeugs, eine Ladeelektronik für den Hochvoltspeicher, eine Leistungselektronik oder im Falle eines Hybridfahrzeugs z. B. ein Verbrennungsmotor.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Heizkreis zudem ein Zuheizer angeordnet, z. B. ein elektrischer Durchlauferhitzer, mittels welchem bedarfsweise zugeheizt wird, falls die von den Kondensatoren in den Heizkreis eingebrachte Wärme nicht ausreicht, um eine entsprechende Klimatisierungsanforderung hinreichend zu bedienen, hier insbesondere eine Heizanforderung bezüglich des Innenraums.
Zur Effizienzsteigerung weist eine Anzahl der Kältekreise, vorzugsweise jeder Kältekreis, vorteilhafterweise einen inneren Wärmetauscher auf.
Für die Anordnung der Kondensatoren relativ zum Kühlmittelkreislauf existieren mehrere Möglichkeiten, vorzugsweise sind die Kondensatoren jedoch im Heizkreis angeordnet und einer oder beide Kondensatoren dienen der Wärmezufuhr zum Heizungswärmetauscher. Dazu ist der Kondensator oder sind beide Kondensatoren im Heizkreis stromauf des Heizungswärmetauschers angeordnet. Falls keine Innenraumheizung notwendig ist und/oder falls im Heizkreis mehr Wärme vorhanden ist als zum Heizen benötigt wird, wird diese vorteilhafterweise über den Heizkreisrücklauf dem Kühlkreis zugeführt und letztendlich z. B. über den Kühler an die Umgebung abgegeben.
Auch für den Chiller existieren mehrere Anschlussmöglichkeiten, vorzugsweise ist der Chiller jedoch stromab der Wärmequelle und stromauf des Kühlers im Kühlkreis angeordnet, um Wärme der Wärmequelle effizient aufzunehmen, bevor diese dem Kühler zugeführt wird. Insbesondere ist der Chiller auch stromauf des Heizkreisrücklaufs angeordnet, d. h. parallel zum Heizkreis angeordnet, sodass bei Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den Heizkreis und die Wärmequelle auch der Chiller lediglich von einem Teil des Kühlmittels durchströmt wird, nämlich demjenigen Teil, welcher nicht zum Heizkreis geführt wird.
Die beiden Kondensatoren sind zweckmäßigerweise in räumlicher Nähe zueinander angeordnet, um den Heizkreis insgesamt möglichst kompakt zu gestalten. Im Detail ergeben sich dennoch mehrere geeignete Varianten hinsichtlich der Anordnung der Kondensatoren relativ zueinander.
In einer ersten geeigneten Variante sind die Kondensatoren zueinander parallel geschaltet und stromauf des Heizungswärmetauschers an den Heizkreis angeschlossen. Dabei ist der Heizkreis stromab des Heizkreisvorlaufs in zwei Kondensatorzweige aufgespalten, welche stromab der Kondensatoren und noch stromauf des Heizungswärmetauschers wieder zusammengeführt werden. Dies wird im Folgenden auch als echte Parallelschaltung bezeichnet, da hierbei beide Kondensatoren quasi gleichwertig verwendet werden und dem Heizungswärmetauscher das von beiden Kondensatoren möglicherweise erwärmte Kühlmittel zugeführt wird.
In einer zweiten geeigneten Variante ist einer der Kondensatoren stromauf des Heizungswärmetauschers an den Heizkreis angeschlossen und der andere Kondensator ist in einem HWT-Bypass, d. h. Heizungswärmetauscher-Bypass, angeschlossen, zur Umgehung des Heizungswärmetauschers. Dies wird auch als unechte Parallelschaltung bezeichnet, da hierbei die Kondensatoren nicht gleichartig verwendet werden, sondern das erwärmte Kühlmittel des einen Kondensators am Heizungswärmetauscher zunächst vorbeigeführt wird. Wie bei der echten Parallelschaltung ist der Heizkreis stromab des Heizkreisvorlaufs zunächst in zwei Kondensatorzweige aufgespalten, welche jedoch nunmehr nicht stromauf des Heizungswärmetauschers wieder zusammengeführt werden, sondern erst stromab desselben. Der Heizungswärmetauscher ist demnach gemeinsam mit einem der Kondensatoren in einem der Kondensatorzweige angeordnet, der andere Kondensator ist im HWT-Bypass angeordnet, d. h. insbesondere auch parallel zum Heizungswärmetauscher. Dies ist besonders sinnvoll, falls die beiden Kondensatoren nicht zeitgleich Wärme übertragen, z. B. in einem Betriebsmodus, bei welchem lediglich einer der Kältekreise aktiv ist und lediglich einer der Kondensatoren Wärme überträgt. Ein Teil des Kühlmittels strömt dann durch den HWT-Bypass und wird nicht erwärmt, ist also kaltes Kühlmittel, welches vorteilhaft am Heizungswärmetauscher vorbeigeführt wird, wodurch eine Temperaturreduzierung am Heizungswärmetauscher vorteilhaft vermieden wird.
Bei einem geschlossenen, d. h. vom Kühlkreis getrennten Heizkreis erfolgt insbesondere eine Kühlmittelrückführung, sodass dann auch Kühlmittel aus dem HWT-Bypass mittelbar dem Heizungswärmetauscher zugeführt wird. Ansonsten ist es bei der unechten Parallelschaltung jedoch prinzipiell möglich, Wärme über den HWT-Bypass am Heizungswärmetauscher vorbei und direkt zum Kühler zu führen.
