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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungseinrichtung für ein Elektrofahrzeug sowie ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungseinrichtung.
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In Elektrofahrzeugen, also in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wird die zum Antreiben des Elektromotors vorhandene, wiederaufladbare Batterie dazu herangezogen, verschiedene Nebenaggregate, also elektrische Verbraucher, mit elektrischer Energie zu versorgen. Da in Elektrofahrzeugen zum Beheizen des Fahrzeuginnenraum keine von einer Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme zur Verfügung steht, ist eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung erforderlich, die ihre zum Betrieb erforderliche elektrische Heizleistung ebenfalls aus der Batterie des Elektrofahrzeug bezieht. Diese elektrische Energie steht aber nicht mehr zum Antreiben des Elektromotors zur Verfügung, was die Reichweite des Elektrofahrzeug in nicht unerheblichem Maße verringern kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abwärmenutzungseinrichtung für ein Elektrofahrzeug zu schaffen, bei welchem vorangehend erläutertes Problem nicht mehr oder nur mehr in stark eingeschränktem Maße auftritt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Abwärmenutzungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge neue Wege aufzuzeigen.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die im Elektrofahrzeug vorhandenen Kühlkreisläufe zum Kühlen der Batterie und des Elektromotors zusammen mit einem im Elektrofahrzeug vorhandenen Klimatisierungskreislauf zum Temperieren des Fahrzeuginnenraum derart in eine Abwärmenutzungseinrichtung zu integrieren, dass die von der Batterie und/oder vom Elektromotor erzeugte Abwärme dazu genutzt werden kann, im Bedarfsfall den Fahrzeuginnenraum aufzuheizen, aber auch auf effektive Weise in die Umgebung des Elektrofahrzeug abgeführt werden kann. Für den Fall, dass die Abwärme aus dem Elektromotor und/oder der Batterie zum Beheizen des Fahrzeuginnenraum verwendet werden soll, kann die erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung, dem Wirkprinzip einer Wärmepumpe folgend, Wärme aus einem der beiden Kühlkreisläufe bereitstellen.
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Eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung für ein Elektrofahrzeug, welches einen Elektromotor zum Antreiben des Elektrofahrzeugs und eine Batterie zum Versorgen des Elektromotors mit elektrischer Energie umfasst, weist einen ersten Kühlkreislauf auf. Der erste Kühlkreislauf dient zum Kühlen des Elektromotors. Im ersten Kühlkreislauf zirkuliert im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung ein erstes Kühlmittel. Im ersten Kühlkreislauf sind der zu kühlende Elektromotor, ein erster direkter Wärmeübertrager zum Abführen von Wärme vom ersten Kühlmittel in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung, und eine erste Fördereinrichtung zum Antreiben des ersten Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf angeordnet.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung einen zweiten Kühlkreislauf zum Kühlen der Batterie. Im zweiten Kühlkreislauf zirkuliert im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung ein zweites Kühlmittel. Im zweiten Kühlkreislauf sind die zu kühlende Batterie und eine zweite Fördereinrichtung zum Antreiben des zweiten Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf angeordnet. Außerdem umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung einen Klimatisierungskreislauf zum Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraums des Elektrofahrzeugs. Im Klimatisierungskreislauf zirkuliert im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung ein Arbeitsmedium. Im Klimatisierungskreislauf sind ein Kompressor zum Komprimieren des Arbeitsmediums, ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums und ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums angeordnet.
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Die Abwärmenutzungseinrichtung umfasst ferner einen ersten Chiller, mittels welchem Wärme vom ersten Kühlkreislauf in den Klimatisierungskreislauf übertragbar ist, sowie einen zweiten Chiller, mittels welchem Wärme vom zweiten Kühlkreislauf in den Klimatisierungskreislauf übertragbar ist. Mittels der beiden Chiller kann Abwärme des Elektromotors bzw. der Batterie in den Klimatisierungskreislauf übertragen werden. Die auf diese Weise in den Klimatisierungskreislauf eingebrachte Wärme kann im Bedarfsfall an den Fahrzeuginnenraum abgegeben werden, um diesen zu beheizen oder, falls eine solche Beheizung nicht erfolgen soll, an die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung bzw. des Elektrofahrzeugs abgegeben werden. Ein erster und ein zweiter direkter Wärmeübertrager, die im ersten bzw. zweiten Kühlkreislauf angeordnet sind, dienen zum Abführen von Wärme in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung, falls der Fahrzeuginnenraum nicht weiter beheizt werden soll.
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Die Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums ist somit optional nur noch dann erforderlich, wenn die von Klimatisierungskreislauf bereitgestellte Wärme nicht ausreicht, den Fahrzeuginnenraum wie gewünscht aufzuheizen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Kondensator als direkter Wärmeübertrager ausgebildet, mittels welchem Wärme vom Klimatisierungskreislauf in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung übertragbar ist. Die Ausbildung als direkter Wärme übertrage erlaubt es, die Abwärmenutzungseinrichtung technisch besonders einfach zu gestalten. Insbesondere kann bei dieser Variante auf einen speziellen Heizkreislauf verzichtet werden, mittels welchem die von den beiden Kühlkreisläufen bereitgestellte Abwärme thermisch in den Fahrzeuginnenraum eingekoppelt werden kann. Stattdessen erfolgt die gesamte Wärmeübertragung von den beiden Kühlkreisläufen in den Fahrzeuginnenraum direkt über den Klimatisierungskreislauf und über einen im Klimatisierungskreislauf angeordneten Kondensator.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung außerdem einen Heizkreislauf, in welchem ein Heizmedium zirkuliert, sowie eine im Heizkreislauf angeordnete dritte Fördereinrichtung zum Antreiben des Heizmediums und einen im Heizkreislauf angeordneten dritten direkten Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme vom Heizmedium an den Fahrzeuginnenraum. Bei dieser Ausführungsform ist der im Klimatisierungskreislauf vorhandene Kondensator als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet, mittels welchem Wärme vom Klimatisierungskreislauf in den Heizkreislauf übertragen werden kann. Die Ausbildung des Kondensator als indirekten Wärmeübertrager, der Wärme nicht direkt an die Luft des Fahrzeuginnenraum abgibt, sondern an das im Heizkreislauf zirkulierenden Heizmedium überträgt, erlaubt in der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung ein besonders flexibles Thermomanagement. Insbesondere kann auf verschiedene Parameter wie zum Beispiel unterschiedliche Umgebungstemperaturen in der Umgebung des Elektrofahrzeugs sowie auf unterschiedliche Temperaturniveaus im Fahrzeuginnenraum reagiert werden. Gleichzeitig kann flexibel berücksichtigt werden, wie viel Abwärme momentan von der Batterie sowie vom Elektromotor erzeugt wird. Je nach Bedarf an Wärme im Fahrzeuginnenraum kann von Batterie und Elektromotor erzeugte Abwärme auch gezielt an die Umgebung des Elektrofahrzeugs abgegeben werden.