In einer dritten geeigneten Variante sind die Kondensatoren hintereinandergeschaltet und stromauf des Heizungswärmetauschers an den Heizkreis angeschlossen, d. h. zueinander seriell angeordnet. Dies ist besonders dann sinnvoll, falls die beiden Kondensatoren nicht zeitgleich Wärme übertragen, z. B. in einem Betriebsmodus, bei welchem lediglich einer der Kältekreise aktiv ist und lediglich einer der Kondensatoren Wärme überträgt.
Generell muss von einer Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, insbesondere einer Heizkreispumpe, welche im Heizkreis angeordnet ist, im Vergleich zu einer Parallelschaltung nur ein Teil des Kühlmittelvolumenstroms, insbesondere der halbe Kühlmittelvolumenstrom, bereitgestellt werden, um beide Kondensatoren mit vergleichbaren Kühlmittelvolumenströmen zu beaufschlagen. Nachteilig wird bei der Serienschaltung die Leistung des nachgeschalteten Kondensators unter Umständen dadurch verringert, dass der zuerst durchströmte Kondensator, falls dieser aktiv ist, das Kühlmittel bereits erwärmt und dadurch die Kühlmitteleintrittstemperatur des nachgeschalteten Kondensators erhöht, was zu Leistungs- und Effizienznachteilen des entsprechenden Kältekreises führt.
In einer Variante wird das Wärmesystem mittels geeigneter Ventile je nach Bedarf zwischen einer Serien- und einer Parallelschaltung der Kondensatoren umgeschaltet.
Der Chiller ist in einer ersten geeigneten Ausgestaltung an den ersten Kältekreis angeschlossen und an den zweiten Kältekreis ist ein HVS-Verdampfer angeschlossen, zur Kühlung des Hochvoltspeichers. In dieser Ausgestaltung ist der Hochvoltspeicher demnach nicht kühlmittelgekühlt sondern kältemittelgekühlt. Der HVS-Verdampfer ist dabei insbesondere kein Chiller. Insbesondere erfüllen die Kältekreise in dieser Ausgestaltung also unterschiedliche Klimatisierungsaufgaben. Der erste Kältekreis dient demnach in einem Wärmepumpenbetrieb des Wärmesystems als Wärmepumpe zur Übertragung von Abwärme der Wärmequelle zum Heizungswärmetauscher mittels des Chillers und des ersten Kondensators und somit zur Innenraumbeheizung. Da auch der Klima-Verdampfer an den ersten Kältekreis angeschlossen ist, dient dieser auch der Innenraumkühlung und somit insgesamt der Innenraumklimatisierung als Klimatisierungsaufgabe. Demgegenüber dient der zweite Kältekreis vorrangig der Kühlung des Hochvoltspeichers, d. h. der HVS-Kühlung, insbesondere in einem HVS-Kühlbetrieb des Wärmesystems.
Im Falle einer Serienschaltung der Kondensatoren trägt dann auch der zweite Kältekreis zur Innenraumbeheizung bei, falls der HVS-Kühlbetrieb aktiv ist. Da erfahrungsgemäß zumindest bei niedrigen Außentemperaturen eine Kühlung des Hochvoltspeichers nicht dauerhaft notwendig ist, wird der zweite Kondensator beim kältemittelgekühlten Hochvoltspeicher zweckmäßigerweise im Rahmen einer unechten Parallelschaltung im HWT-Bypass angeordnet. Dadurch ist eine permanente Innenraumbeheizung über die Wärmepumpe möglich und zweckmäßigerweise in einem Wärmepumpenbetrieb auch realisiert, ohne eine Absenkung der Vorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers über den bei inaktivem HVS-Kühlbetrieb entsprechend inaktiven Kondensator.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Ausgestaltung mit dem kältemittelgekühlten Hochvoltspeicher ist zur verbesserten Kühlung desselben ein zusätzlicher HVS-Verdampfer angeordnet, welcher an den ersten Kältekreis angeschlossen ist, sodass der Hochvoltspeicher an beide Kältekreise angeschlossen ist. Die Klimatisierungsaufgabe der HVS-Kühlung wird dann von beiden Kältekreisen wahrgenommen, die jedoch nicht zwingend gleichzeitig aktiv sein müssen, sondern vielmehr im Rahmen einer bedarfsangepassten Klimatisierung je nach Bedarf kombiniert werden. Bei einer unechten Parallelschaltung der Kondensatoren ist der erste Kältekreis mit dem Chiller vorteilhafterweise stromauf des Heizungswärmetauschers angeordnet, da dieser vorrangig die Innenraumheizung übernimmt.
In einer zweiten geeigneten Ausgestaltung ist der Chiller an den zweiten Kältekreis angeschlossen und der Kühlmittelkreislauf weist einen HVS-Kreis auf, an welchen der Hochvoltspeicher und der Chiller angeschlossen sind, wobei der Chiller stromab des Hochvoltspeichers angeordnet ist. Gegenüber der oben genannten ersten Ausgestaltung ist der Hochvoltspeicher in dieser zweiten Ausgestaltung nunmehr kühlmittelgekühlt und mittels eines geeigneten Wärmetauschers an den Kühlmittelkreislauf thermisch angeschlossen. Der Chiller dient dann zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers in den zweiten Kältekreis und ist dazu zweckmäßigerweise im HVS-Kreis angeordnet.