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Im Ergebnis kann somit bei verschiedenen Betriebszuständen unterschiedlichsten Betriebsparametern und bei verschiedenen Umgebungszuständen mit unterschiedlichen Umgebungsparametern wie etwa besagter Umgebungstemperatur im Fahrzeuginnenraum bei geringem Verbrauch an elektrischer Energie aus der Batterie ein hoher Temperaturkomfort im Fahrzeuginnenraum erreicht werden. Darüber hinaus ermöglicht die hier vorgestellte Abwärmenutzungseinrichtung die Verwendung der Batterie als Wärmespeicher zum Zwischenspeichern von Abwärme. Wird etwa die Batterie mithilfe einer elektrischen Ladestation aufgeladen, so kann bei geeigneter Ansteuerung des Ladevorgangs die Temperatur der Batterie auf ein hohes, aber noch zulässiges Niveau erhöht werden. Aufgrund der hohen Masse der Batterie und der damit verbundenen hohen Wärmekapazität lässt sich in der Batterie somit eine nicht unerhebliche Menge an Wärme speichern. Diese, in der Batterie zwischengespeicherte Wärme kann zu einem späteren Zeitpunkt, typischerweise im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs, mittels der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung in den Fahrzeuginnenraum eingebracht werden, um diesen zu beheizen.
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Gemäß dieser Ausführungsform kann der zweite direkte Wärmeübertrager vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass er wahlweise in den zweiten Kühlkreislauf zum Abführen von Wärme aus dem zweiten Kühlmittel in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung oder in den Heizkreislauf zum Abführen von Wärme aus dem Heizmedium in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung eingebunden werden kann. Soll Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung abgeführt werden, so kann der zweite Wärmeübertrager in den zweiten Kühlkreislauf eingebunden werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn von der Batterie besonders viel Abwärme erzeugt und in den zweiten Kühlkreislauf eingebracht wird. Soll hingegen Wärme aus dem Heizkreislauf in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung abgeführt werden, so kann der zweite Wärmeübertrager in den Heizkreislauf eingebunden werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn im Heizkreislauf überschüssige Wärme vorhanden ist, die nicht in den Fahrzeuginnenraum eingebracht werden soll. Bei dieser Ausführungsform ist es also nicht erforderlich, sowohl für den zweiten Kühlkreislauf als auch für den Heizkreislauf jeweils einen separaten Wärmeübertrager bereitzustellen. Damit gehen nicht unerhebliche Kosteneinsparungen einher. Denkbar ist es bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform, den zweiten Wärmeübertrager fluidisch so mit dem zweiten Kühlkreislauf und dem Heizkreislauf zu verschalten, dass er sowohl in den Heizkreislauf als auch in den zweiten Kühlkreislauf eingebunden ist.
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Je nachdem, in welchem Kreislauf mehr in die Umgebung abzuführende Abwärme vorhanden ist, kann also der zweite direkte Wärmeübertrager entsprechend in den jeweiligen Kreislauf eingebunden werden. Dies ermöglicht eine flexible Abführung von Wärme, falls erforderlich, in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung.
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Besonders bevorzugt ist in der Abwärmenutzungseinrichtung ein erster Betriebszustand einstellbar. Der erste Betriebszustand dient primär dazu, bei hohen Umgebungstemperaturen einerseits die erforderliche Kühlung der Batterie sicherzustellen und andererseits auch, mittels des Klimatisierungskreislauf, den Fahrzeuginnenraum zu kühlen. Eine Beheizung des Fahrzeuginnenraums ist im ersten Betriebszustand hingegen nicht angestrebt. Im ersten Betriebszustand überträgt der zweite Chiller daher die von der Batterie an das zweite Kühlmittel abgegebene Abwärme vom zweiten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium. Der im Klimatisierungskreislauf angeordnete, als indirekter Wärmeübertrager ausgebildete Kondensator überträgt diese Wärme zumindest teilweise vom Arbeitsmedium weiter auf das Heizmedium. Da aufgrund der hohen Umgebungstemperatur eine Beheizung des Fahrzeuginnenraums nicht erforderlich ist, ist der zweite direkte Wärmeübertrager zum Abführen von Wärme aus dem Heizkreislauf in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung in den Heizkreislauf integriert, so dass er vom Heizmedium durchströmt wird. Über den zweiten direkten Wärmeübertrager kann somit Wärme vom Heizmedium an die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung abgegeben werden. Der im Heizkreislauf angeordnete dritte Wärmeübertrager, der eigentlich zum Übertragen von Wärme in den Fahrzeuginnenraum dient, wird fluidisch überbrückt bzw. deaktiviert, so dass kein Heizmedium durch diesen Wärmeübertrager strömt.
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Ebenso wird im ersten Betriebszustand auch der erste Chiller fluidisch überbrückt, so dass kein Wärmeaustausch zwischen dem Klimatisierungskreislauf und dem ersten Kühlkreislauf stattfindet. Der erste Kühlkreislauf mit dem Elektromotor ist also vom Klimatisierungskreislauf entkoppelt. Die vom Elektromotor gegebenenfalls erzeugte Abwärme wird daher über den ersten direkten Wärmeübertrager an die Umgebung des Elektrofahrzeugs abgegeben. Der im Klimatisierungskreislauf vorhandene Verdampfer wird zur Aufnahme von Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum des Elektrofahrzeugs vom Arbeitsmedium durchströmt. Mittels der genannten Maßnahmen wird die gewünschte Kühlung der Batterie und des Fahrzeuginnenraum erreicht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Abwärmenutzungseinrichtung ein zweiter Betriebszustand einstellbar. Typischerweise befindet sich die Abwärmenutzungseinrichtung im zweiten Betriebszustand, wenn das Elektrofahrzeug mit der Abwärmenutzungseinrichtung bei hohen Umgebungstemperaturen zum Aufladen der elektrischen Batterie an eine elektrische Ladestation angeschlossen ist. In diesem Fall wird Abwärme von der Batterie, aber nicht oder nur in geringem Maße vom Elektromotor erzeugt. Da bei hohen Umgebungstemperaturen eine Beheizung des Fahrzeuginnenraums nicht erforderlich ist, ist der zweite Betriebszustand primär darauf ausgelegt, die von der Batterie im Zuge des Ladevorgangs erzeugte Wärme an die Umgebung des Elektrofahrzeugs abzuführen. Im zweiten Betriebszustand überträgt der zweite Chiller daher Wärme vom zweiten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium, und der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Kondensator überträgt diese Wärme zumindest teilweise vom Arbeitsmedium weiter auf das Heizmedium. Auch im zweiten Betriebszustand ist der zweite direkte Wärmeübertrager zum Abführen von Wärme aus dem Heizkreislauf in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung in den Heizkreislauf integriert, so dass er vom Heizmedium durchströmt wird. Der im Heizkreislauf angeordnete dritte Wärmeübertrager wird ebenso wie beim zweiten Betriebszustand auch im zweiten Betriebszustand überbrückt bzw. deaktiviert, so dass kein Heizmedium durch diesen Wärmeübertrager strömt. Ebenso wird der erste Chiller fluidisch überbrückt bzw. deaktiviert, so dass kein Wärmeaustausch zwischen dem Klimatisierungskreiskauf und dem ersten Kühlkreislauf stattfindet. Da sich während des Ladevorgangs der elektrischen Batterie typischerweise kein Fahrzeuginsasse im Fahrzeuginnenraum auffällt, ist auch bei hohen Umgebungstemperaturen keine Kühlung des Fahrzeuginnenraums mittels des Klimatisierungskreislaufs erforderlich. Daher wird im zweiten Betriebszustand - im Gegensatz zum vorangehend erläuterten, ersten Betriebszustand - auch der Verdampfer fluidisch überbrückt und auf diese Weise deaktiviert, sodass kein Arbeitsmedium durch den Verdampfer hindurchströmen kann. Somit wird auch keine Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum auf das Arbeitsmedium des Klimatisierungskreislaufs übertragen.
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Da das Elektrofahrzeug zum Laden der Batterie an die Ladestation angeschlossen, also abgestellt ist, erzeugt der Elektromotor typischerweise keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Menge an Abwärme. Daher wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgeschlagen, im zweiten Betriebszustand die erste Fördereinrichtung zu deaktivieren, so dass im ersten Kühlkreislauf kein erstes Kühlmittel zirkuliert. Der erste Kühlkreislauf ist also abgeschaltet. Durch die Deaktivierung der ersten Fördereinrichtung kann weitere elektrische Energie eingespart werden. Auf diese Weise kann der Ladevorgang der Batterie in nicht unerheblichem Maße beschleunigt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Abwärmenutzungseinrichtung ein dritter Betriebszustand einstellbar ist. Der dritte Betriebszustand wird in der Abwärmenutzungseinrichtung typischerweise dann eingestellt, wenn die Batterie wie beim zweiten Betriebszustand, typischerweise während eines Ladevorgangs, gekühlt werden muss. Im Gegensatz zum zweiten Betriebszustand findet der dritte Betriebszustand also primär dann Anwendung, wenn die Umgebungstemperatur der Umgebung des Elektrofahrzeug bzw. der Abwärmenutzungseinrichtung deutlich niedriger ist als beim ersten Betriebszustand, so dass der Fahrzeuginnenraum im Gegensatz zum zweiten Betriebszustand beheizt werden soll. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nach Abschluss des Ladevorgangs der Fahrzeuginnenraum bereits entsprechend temperiert ist. Im dritten Betriebszustand überträgt der zweite Chiller Wärme vom zweiten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium, und der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Kondensator überträgt Wärme vom Arbeitsmedium auf das Heizmedium. Bei dieser Ausführungsform wird der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum des Elektrofahrzeugs vom Arbeitsmedium durchströmt. Im Gegensatz zum zweiten Betriebszustand wird im dritten Betriebszustand der im Heizkreislauf angeordnete dritte direkte Wärmeübertrager vom Heizmedium durchströmt, so dass dem Heizmedium im dritten Wärmeübertrager Wärme zur Abgabe an den Fahrzeuginnenraum entzogen wird. Auf diese Weise wird der Fahrzeuginnenraum wie gewünscht beheizt. Überschüssige Wärme, die nicht für die Temperierung bzw. Beheizung des Fahrzeuginnenraums benötigt wird, kann in analoger Weise zum zweiten Betriebszustand mittels des zweiten direkten Wärmeübertragers an die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung abgegeben werden.