Der HVS-Kreis ist vorzugsweise gemeinsam mit dem Kühlkreis und dem Heizkreis in den Kühlmittelkreislauf integriert. Mittels geeigneter Verschaltung, z. B. mittels entsprechender Ventile, ist der HVS-Kreis getrennt betreibbar, insbesondere in einem HVS-Kühlbetrieb, in welchem dann Kühlmittel im HVS-Kreis zirkuliert, jedoch nicht mit den anderen Kreisen ausgetauscht wird. Über den Chiller wird dann Wärme aus dem HVS-Kreis abgeführt und z. B. bei Bedarf zur Innenraumheizung verwendet.
Der HVS-Kreis ist zudem zweckmäßigerweise parallel zum Heizkreis und auch parallel zur Wärmequelle geschaltet, d. h. der Kühlmittelstrom stromab des Kühlers ist in drei Teile aufteilbar, nämlich einen Teil in Richtung Heizkreis, einen Teil in Richtung HVS-Kreis und einen Teil in Richtung der Wärmequelle. Der HVS-Kreis ist hierzu über einen HVS-Vorlauf und einen HVS-Rücklauf an den Kühlkreis angeschlossen. Bevorzugterweise ist der Chiller nun sowohl stromab des Hochvoltspeichers als auch stromab der Wärmequelle angeordnet, um bedarfsweise Abwärme des Hochvoltspeichers und/oder der Wärmequelle über den zweiten Kältekreis abzuführen. Insbesondere bei einer Anordnung des Chillers im HVS-Kreis sind dieser und der Kühlkreis zweckmäßigerweise über eine zusätzliche Querverbindung verbunden, durch welche auch eine Umleitung von Kühlmittel sowohl vom Hochvoltspeicher als auch von der Wärmequelle und unter Umgehung des Chillers realisiert ist.
In einer dritten geeigneten Ausgestaltung ist an jeden der Kältekreise jeweils ein Chiller angeschlossen, nämlich ein erster Chiller an den ersten Kältekreis und ein zweiter Chiller an den zweiten Kältekreis, und der Kühlmittelkreislauf weist einen HVS-Kreis auf, an welchen der Hochvoltspeicher und die beiden Chiller angeschlossen sind, wobei die beiden Chiller jeweils stromab des Hochvoltspeichers angeordnet sind. Durch die Verwendung mehrerer Chiller ist eine besonders flexible und effiziente Wärmeverteilung mittels des Wärmesystems realisiert. Wie auch bei den zwei Kondensatoren, so ergeben sich auch für die zwei Chiller dann entsprechend verschiedene Verschaltungsmöglichkeiten zueinander. Bevorzugte Varianten ergeben sich insbesondere analog zu den oben im Zusammenhang mit den Kondensatoren genannten Varianten. Insbesondere sind auch die Chiller zweckmäßigerweise in räumlicher Nähe zueinander angeordnet und bevorzugterweise beide im HVS-Kreis angeordnet.
In einer ersten vorteilhaften Variante sind somit die beiden Chiller hintereinandergeschaltet, d. h. in Serie geschaltet. Die Vorteile, insbesondere bezüglich des Volumenstroms, ergeben sich sinngemäß aus den obigen Ausführungen hinsichtlich der Kondensatoren.
In einer zweiten vorteilhaften Variante sind die beiden Chiller zueinander parallel geschaltet. Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass die Chiller kühlmittelseitig die gleiche Vorlauftemperatur aufweisen und somit auch einen besseren Wärmeübergang aufweisen.
Die vorgenannte Parallelschaltung ist insbesondere eine echte Parallelschaltung, bei welcher der HVS-Kreis stromab des Hochvoltspeichers in zwei Chillerzweige aufgespalten wird, welche stromab der Chiller und insbesondere noch stromauf des HVS-Rücklaufs wieder zusammengeführt werden. Demgegenüber ist in einer dritten geeigneten Variante eine unechte Parallelschaltung realisiert, bei welcher einer der Chiller, insbesondere der erste Chiller, sowohl stromab des Hochvoltspeichers als auch stromab der Wärmequelle angeordnet ist und der andere Chiller, insbesondere der zweite Chiller, stromab des Hochvoltspeichers und parallel zur Wärmequelle angeordnet ist.
Diese unechte Parallelschaltung wird zweckmäßigerweise durch eine Absperrvorrichtung, vorzugsweise ein Rückschlagventil realisiert, welches im HVS-Kreis stromab des Hochvoltspeichers angeordnet ist. Dabei ist die Absperrvorrichtung lediglich auf einem der beiden Chillerzweige positioniert, sodass der andere Chillerzweig ein Bypass für das Rückschlagventil ist und lediglich einer der Chiller vom Kühlmittel der Wärmequelle durchströmt wird, deren Abwärme dann in den zugehörigen Kältekreis übertragen wird. Der andere Chiller kann dann nicht mehr von Kühlmittel durchströmt werden, welches von der Wärmequelle und insbesondere über die Querverbindung zum HVS-Kreis strömt, wobei die Querverbindung stromab der Absperrvorrichtung und stromauf des ersten Chillers an den HVS-Kreis angeschlossen ist. Dieser Chiller dient somit lediglich zur Wärmeabfuhr vom Hochvoltspeicher.
Vorzugsweise ist der zweite Chiller parallel zur Absperrvorrichtung angeordnet und der erste Chiller stromab derselben. Die Kühlung des Hochvoltspeichers ist dann eine Klimatisierungsaufgabe beider Kältekreise, die Kühlung der Wärmequelle ist jedoch lediglich eine Klimatisierungsaufgabe des ersten Kältekreises. Wird keine oder lediglich eine geringe Kühlung des Hochvoltspeichers benötigt, wird der zweite Kältekreis in einer zweckmäßigen Ausgestaltung deaktiviert und ausschließlich der erste Kältekreis verwendet, welcher insbesondere sämtliche Klimatisierungsaufgaben wahrnimmt. Bei erhöhtem Kühlbedarf im HVS-Kreis wird der zweite Kältekreis hinzugeschaltet.