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Besonders zweckmäßig kann der zweite direkte Wärmeübertrager zum Abführen von Wärme aus dem Heizkreislauf in die Umgebung der Abwärmenutzungseinrichtung im dritten Betriebszustand im Bedarfsfall in den Heizkreislauf zugeschaltet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Abwärmenutzungseinrichtung ein vierter Betriebszustand einstellbar. Der vierte Betriebszustand wird typischerweise dann eingestellt, wenn der Fahrzeuginnenraum bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, typischerweise von 10 °C und weniger, mittels vom Elektromotor erzeugte Abwärme beheizt werden soll. Typischerweise wird also der vierte Betriebszustand im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs bei niedrigen Umgebungstemperaturen eingestellt. Im vierten Betriebszustand überträgt der erste Chiller Wärme, die vom Elektromotor erzeugt und im ersten Kühlkreislauf aufgenommen wird, vom ersten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium. Der zweite Chiller ist deaktiviert, so dass keine Wärme vom zweiten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium übertragen wird. Bei dieser Ausführungsform überträgt der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Kondensator Wärme vom Arbeitsmedium auf das Heizmedium. Der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Verdampfer wird hingegen fluidisch überbrückt bzw. deaktiviert, so dass kein Arbeitsmedium durch den Verdampfer strömt. Eine im vierten Betriebszustand unerwünschte Kühlung des Fahrzeuginnenraums durch den Klimatisierungskreislauf wird auf diese Weise verhindert. Der im Heizkreislauf angeordnete, dritte direkte Wärmeübertrager wird bei dieser Ausführungsform vom Heizmedium durchströmt, so dass dem Heizmedium im dritten Wärmeübertrager Wärme zur Abgabe an den Fahrzeuginnenraum entzogen wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Abwärmenutzungseinrichtung ein fünfter Betriebszustand einstellbar. Der fünfte Betriebszustand wird typischerweise dann eingestellt, wenn der Fahrzeuginnenraum bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, typischerweise von 10 °C und weniger, mittels von der Batterie erzeugter Abwärme beheizt werden soll. Typischerweise wird also der fünfte Betriebszustand in einem abgestellten Zustand des Elektrofahrzeugs, typischerweise kurz nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs, bei gleichzeitig niedrigen Umgebungstemperaturen eingestellt. In diesem Fall ist in der Batterie, die aufgrund ihrer hohen Masse eine hohe Wärmekapazität aufweist, dem Wirkprinzip eines Wärmespeichers folgend, die im Fahrbetrieb angefallene Abwärme zumindest temporär gespeichert und kann somit abgerufen werden. Im fünften Betriebszustand überträgt der zweite Chiller Wärme vom zweiten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium. Der erste Chiller ist hingegen aufgrund des ausgeschalteten Elektromotors deaktiviert, so dass keine Wärme vom ersten Kühlmittel auf das Arbeitsmedium übertragen wird. Der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Kondensator überträgt bei dieser Ausführungsform Wärme vom Arbeitsmedium auf das Heizmedium. Der im Klimatisierungskreislauf angeordnete Verdampfer wird hingegen fluidisch überbrückt, so dass kein Arbeitsmedium durch den Verdampfer strömt. Eine im fünften Betriebszustand unerwünschte Kühlung des Fahrzeuginnenraums mittels des Klimatisierungskreislaufs wird auf diese Weise vermieden. Der im Heizkreislauf angeordnete dritte direkte Wärmeübertrager wird vom Heizmedium durchströmt, so dass dem Heizmedium im dritten Wärmeübertrager Wärme zur Abgabe an den Fahrzeuginnenraum entzogen wird. Auf diese Weise wird der Fahrzeuginnenraum wie gewünscht beheizt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor und mit einer Batterie zum Versorgen des Elektromotors mit elektrischer Energie. Außerdem umfasst das Elektrofahrzeug eine vorangehend vorgestellte, erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung. Die Abwärmenutzungseinrichtung steht zum Abführen von Abwärme mit dem Elektromotor und/oder der Batterie in Wirkverbindung. Die vorangehen erläuterten Vorteile der Abwärmenutzungseinrichtung übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung mit einem als indirektem Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator in schaltplanartiger Darstellung,
- 2-6 die Abwärmenutzungseinrichtung der 1 in fünf verschiedenen Betriebszuständen,
- 7 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung mit einem als direktem Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator in schaltplanartiger Darstellung.
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Die 1 zeigt in schematischer, schaltplanartiger Darstellung beispielhaft den Aufbau einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung 1 für ein Elektrofahrzeug. Das Elektrofahrzeug umfasst einen Elektromotor 2 zum Antreiben des Elektrofahrzeugs und eine Batterie 3 zum Versorgen des Elektromotors 2 mit elektrischer Energie. Die Batterie 3 ist wiederaufladbar ausgebildet, sodass sie in einem entladenen Zustand an einer elektrischen Ladestation (nicht gezeigt) elektrisch wieder aufgeladen werden kann. Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 umfasst ferner einen ersten Kühlkreislauf 4a zum Kühlen des Elektromotors 2 einschließlich einer Leistungselektronik 50, die mehrere Leistungstransistoren (nicht gezeigt) umfassen kann. Im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung 1 zirkuliert im ersten Kühlkreislauf 4a ein erstes Kühlmittel 5a. Im ersten Kühlkreislauf 4a ist neben dem zu kühlenden Elektromotor 2 ein erster direkter Wärmeübertrager 6a zum Abführen von Wärme vom ersten Kühlmittel 5a in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 (vgl. Pfeile 52) vorgesehen. Eine erste Fördereinrichtung 7a dient zum Antreiben des ersten Kühlmittels 5a im ersten Kühlkreislauf 4a. Außerdem umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung 1 einen zweiten Kühlkreislauf 4b zum Kühlen der Batterie 3. Im zweiten Kühlkreislauf 4b zirkuliert im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ein zweites Kühlmittel 5b. Im zweiten Kühlkreislauf 4b ist neben der kühlenden Batterie 2 eine zweite Fördereinrichtung 7b zum Antreiben des zweiten Kühlmittels 5b im zweiten Kühlkreislauf 6b angeordnet. Entsprechend 1 kann in den Kühlkreislauf 4b ein zweiter direkter Wärmeübertrager 6b zum Abführen von Wärme vom zweiten Kühlmittel 5b in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 (vgl. Pfeile 53) geschaltet sein, welcher hierfür von dem zweiten Kühlmittel 5b durchströmt wird. Die beiden Wärmeübertrager 6a, 6b können als herkömmliche Radiatoren oder Wärmetauscher ausgebildet sein. Im ersten und im zweiten Kühlkreislauf 4a, 4b kann jeweils ein Ausgleichsbehältnis 13a, 13b - dem Fachmann auch unter dem Begriff „Expansionsbehältnis“ oder „Expansionstank“ bekannt - für das erste und zweite Kühlmittel 5a, 5b angeordnet sein. Für das erste und das zweite Kühlmittel 5a, 5b und auch für das Heizmedium 5c kann dieselbe Substanz verwendet werden, so dass sich die beiden Kühlmittel nur in ihrem Temperatur-Niveau unterscheiden. Das erste Kühlmittel 5a des ersten Kühlkreislaufs 4a weist dabei typischerweise ein höheres Temperatur-Niveau auf als das zweite Kühlmittel 5b des zweiten Kühlkreislaufs 4b.
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Ferner umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung 1 einen Klimatisierungskreislauf 20 zum Klimatisieren eines in den Figuren nicht näher dargestellten und mit dem Bezugszeichen 54 bezeichneten Fahrzeuginnenraums des Elektrofahrzeugs. Im Klimatisierungskreislauf 20 zirkuliert im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ein Arbeitsmedium 21. Entsprechend 1 ist im Klimatisierungskreislauf 20 in bekannter Weise ein Kompressor 22 zum Komprimieren des Arbeitsmediums 21, ein Kondensator 11 zum Kondensieren des Arbeitsmediums 1 sowie ein Verdampfer 23 zum Verdampfen des Arbeitsmediums 21 unter Aufnahme von Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum 54 angeordnet.
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Ferner umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung 1 einen ersten Chiller 8a, mittels welchem Wärme vom ersten Kühlkreislauf 4a in den Klimatisierungskreislauf 20 übertragen werden kann. Weiterhin umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung 1 einen zweiten Chiller 8b, mittels welchem Wärme vom zweiten Kühlkreislauf 4b in den Klimatisierungskreislauf 20 übertragen werden kann. Die beiden Chiller 8a, 8b sind in einer fluidische Parallelschaltung angeordnet. Hierzu ist der erste Chiller 8a in einem ersten Fluidleitungspfad 32a und der zweite Chiller 8b in einem zweiten Fluidleitungspfad 32b, der fluidisch parallel zum ersten Fluidleitungspfad 32a geschaltet ist, angeordnet.
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Mittels einer elektrischen Heizeinrichtung 9, die elektrische Energie aus der Batterie 3 bezieht, kann der Fahrzeuginnenraum 54 im Bedarfsfall auch elektrisch beheizt werden. Die elektrische Heizeinrichtung 9 kann auch nur optional in der Abwärmenutzungseinrichtung 1 vorgesehen werden. Die elektrische Heizeinrichtung 9 kann derart realisiert sein, dass sie die im Fahrzeuginnenraum 54 vorhandene Luft direkt heizt, so dass sich deren Temperatur erhöht. Alternativ dazu kann die elektrische Heizeinrichtung 9 auch in den Heizkreislauf 4c integriert sein, so dass das Heizmedium 5c geheizt wird. Das Heizmedium gibt dann mehr Wärme an den Fahrzeuginnenraum 54 ab, wodurch sich die Temperatur der Luft ebenfalls wie gewünscht erhöht.
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In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst die Abwärmenutzungseinrichtung 1 auch einen Heizkreislauf 4c zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums 54 mit Wärme aus den beiden Kühlkreisläufen 4a, 4b. Im Heizkreislauf 4c zirkuliert ein Heizmedium 5c. Im Heizkreislauf 4c ist eine dritte Fördereinrichtung 7c zum Antreiben des Heizmediums 5c angeordnet. Im Heizkreislauf 4c ist auch ein dritter direkter Wärmeübertrager 6c zur Abgabe von Wärme vom Heizmedium 5c in den Fahrzeuginnenraum 54 angeordnet.
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Wie 1 erkennen lässt, ist der zweite direkte Wärmeübertrager 6b derart ausgebildet, dass er in den zweiten Kühlkreislauf 4b zum Abführen von Wärme aus dem zweiten Kühlmittel 5b in die Umgebung 51 oder in den Heizkreislauf 4c zum Abführen von Wärme aus dem Heizmedium 4c in die Umgebung 51 eingebunden werden kann. Soll der zweite direkte Wärmeübertrager 6b in den Heizkreislauf 4c eingebunden werden, so kann in den zweiten Kühlkreislauf 5b mittels einer Ventileinrichtung 31 eine Bypassleitung 30 eingebunden werden, mit welcher der zweite direkte Wärmeübertrager 6b fluidisch überbrückt wird. Die Ventileinrichtung 31 kann wie in 1 angedeutet als 3-Wege-Ventil ausgebildet sein. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Konfiguration besteht darin, dass im Heizkreislauf 4c auf ein separates Ausgleichsbehältnis verzichtet werden kann.
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Im Beispiel der 1 ist der im Klimatisierungskreislauf 20 angeordnete Kondensator 11 als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet, mittels welchem Wärme vom Klimatisierungskreislauf 20 in den Heizkreislauf 4c übertragen werden kann.
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Nun sei das Augenmerk auf die Darstellung der 2 gerichtet, welche die Abwärmenutzungseinrichtung 1 der 1 in einem ersten Betriebszustand zeigt. Die Abwärmenutzungseinrichtung 1 befindet sich vorzugsweise dann in dem ersten Betriebszustand, wenn sowohl der Fahrzeuginnenraum 54 als auch die Batterie 3 bei hohen Umgebungstemperaturen in der Umgebung 51, typischerweise von 40 °C oder mehr, gekühlt werden soll. Befindet sich das Elektrofahrzeug im Fahrbetrieb, d.h. der Elektromotor 2 ist aktiv, so muss im ersten Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung 1 zusätzlich auch der Elektromotor 2 gekühlt werden.
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Im ersten Betriebszustand wird mithilfe des Kondensator 11, des zweiten direkten Wärmeübertragers 6b und des zweiten Chillers 8b eine Wärmepumpe realisiert, mit welcher Wärme sowohl von der Batterie 3 als auch vom Elektromotor 2 sowie vom Fahrzeuginnenraum 54 in die Umgebung 51 abgeführt werden kann: Zur Kühlung der Batterie 3 wird von dem im zweiten Kühlkreislauf 4b zirkulierenden zweiten Kühlmittel 5b von der Batterie 3 erzeugte Abwärme aufgenommen. Diese Abwärme wird mittels des zweiten Chillers 8b zumindest teilweise vom zweiten Kühlkreislauf 4b in den Klimatisierungskreislauf 20 übertragen (vgl. Pfeile 56). Hierzu wird der zweite Chiller 8b sowohl vom Arbeitsmedium 21 als auch vom zweiten Kühlmittel 5b durchströmt. Demgegenüber wird der erste Chiller 8a nicht vom Arbeitsmedium 21 durchströmt. Der erste Chiller 8a ist also deaktiviert. Eine solche Deaktivierung des ersten Chillers 8a kann durch Schließen einer im ersten Fluidleitungspfad 32a des Klimatisierungskreislaufs 20 angeordneten, steuerbaren Ventileinrichtung 33 geschehen. In dem in 2 gezeigten ersten Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ist die Ventileinrichtung 33 also geschlossen. Somit kann das Arbeitsmittel 21 nur durch den zweiten Fluidleitungspfad 32b mit dem zweiten Chiller 8b strömen. Folglich findet kein Wärmeaustausch zwischen dem Klimatisierungskreiskauf 20 und dem ersten Kühlkreislauf 4a statt. Dies bedeutet, dass der erste Kühlkreislauf 4a im ersten Betriebszustand thermisch vom Klimatisierungskreislauf 20 entkoppelt ist. Die vom Elektromotor 2 bzw. Leistungselektronik 50 erzeugte und auf das erste Kühlmittel 5a übertragene Wärme wird daher ausschließlich vom im ersten Kühlkreislauf 4a angeordneten ersten direkten Wärmeübertrager 6a an die Umgebung 51 abgeführt (vgl. Pfeile 52).