Das beschriebene Wärmesystem ist besonders geeignet für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher, zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs. Das Wärmesystem ist dann vorteilhaft sowohl zur Innenraumklimatisierung als auch zur Klimatisierung des Hochvoltspeichers ausgebildet und weist zumindest zwei Kältekreise auf, welche voneinander hydraulisch getrennt sind, sowie einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, welcher mit den Kältekreisen thermisch gekoppelt ist, zum Wärmeaustausch mit diesen Kältekreisen.
Das Fahrzeug weist in einer bevorzugten Ausgestaltung mehrere Betriebszustände auf, nämlich zumindest einen Normalbetriebszustand und einen Sonderbetriebszustand, wobei in letzterem eine höhere Klimatisierungsanforderung vorliegt, z. B. eine höhere Kühlanforderung hinsichtlich des Hochvoltspeichers. Insbesondere weist das Fahrzeug als einen Sonderbetriebszustand einen Fahrbetrieb mit hoher Geschwindigkeit auf oder einen Schnellladebetrieb, zum schnellen Laden des Hochvoltspeichers.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb des beschriebenen Wärmesystems ist jedem der Kältekreise eine Anzahl von Klimatisierungsaufgaben mit jeweils einer Klimatisierungsanforderung zugewiesen und die Kältekreise werden unabhängig voneinander insbesondere mittels einer Steuereinheit aktiviert oder deaktiviert, um die jeweilige Klimatisierungsanforderung zu bedienen. Eine Klimatisierungsaufgabe besteht insbesondere im Beheizen und oder Kühlen einer Komponenten, welche an das Wärmesystem zum Wärmeaustausch angeschlossen ist. Beispiele für Klimatisierungsaufgaben sind Innenraumbeheizung, Innenraumkühlung, HVS-Kühlung, ggf. HVS-Heizung, oder Kühlung der Wärmequelle. Eine Klimatisierungsanforderung ist dann die konkrete Anforderung einer bestimmten Leistung zur Erfüllung der entsprechenden Klimatisierungsaufgabe.
Die Klimatisierungsanforderung wird insbesondere durch die Steuereinheit bestimmt und vorgegeben, welche auch als Controller bezeichnet wird. Die Steuereinheit ist beispielsweise ein Teil des Wärmesystems oder alternativ ein Teil eines Bordcomputers des Fahrzeugs. Mittels der Steuereinheit wird ein jeweiliger der Kältekreise des Wärmesystems bedarfsweise aktiviert, falls eine Klimatisierungsanforderung vorliegt, welche zur Klimatisierungsaufgabe des jeweiligen Kältekreises gebört. Dabei ist einem bestimmten Kältekreis entweder lediglich eine Klimatisierungsaufgabe zugeordnet oder diesem sind mehrere Klimatisierungsaufgaben zugeordnet, sodass dessen Klimatisierungsleistung insbesondere auch zeitgleich zur Bedienung mehrerer Klimatisierungsanforderungen verwendet wird. Umgekehrt wird eine bestimmte Klimatisierungsaufgabe entweder von lediglich einem der Kältekreise bedient oder von mehreren Kältekreisen.
Die in einem konkreten Fall bevorzugte Zuordnung hängt dabei insbesondere von der konkreten Verschaltung des Wärmesystems ab, von dessen Betriebsmodi und/oder von den möglichen Betriebszuständen des Fahrzeugs. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind dann zwei Kältekreise vorhanden, von denen der eine Kältekreis grundsätzlich bei allen anfallenden Klimatisierungsaufgaben aktiviert wird, wobei der andere Kältekreis lediglich z. B. zur Kühlung des Hochvoltspeichers dient und lediglich dann zusätzlich aktiviert wird, falls die zur Kühlung benötigte Klimatisierungsleistung nicht alleinig von dem einen Kältekreis aufgebracht werden kann. Der andere Kältekreis wird hier sozusagen als Hilfsaggregat verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist demgegenüber eine Arbeitsteilung verwirklicht, bei welcher jedem der Kältekreise zumindest eine Klimatisierungsaufgabe zugeordnet ist, die keinem anderen der Kältekreise zugeordnet ist. Als Abwandlung des oben genannten Beispiels wird der Hochvoltspeicher beispielsweise lediglich durch den anderen Kältekreis gekühlt und nicht von beiden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
1 bis 7 einen Kühlmittelkreislauf jeweils einer Variante eines Wärmesystems,
8a, b einen ersten bzw. zweiten Kältekreis für ein Wärmesystem gemäß den 1 und 2,
9a, b einen ersten bzw. zweiten Kältekreis für ein Wärmesystem gemäß 3, und
10a, b einen ersten bzw. zweiten Kältekreis für ein Wärmesystem gemäß den 4 bis 7.
In den 1 bis 7 ist jeweils in bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Wärmesystems 2 für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug dargestellt. In den genannten Figuren ist zunächst lediglich ein Kühlmittelkreislauf 4 gezeigt sowie ausgewählte Komponenten zugehöriger Kältekreise 6a, 6b, während bevorzugte Varianten für einen ersten Kältekreis 6a und einen zweiten Kältekreis 6b des Wärmesystems 2 in den übrigen 8a bis 10b gezeigt sind. So zeigen die 8a, 8b, zwei Kältekreis 6a, 6b für die Wärmesysteme 2 gemäß den 1 und 2, die 9a, 9b zwei Kältekreise 6a, 6b für das Wärmesystem 2 gemäß 3 und die 10a, 10b, zwei Kältekreis 6a, 6b für die Wärmesysteme 2 gemäß den 4 bis 7.
Sämtliche gezeigte Varianten des Wärmesystems 2 dienen zur Klimatisierung diverser Komponenten des Fahrzeugs, welche über geeignete Wärmetauscher an das Wärmesystem 2 thermisch angeschlossen sind, um Wärme abzugeben oder aufzunehmen.
Das Fahrzeug ist ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher 8, welcher zwecks Klimatisierung in den 1 und 2 mittels jeweils einem HVS-Verdampfer 8a, 8b an jeweils einen der Kältekreise 6a, 6b angeschlossen ist, d. h. kältemittelgekühlt ist. In den 3 bis 7 ist der Hochvoltspeicher 8 dagegen an den Kühlmittelkreislauf 4 angeschlossen, d. h. kühlmittelgekühlt, und dazu zunächst an einen HVS-Kreis 10 angeschlossen, welcher dann ein Teil des Kühlmittelkreislaufs 4 ist und in der Ausführungsvariante gemäß 1 nicht vorhanden 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 in allen Varianten 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 Heizkreis 14 und ggf. zum HVS-Kreis 10 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 elektrischer Antriebsstrang oder eine Lade- oder Leistungselektronik des Fahrzeugs. Zur Kühlmittelumwälzung ist im Kühlkreis 22 eine Kühlkreispumpe 28 angeordnet.
In den 1 bis 3 ist an den Kühlmittelkreislauf 4 weiterhin lediglich ein Chiller 30 angeschlossen sowie ein erster Kondensator 32a und ein zweiter Kondensator 32b. in den Varianten der 4 bis 7 sind dagegen ein erster Chiller 30a und ein zweiter Chiller 30b angeordnet. Ein jeweiliger Chiller 30, 30a, 30b wirkt im Kältekreis 6 als Verdampfer und dient insgesamt zur Übertragung von Wärme vom Kühlmittelkreislauf 4 in den jeweiligen Kältekreis 6a, 6b, an welchen der Chiller 30, 30a, 30b angeschlossen ist. Ein jeweiliger der Kondensatoren 32a, 32b dient dann der Übertragung von Wärme vom entsprechenden Kältekreis 6a, 6b in den Kühlmittelkreislauf 4. in den 4 bis 7 ist der Chiller 30, 30a, 30b ist im HVS-Kreis 10 grundsätzlich stromab des Hochvoltspeichers 8 angeschlossen, in den 1 bis 3 ist der Chiller 30 stromab der Wärmequelle 26 angeschlossen. Die Kondensatoren 32a, 32b sind im Heizkreis 14 angeschlossen.
Der erste Kältekreis 6a weist in allen Varianten weiterhin einen Klima-Verdampfer 34 auf, welcher 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 sowie einem jeweiligen Chiller 30, 30a, 30b ist jeweils ein nicht näher bezeichnetes Expansionsorgan vorgeschaltet. Weiterhin weist jeder Kältekreis 6a, 6b jeweils einen Verdichter 36a, 36b auf, zur Verdichtung des Kältemittels vor Eintritt in den jeweiligen Kondensator 32a, 32b. In der hier gezeigten Ausführungsform ist in den Kältekreisen 6a, 6b zudem zur Effizienzsteigerung und Leistungssteigerung jeweils ein innerer Wärmetauscher 38a, 38b integriert.
Die diversen Kreise 10, 14, 22 des Kühlmittelkreislaufs 4 sind in den gezeigten Varianten miteinander hydraulisch gekoppelt und mittels nicht näher bezeichneter Ventile absperrbar und dann separat betreibbar, je nach Betriebsmodus. Ein besonderer Aspekt der gezeigten Verschaltung ist in den 4 bis 7 die Querverbindung 40 zwischen dem HVS-Kreis 10 und dem Kühlkreis 22. Desweiteren ist in den 4 bis 7 stromab des Hochvoltspeichers 8 eine Absperrvorrichtung 42 in Form eines Rückschlagventils angeordnet, um ein Rückströmen von Kühlmittel, welches von der Wärmequelle 26 in Richtung des Chillers 30 oder der Chiller 30a, 30b strömt, im HVS-Kreis 10 zu verhindern. Bezüglich dieser Aspekte sowie hinsichtlich der in den Figuren nicht näher bezeichneten Ventile und Leitungen sowie deren Funktion und auch hinsichtlich der hier nicht näher ausgeführten Betriebsmodi des Wärmesystems 2 wird auf die eingangs erwähnte deutsche Anmeldung 10 2015 220 623.8 verwiesen.
Ein Kerngedanke aller gezeigten Varianten ist insbesondere, mehrere Kältekreise 6a, 6b zu verwenden, um gegenüber einem einzelnen Kältekreis eine höhere Klimatisierungsleistung zu erzielen ohne einen größeren Verdichter verwenden zu müssen. Die beiden Kältekreise 6a, 6b sind dabei voneinander getrennt und unabhängig voneinander betreibbar. Die beiden Kältekreise 6a, 6b können daher verschiedene Klimatisierungsaufgaben wahrnehmen und/oder gemeinsam eine Klimatisierungsaufgabe mit entsprechend hoher Leistungsanforderung bedienen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Anordnung der Kondensatoren 32a, 32b und der Chiller 30, 30a, 30b im Kühlmittelkreislauf, insbesondere die Anordnung der Kondensatoren 32a, 32b relativ zueinander sowie die Anordnung der Chiller 30a, 30b relativ zueinander. Hierzu zeigen die 1 bis 7 diverse bevorzugte Varianten, deren wesentliche Merkmale und Unterschiede zueinander im Folgenden beschrieben werden. Weitere bevorzugte Varianten ergeben sich außerdem aus der Kombination dieser Varianten.