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Wie 2 außerdem anschaulich belegt, wird im ersten Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung 1 vom Arbeitsmedium 21 nicht nur über den zweiten Chiller 8b Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf 4b aufgenommen; vielmehr wird zusätzlich über den Verdampfer 23 auch Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum 54 aufgenommen (vgl. Pfeile 55), um den Fahrzeuginnenraum 54 zu kühlen. In dem als indirekter Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator 11 wird vom Arbeitsmedium 21 aufgenommene Wärme auf das im Heizkreislauf 4c zirkulierende Heizmedium 5c übertragen (vgl. Pfeil 57 in 2). Zum Abführen von Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf 4b in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ist gemäß 2 der zweite direkte Wärmeübertrager 6b in den Heizkreislauf 4c eingebunden und vom zweiten Kühlkreislauf 4b entkoppelt, so dass er vom Heizmedium 5c durchströmt wird. Die Ventileinrichtung 31 ist daher derart eingestellt, dass das zweite Kühlmittel 5b durch den Bypasskanal 30 hindurch am zweiten direkten Wärmeübertrager 6b vorbeiströmt. Im ersten Betriebszustand fungiert also der Heizkreislauf 4c nicht zum Heizen des Fahrzeuginnenraums 54, sondern zum Abführen von Abwärme der Batterie 3 und von Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum 54 in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1.
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Mittels des zweiten direkten Wärmeübertragers 6b kann die vom Heizmedium 5c im Kondensator 11 aufgenommene Wärme wie im ersten Betriebszustand gewünscht in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung abgeführt werden (vgl. Pfeile 53).
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Der im Heizkreislauf 4c angeordnete dritte Wärmeübertrager 6c wird vorzugsweise mittels einer weiteren, steuerbaren Ventileinrichtung 34 derart überbrückt, dass kein Heizmedium 5c durch den dritten Wärmeübertrager 6c strömen kann. Auf diese Weise wird eine im ersten Betriebszustand unerwünschte Abgabe von Wärme aus dem Heizmedium 5c in den Fahrzeuginnenraum 54 unterbunden. Hierfür kann die Ventileinrichtung 34 als 3-Wege-Ventil ausgebildet sein, mittels welchem das den Kondensator 11 verlassende Heizmittel 5c entweder in einen ersten Fluidleitungspfad 35a oder in einen zweiten Fluidleitungspfad 35b, der fluidisch parallel zum ersten Fluidleitungspfad 35a geschaltet ist, geleitet werden kann. Im ersten Fluidleitungspfad 35a ist der zweite direkte Wärmeübertrager 6b angeordnet. Im zweiten Fluidleitungspfad 35b ist der dritte direkte Wärmeübertrager 6c angeordnet. Im ersten Betriebszustand gemäß 2 ist die Ventileinrichtung 34 derart eingestellt, dass das Heizmittel 5c ausschließlich durch den ersten Fluidleitungspfad 35a strömen kann. Da von der elektrischen Heizeinrichtung 9 im Fahrzeuginnenraum 54 keine Heizleistung bereitgestellt werden soll, kann diese im ersten Betriebszustand ausgeschaltet sein, sodass sie folglich auch keine elektrische Energie von der Batterie 3 bezieht.
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Nunmehr sei das Augenmerk auf die Darstellung der 3 gerichtet. Die 3 zeigt die Abwärmenutzungseinrichtung 1 in einem vom ersten Betriebszustand verschiedenen, zweiten Betriebszustand. Dieser Betriebszustand wird typischerweise dann in der Abwärmenutzungseinrichtung 1 eingestellt, wenn die teilweise oder vollständig entladene Batterie 3 an einer elektrischen Ladestation (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) wieder elektrisch aufgeladen werden soll. In diesem Fall ist der Elektromotor 2 des an der Ladestation abgestellten Elektrofahrzeugs typischerweise außer Betrieb gesetzt. Auch ist es in diesem Fall normalerweise nicht erforderlich, den Fahrzeuginnenraum 54 mittels des Klimatisierungskreislaufs 20 zu kühlen, da sich beim Laden der Batterie 3 in der Regel kein Fahrzeuginsasse im Fahrzeuginnenraum 54 aufhalten wird.
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Der zweite Betriebszustand soll daher primär dazu dienen, im Zuge des elektrischen Ladevorgangs in der Batterie 3 erzeugte Abwärme mithilfe der Abwärmenutzungseinrichtung 1 effektiv in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 abzuführen.
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Betrachtet man die Darstellung der 3, die den zweiten Betriebszustand der Abwärmenutzungseinrichtung 1 schaltplanartig zeigt, so erkennt man als im Wesentlichen einziges Unterscheidungsmerkmal zum ersten Betriebszustand, dass der Verdampfer 23 des Klimatisierungskreislaufs 1 - im Gegensatz zum ersten Betriebszustand - fluidisch überbrückt wird. Dies bedeutet, dass kein Arbeitsmedium 21 durch den Verdampfer 23 hindurchgeführt wird. Folglich wird vom Arbeitsmedium 21 auch keine Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum 54 aufgenommen.
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Wie der 3 unmittelbar entnommen werden kann, ist der Verdampfer 23 fluidisch parallel zum zweiten Chiller 8b geschaltet. Stromauf oder stromab des Verdampfers 23 ist eine steuerbare Ventileinrichtung 36 angeordnet, welche in einem geöffneten Zustand den Verdampfer 23 zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium 21 freigibt und in einem geschlossenen Zustand ein Durchströmen des Verdampfers 23 mit dem Arbeitsmedium 21 verhindert. Im zweiten Betriebszustand ist die steuerbare Ventileinrichtung 36 also in den geschlossenen Zustand verstellt, so dass das Arbeitsmedium 21 durch den fluidisch parallel zum Verdampfer 23 geschalteten zweiten Chiller 8b geführt wird. Im ersten Betriebszustand gemäß 2 ist die Ventileinrichtung 36 entsprechend in den geöffneten Zustand verstellt.