Die Varianten der 1 und 2 unterscheiden sich lediglich in der Anordnung der beiden Kondensatoren 32a, 32b relativ zueinander. 1 zeigt eine Serienschaltung, bei welcher die Kondensatoren 32a, 32b hintereinander geschaltet sind. Dies ist besonders sinnvoll, falls die beiden Kondensatoren 32a, 32b nicht zeitgleich Wärme übertragen, z. B. in einem Betriebsmodus, bei welchem lediglich einer der Kältekreise 6a, 6b aktiv ist und lediglich einer der Kondensatoren 32a, 32b Wärme überträgt und damit die gegenseitige nachteilige Beeinflussung hinsichtlich der Kühlmittelvorlauftemperatur entfällt.
Generell muss von der Heizkreispumpe 12 im Vergleich zu einer Parallelschaltung nur der halbe Kühlmittelvolumenstrom bereitgestellt werden, um beide Kondensatoren 32a, 32b mit vergleichbaren Kühlmittelvolumenströmen zu beaufschlagen.
In 2 sind die Kondensatoren 32a, 32b dagegen parallel zueinander geschaltet, wobei einer der Kondensatoren 32a, 32b, hier der zweite Kondensator 32b auf einem HWT-Bypass 44 angeordnet ist, welcher das Kühlmittel erst stromab des Heizungswärmetauschers 16 wieder zuführt. Aufgrund dieser Umgehung des Heizungswärmetauschers 16 wird die in 2 gezeigte Parallelschaltung auch als unechte Parallelschaltung bezeichnet, da die über den zweiten Kondensator 32b in den Heizkreis 14 eingebrachte Wärme nicht unmittelbar zur Innenraumbeheizung zur Verfügung steht. Erst durch Absperren des Heizkreises 14 und Rückführen des Kühlmittels ist es möglich, diese Wärme zumindest mittelbar dem Heizungswärmetauscher 16 zuzuführen. Ein Vorteil einer Parallelschaltung ist allgemein, dass beim gleichzeitigen Betrieb der Kältekreise 6a, 6b beide Kondensatoren 32a, 32b die gleiche, möglichst niedrige, Vorlauftemperatur aufweisen und so möglichst effizient und leistungsstark betrieben werden. Ein Vorteil speziell der hier gezeigten unechten Parallelschaltung ist dann, dass auch bei inaktivem zweiten Kältekreis 6b weiterhin eine optimale Innenraumbeheizung gewährleistet ist, da das nicht erwärmte Kühlmittel stromab des zweiten Kondensators 32b gerade nicht stromauf des Heizungswärmetauschers 16 schon zugemischt wird.
Die 8a, b zeigen einen ersten bzw. zweiten Kältekreis 6a, 6b für die Varianten der 1 und 2. Deutlich wird hierbei die Arbeitsteilung der Kältekreis 6a, 6b, welche diverse Klimatisierungsaufgaben wahrnehmen. So erfolgt eine Innenraumkühlung ausschließlich mittels des ersten Kältekreises 6a, an welchen der Klima-Verdampfer 34 angeschlossen ist. Auch eine Innenraumbeheizung ist bei deaktivierter Kühlung des Hochvoltspeichers 8, d. h. bei ausbleibender HVS-Kühlung lediglich über den ersten Kältekreis 6a realisiert, nämlich durch einen Wärmepumpenbetrieb unter Verwendung des Chillers 30 und des ersten Kondensators 32a. Bei aktivierter HVS-Kühlung steht jedoch auch Abwärme des Hochvoltspeichers 8 zur Verfügung. Je nachdem wie stark dieser gekühlt werden soll wird entweder lediglich einer der Kältekreise 6a, 6b oder werden beide Kältekreise 6a, 6b aktiviert. Entsprechend kann die Klimatisierungsaufgabe der HVS-Kühlung von beiden Kältekreisen 6a, 6b wahrgenommen werden.
3 zeigt ebenfalls eine Variante mit lediglich einem Chiller 30, allerdings mit kühlmittelgekühltem Hochvoltspeicher 8, welcher über einen HVS-Kreis 10 in den Kühlmittelkreislauf 4 integriert ist. Der Chiller 30 ist im HVS-Kreis 10 angeordnet und kann in der hier gezeigten speziellen Verschaltung sowohl zur Wärmeabfuhr vom Hochvoltspeicher 8 als auch von der Wärmequelle 26 verwendet werden. Dies gilt grundsätzlich auch für die übrigen Varianten der 4 bis 7 und dort zumindest für den ersten Chiller 30a.
In Kombination mit den Kältekreisen 6a, 6b der 9a, b wird deutlich, dass in der Variante der 3 eine Arbeitsteilung der Kältekreise 6a, 6b verwirklicht ist. So wird der erste Kältekreis 6a lediglich zur Innenraumkühlung verwendet, wobei bedarfsweise Wärme über den ersten Kondensator 32a wieder zurückgeführt werden kann, z. B. im Rahmen eines Entfeuchtungsbetriebes. Der zweite Kältekreis 6b wird dagegen zur Kühlung des Hochvoltspeichers 8 und oder der Wärmequelle 26 verwendet und ermöglicht in einem Wärmepumpenbetrieb eine Übertragung der Abwärme dieser Komponenten über den Chiller 30 in den Heizkreis 22, zwecks Innenraumbeheizung.
In 3 sind die Kondensatoren 32a, 32b in einer Serienschaltung gezeigt. Geeignet ist jedoch auch eine unechte Parallelschaltung gemäß 2, wobei dann jedoch entgegen der Darstellung in 2 zweckmäßigerweise der erste Kondensator 32a auf dem HWT-Bypass 44 angeordnet ist und nicht wie in 2 der zweite Kondensator 32b.
Die 4 bis 7 zeigen nun Varianten des Wärmesystems 2, bei welchen jeweils zwei Chiller 30a, 30b vorhanden sind, nämlich ein erster Chiller 30a, welcher an den ersten Kältekreis 6a angeschlossen ist und ein zweiter Chiller 30b, welcher an den zweiten Kältekreis 6b angeschlossen ist. Geeignete Kältekreise 6a, 6b für diese Varianten sind in den 10a bzw. 10b gezeigt. Eine unterschiedliche Verteilung der Klimatisierungsaufgaben ergibt sich bei gleichen Kältekreisen 6a, 6b ausschließlich aufgrund der Anordnung der Kondensatoren 32a, 32b und der Chiller 30a, 30b im Kühlmittelkreislauf 4. Dabei ist in allen Varianten der Klima-Verdampfer 34 an den ersten Kältekreis 6a angeschlossen, welcher entsprechend zur Innenraumkühlung dient.
In 4 ist eine einfache Leistungsskalierung gezeigt, indem die Kondensatoren 32a, 32b und die Chiller 30a, 30b jeweils hintereinandergeschaltet sind. Beim aktiven ersten Kältekreis 6a wird dann durch Hinzuschalten des zweiten Kältekreises 6b eine Leistungssteigerung realisiert. Ähnlich ist dies in 5, welche die Kondensatoren 32a, 32b und die Chiller 30a, 30b jeweils in einer echten Parallelschaltung zeigt. Eine unechte Parallelschaltung der Kondensatoren 32a, 32b ist hier nicht notwendig, da die beiden Chiller 30a, 30b in 5 gleichwertig verwendet werden, d. h. der von der Wärmequelle 26 kommende Kühlmittelstrom erreicht beide Chiller 30a, 30b, im Gegensatz zu den Varianten der 6 und 7. In einer nicht gezeigten Variante sind die Serien- und Parallelschaltungen der 4 und 5 kombiniert und die Chiller 30a, 30b hintereinandergeschaltet und die Kondensatoren 32a, 32b parallel oder umgekehrt.
Die Varianten der 6 und 7 unterscheiden sich hinsichtlich der Positionierung des zweiten Chillers 30b, mit entsprechenden Konsequenzen für den zweiten Kondensator 32b. Wesentlich ist hierbei die Positionierung relativ zu der Absperrvorrichtung 42, welche zu einer nichtgleichwertigen Verwendung der beiden Chiller 30a, 30b führt.
In 6 sind die Kondensatoren 32a, 32b sowie die Chiller 30a, 30b jeweils in Serie geschaltet. Gegenüber der Variante in 4 ist in 6 allerdings der zweite Chiller 30b stromauf und nicht stromab der Absperrvorrichtung 42 angeordnet, sodass der zweite Chiller 30b nicht zur Wärmeabfuhr von der Wärmequelle 26 verwendet wird, sondern lediglich zur Kühlung des Hochvoltspeichers 8. Insofern erfolgt ein Arbeitsteilung der beiden Kältekreise 6a, 6b derart, dass der zweite Kältekreis 6b lediglich zur Kühlung oder zur verstärkten Kühlung des Hochvoltspeichers 8 aktiviert wird. In einer nicht gezeigten Variante sind die Kondensatoren 32a und 32b analog 7 unecht parallel angeordnet.
Das im Zusammenhang mit 6 Gesagte gilt sinngemäß auch für die Variante der 7, bei welcher die Kondensatoren 32a, 32b in einer unechten Parallelschaltung angeordnet sind und Chiller 30a, 30b ebenfalls, wobei sich für letztere die unechte Parallelschaltung dadurch ergibt, dass der Kühlmittelstrom stromab des Hochvoltspeichers 8 bereits vor der Absperrvorrichtung 42 auf die beiden Chiller 30a, 30b aufgeteilt wird, wodurch diese im HVS-Kreis 10 zwar parallel zueinander geschaltet sind, bezüglich der Wärmequelle 26 jedoch nicht gleichwertig verwendet werden. In einer nicht gezeigten Variante sind die Kondensatoren 32a und 32b analog 6 seriell angeordnet.
In nicht gezeigten Weiterbildungen werden die gezeigten Varianten durch Hinzufügen eines oder mehrerer Kältekreise weitergebildet. Ein weiterer Kondensator wird dann zweckmäßigerweise ebenfalls im Heizkreis 22 und parallel und/oder seriell zu den beiden Kondensatoren 32a, 32b verbaut. Analoges gilt für einen ggf. zusätzlich angeordneten Chiller.