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Da im abgestellten Zustand des Elektrofahrzeugs der Elektromotor 2 keine Abwärme erzeugt, ist es auch nicht erforderlich, mittels des ersten Kühlkreislaufs 4a vom Elektromotor 2 erzeugte Abwärme in die Umgebung 51 abzuführen. Folglich kann die erste Fördereinrichtung 7a im zweiten Betriebszustand gemäß 3 deaktiviert werden, sodass im ersten Kühlkreislauf 4a kein Kühlmittel zirkuliert. Falls, etwa aufgrund zu hoher Umgebungstemperaturen in der Umgebung 51 eine Kühlung des Elektromotors 2 erforderlich sein sollte, kann die erste Fördereinrichtung 7a eingeschaltet und auf diese Weise der erste Kühlkreislauf 4a wieder aktiviert werden. Eine solche optionale Aktivierung des ersten Kühlkreislaufs 4a soll in 3 durch eine gestrichelte Darstellung des ersten Kühlkreislauf 4a angedeutet werden. Der erste Chiller 8a ist im zweiten Betriebszustand deaktiviert.
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Die 4 zeigt die Abwärmenutzungseinrichtung 1 in einem weiteren, dritten Betriebszustand. Der dritte Betriebszustand wird vorzugsweise dann eingestellt, wenn die Batterie 3 gekühlt und gleichzeitig der Fahrzeuginnenraum 54 aufgeheizt werden soll. Die Umgebungstemperatur der Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 ist in diesem Szenario typischerweise geringer als im ersten und zweiten Betriebszustand und kann beispielsweise ca. 15°C betragen.
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Vergleicht man die Darstellung der 3 mit jener der 4, so erkennt man als Unterscheidungsmerkmal des dritten Betriebszustands zum zweiten Betriebszustand, dass der Verdampfer 23 - wie auch im ersten Betriebszustand - zur Aufnahme von Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum 54 des Elektrofahrzeugs vom Arbeitsmedium 21 durchströmt wird. Die Ventileinrichtung 36 ist also im dritten Betriebszustand zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, geöffnet. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal besteht darin, dass der im Heizkreislauf 4c angeordnete dritte direkte Wärmeübertrager 6c vom Heizmedium 5c durchströmt wird. Hierzu ist die Ventileinrichtung 34 derart eingestellt, dass das Heizmittel 5c durch den zweiten Fluidleitungspfad 35b geführt wird. Somit wird dem Heizmedium 5c im dritten direkten Wärmeübertrager 6c Wärme entzogen und zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums 54 an diesen abgegeben (vgl. Pfeil 57 in 4). Im dritten Betriebszustand wird der Heizkreislauf 4c also zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums 54 herangezogen.
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Falls mittels des zweiten Chillers 8b vom zweiten Kühlmittel 5b des zweiten Kühlkreislaufs 8b auf das Arbeitsmedium 21 des Klimatisierungskreislaufs 20 mehr Wärme übertragen wird als zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums 54 erforderlich ist, so kann der zweite direkte Wärmeübertrager 6b zum Abführen von überschüssiger Wärme aus dem Heizkreislauf 5c in die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung im Bedarfsfall in den Heizkreislauf 4c zugeschaltet werden. Dies ist in 4 durch eine gestrichelte Darstellung des ersten Fluidleitungspfads 35a des Heizkreislaufs 4c, in welchem der zweite direkte Wärmeübertrager 6b angeordnet ist, angedeutet. Eine solche Zuschaltung kann durch entsprechende Verstellung der Ventileinrichtung 34 derart erfolgen, dass das Heizmittel 5c auch in den ersten Fluidleitungspfad 35a mit dem zweiten direkten Wärmeübertrager 6b gelangen kann. Der erste Chiller 8a ist auch im dritten Betriebszustand deaktiviert.
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Die 5 zeigt die Abwärmenutzungseinrichtung 1 in einem weiteren, vierten Betriebszustand. Der vierte Betriebszustand wird in der Abwärmenutzungseinrichtung 1 bevorzugt dann eingestellt, wenn aufgrund geringer Umgebungstemperaturen in der Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1, beispielsweise von ca. -10°C oder weniger, der Fahrzeuginnenraum 54 des Elektrofahrzeugs aufgeheizt werden soll. Im vierten Betriebszustand ist es möglich, die vom Elektromotor 2 betriebsmäßig erzeugte Abwärme in den Fahrzeuginnenraum 54 zu übertragen.
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Im vierten Betriebszustand ist - im Gegensatz zum ersten, zweiten und dritten Betriebszustand - der erste Chiller 8a aktiv. Die Ventileinrichtung 33 ist also in einen geöffneten Zustand verstellt, so dass das Arbeitsmedium 21 durch den ersten Chiller 8a hindurch strömen kann. Der erste Chiller 8a überträgt dann die vom Elektromotor 2 an das erste Kühlmittel 5a abgegebene Wärme auf das im Kühlkreislauf 20 zirkulierende Arbeitsmedium 21 (vgl. Pfeil 58 in 5). Demgegenüber ist der zweite Chiller 8b deaktiviert, so dass keine Wärme vom zweiten Kühlmittel 5b auf das Arbeitsmedium21 übertragen wird. Zur Deaktivierung des zweiten Chillers 8b kann stromauf oder stromab von diesem eine weitere steuerbare Ventileinrichtung 37 angeordnet sein. Die Ventileinrichtung 37 ist zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung verstellbar. Im geschlossenen Zustand gemäß 5 verhindert die Ventileinrichtung 37 ein Durchströmen des zweiten Chillers 8b mit dem Arbeitsmedium 21. Im ersten, zweiten und dritten Betriebszustand befindet sich die Ventileinrichtung 37 im geöffneten Zustand (vgl. 2, 3 und 4).
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Da der Fahrzeuginnenraum 54 beheizt werden soll, wird der im Klimatisierungskreislauf 20 angeordnete Verdampfer 23 im vierten Betriebszustand fluidisch überbrückt, so dass kein Arbeitsmedium 21 durch den Verdampfer 23 strömt. Auf diese Weise wird verhindert, dass dem zu beheizenden Fahrzeuginnenraum 54 Wärme entzogen wird.