Bezugszeichenliste

2: Wärmesystem
4: Kühlmittelkreislauf
6a: erster Kältekreis
6b: zweiter Kältekreis
8: Hochvoltspeicher
8a, 8b: HVS-Verdampfer
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
30a: erster Chiller
30b: zweiter Chiller
32a: erster Kondensator
32b: zweiter Kondensator
34: Klima-Verdampfer
36a, 36b: Verdichter
38a, 38b: innerer Wärmetauscher
40: Querverbindung
42: Absperrvorrichtung
44: HWT-Bypass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015220623 [0002, 0015, 0057]

Claims

Wärmesystem (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, an welches ein Hochvoltspeicher (8) angeschlossen ist und welches einen ersten Kältekreis (6a) aufweist und einen Kühlmittelkreislauf (4), mit einem Heizkreis (14), an welchen ein Heizungswärmetauscher (16) angeschlossen ist, zur Innenraumklimatisierung, und mit einem Kühlkreis (22), an welchen ein Kühler (24) und eine Wärmequelle (26) angeschlossen sind, wobei der erste Kältekreis (6a) einen Klima-Verdampfer (34) aufweist, zur Innenraumklimatisierung, sowie einen ersten Kondensator (32a), mittels dessen der erste Kältekreis (6a) mit dem Kühlmittelkreislauf (4) thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem ersten Kältekreis (6a), dadurch gekennzeichnet, dass ein separater, zweiter Kältekreis (6b) angeordnet ist, welcher vom ersten Kältekreis (6a) hydraulisch getrennt ist, welcher einen zweiten Kondensator (32b) aufweist und welcher mittels dem zweiten Kondensator (32b) mit dem Kühlmittelkreislauf (4) thermisch gekoppelt ist, zur Wärmeabfuhr aus dem zweiten Kältekreis (6b), und dass zumindest einer der Kältekreise (6a, 6b) einen Chiller (30, 30a, 30b) aufweist, zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittelkreislauf (4).
Wärmesystem (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (32a, 32b) zueinander parallel geschaltet sind und stromauf des Heizungswärmetauschers (16) an den Heizkreis (14) angeschlossen sind.
Wärmesystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Kondensatoren (32a, 32b) stromauf des Heizungswärmetauschers (16) an den Heizkreis (14) angeschlossen ist und dass der andere Kondensator (32a, 32b) in einem HWT-Bypass (44) angeschlossen ist, zur Umgehung des Heizungswärmetauschers (16).
Wärmesystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (32a, 32b) hintereinandergeschaltet sind und stromauf des Heizungswärmetauschers (16) an den Heizkreis (14) angeschlossen sind.
Wärmesystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Chiller (30, 30a, 30b) an den ersten Kältekreis (6a) angeschlossen ist, und dass an den zweiten Kältekreis (6b) ein HVS-Verdampfer (8b) angeschlossen ist, zur Kühlung des Hochvoltspeichers (8).
Wärmesystem (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher HVS-Verdampfer (8a) angeordnet ist, welcher an den ersten Kältekreis (6a) angeschlossen ist, sodass der Hochvoltspeicher (8) an beide Kältekreise (6a, 6b) angeschlossen ist.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chiller (30, 30a, 30b) an den zweiten Kältekreis (6b) angeschlossen ist und dass der Kühlmittelkreislauf (4) einen HVS-Kreis (10) aufweist, an welchen der Hochvoltspeicher (8) und der Chiller (30, 30a, 30b) angeschlossen sind, wobei der Chiller (30, 30a, 30b) stromab des Hochvoltspeichers (8) angeordnet ist.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden der Kältekreise (6a, 6b) jeweils ein Chiller (30a, 30b) angeschlossen ist, nämlich ein erster Chiller (30a) an den ersten Kältekreis (6a) und ein zweiter Chiller (30b) an den zweiten Kältekreis (6b), und dass der Kühlmittelkreislauf (4) einen HVS-Kreis (10) aufweist, an welchen der Hochvoltspeicher (8) und die Chiller (30a, 30b) angeschlossen sind, wobei die Chiller (30a, 30b) stromab des Hochvoltspeichers (8) angeordnet sind.
Wärmesystem (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Chiller (30a, 30b) hintereinandergeschaltet sind.
Wärmesystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Chiller (30a, 30b) zueinander parallel geschaltet sind.
Wärmesystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Chiller (30a, 30b) sowohl stromab des Hochvoltspeichers (8) als auch stromab der Wärmequelle (26) angeordnet ist und der andere Chiller (30a, 30b) stromab des Hochvoltspeichers (8) und parallel zur Wärmequelle (26).
Wärmesystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den beiden Kältekreisen (6a, 6b) zumindest ein weiterer, separater Kältekreis (6a, 6b) angeordnet ist, welcher von den beiden Kältekreisen (6a, 6b) getrennt ist und welcher mittels eines weiteren Kondensators (32a, 32b) mit dem Kühlmittelkreislauf (4) thermisch verbunden ist.
Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Hochvoltspeicher (8), zur Energieversorgung eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs, und mit einem Wärmesystem (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmesystem (2) sowohl zur Innenraumklimatisierung als auch zur Klimatisierung des Hochvoltspeichers (8) ausgebildet ist und zumindest zwei Kältekreise (6a, 6b) aufweist, welche voneinander hydraulisch getrennt sind, sowie einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf (4), welcher mit den Kältekreisen (6a, 6b) thermisch gekoppelt ist, zum Wärmeaustausch mit diesen.
Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem jedem der Kältekreise (6a, 6b) eine Anzahl von Klimatisierungsaufgaben mit jeweils einer Klimatisierungsanforderung zugewiesen ist und bei welchem die Kältekreise (6a, 6b) insbesondere mittels einer Steuereinheit unabhängig voneinander aktiviert oder deaktiviert werden, um die jeweilige Klimatisierungsanforderung zu bedienen.