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Außerdem überträgt der Klimatisierungskreislauf angeordnete Kondensator 11 die vom Arbeitsmedium 21 über den ersten Chiller 8a aufgenommene Wärme zumindest teilweise weiter auf das durch den Heizkreislauf 4c geführte Heizmedium 5c. Da im vierten Betriebszustand der im Heizkreislauf 4c angeordnete, dritte direkte Wärmeübertrager 6c vom Heizmedium durchströmt wird, kann dem Heizmedium 5c im dritten Wärmeübertrager 6c Wärme zur Abgabe an den Fahrzeuginnenraum 54 entzogen werden. Auf diese Weise kann der Fahrzeuginnenraum 54 wie gewünscht aufgeheizt werden. Falls die vom dritten Wärmeübertrager 6c dem Fahrzeuginnenraum 54 bereitgestellte Wärmemenge nicht ausreicht, kann zusätzlich die elektrische Heizeinrichtung 9 aktiviert werden.
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Die 6 zeigt die Abwärmenutzungseinrichtung 1 in einem weiteren, fünften Betriebszustand. Auch der fünfte Betriebszustand wird, ebenso wie der vierte Betriebszustand, vorzugsweise dann eingestellt, wenn aufgrund geringer Umgebungstemperaturen in der Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1, beispielsweise von ca. -10°C oder weniger, der Fahrzeuginnenraum 54 des Elektrofahrzeugs aufgeheizt werden soll. Im fünften Betriebszustand wird aber nicht die vom Elektromotor 2 betriebsmäßig erzeugte Abwärme in den Fahrzeuginnenraum 54 übertragen, sondern die in der Batterie 3 gespeicherte Wärme.
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Diese Variante kommt vorzugsweise dann in Betracht, wenn der Elektromotor 2 nach einem Abstellen des Elektrofahrzeugs abgeschaltet wurde und somit keine Abwärme mehr erzeugt, die dem Fahrzeuginnenraum 54 zugeführt werden könnte. Da die Batterie 3 aufgrund ihrer hohen Masse typischerweise eine sehr hohe Wärmekapazität besitzt und somit als Wärmespeicher wirken kann, kann die in der Batterie 3 gespeicherte Energie - zumindest in einem begrenzten Rahmen - zur Beheizung des Fahrzeuginnenraum 54 benutzt werden. Der fünfte Betriebszustand dient daher zur Wärmeübertragung von der Batterie 3 in den Fahrzeuginnenraum. Der fünfte Betriebszustand unterscheidet sich daher vom vierten Betriebszustand darin, dass zum einen der zweite Chiller 8b Wärme vom zweiten Kühlmittel 5b auf das Arbeitsmedium 21 überträgt. Zum anderen ist der erste Chiller 8a deaktiviert, so dass keine Wärme vom ersten Kühlmittel 5a auf das Arbeitsmedium 21 übertragen wird. Die Ventileinrichtung 33 befindet sich also im geschlossenen Zustand, und die Ventileinrichtung 37 befindet sich im geöffneten Zustand. Der zweite Chiller 8b überträgt somit die von der Batterie 3 an das erste Kühlmittel 5a abgegebene Wärme auf das im Kühlkreislauf 20 zirkulierende Arbeitsmedium 21 (vgl. Pfeile 58 in 6).
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Analog zum vierten Betriebszustand überträgt der im Klimatisierungskreislauf 20 angeordnete Kondensator 11 auch im fünften Betriebszustand die vom Arbeitsmedium 21 über den zweiten Chiller 8b aufgenommene Wärme zumindest teilweise weiter auf das durch den Heizkreislauf 4c geführte Heizmedium 5c. Da auch im fünften Betriebszustand der im Heizkreislauf 4c angeordnete, dritte direkte Wärmeübertrager 6c vom Heizmedium 5c durchströmt wird, kann dem Heizmedium 5c im dritten Wärmeübertrager 6c Wärme zur Abgabe an den Fahrzeuginnenraum 54 entzogen werden. Auf diese Weise wird der Fahrzeuginnenraum 54 wie gewünscht aufgeheizt. Falls die vom dritten Wärmeübertrager 6c dem Fahrzeuginnenraum 54 bereitgestellte Wärmemenge nicht ausreicht, kann auch im fünften Betriebszustand zusätzlich die elektrische Heizeinrichtung 9 aktiviert werden.
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Im vierten und im fünften Betriebszustand wird der erste direkte Wärmeübertrager 6a mittels einer als 3-Wege-Ventil ausgebildeten, steuerbaren Ventileinrichtung 38 im Zusammenspiel mit einer Bypassleitung 39 fluidisch überbrückt, so dass kein erstes Kühlmittel 5a durch den ersten direkten Wärmeübertrager 6a strömt. Somit kann auch keine Wärme an die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 abgegeben werden. Auf diese Weise ist im vierten Betriebszustand gemäß 5 sichergestellt, dass Wärmeübertragung vom ersten Kühlmittel 5a ausschließlich über den ersten Chiller 8a auf das Arbeitsmedium 21 erfolgt. Auch fünften Betriebszustand gemäß 6 wird auf diese Weise eine unerwünschte Abführung von Wärme aus dem ersten Kühlkreislauf 4a verhindert.
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Es versteht sich, dass in der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungseinrichtung 1 alternativ oder zusätzlich zu den vorangehend erläuterten fünf Betriebszuständen weitere, hier nicht näher erörterte Betriebszustände einstellbar sind.
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Zum Verstellen bzw. Umschalten zwischen zwei oder mehreren Betriebszuständen kann die Abwärmenutzungseinrichtung 1 mit einer in den Figuren nicht näher dargestellten Steuerungs-/Regelungseinrichtung ausgestatte sein, mittels welcher die Abwärmenutzungseinrichtung 1 zwischen wenigstens zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann. Zum Umschalten zwischen den Betriebszuständen kann die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die vorangehen erläuterten Ventileinrichtungen 31, 33, 34, 36, 37, 38 ansteuern. Zum Einstellen von einem der vorangehend erläuterten fünf Betriebszustände können die Ventileinrichtungen 31, 33, 34, 36, 37 und 38 mittels entsprechender Ansteuerung durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung wie oben erläutert verstellt werden. Die Ansteuerung bzw. Verstellung der Ventileinrichtungen kann dabei in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Abwärmenutzungseinrichtung 1 wie beispielsweise der von der Batterie pro Zeiteinheit erzeugten Abwärme sowie in Abhängigkeit von wenigstens einem Umgebungsparameter der Abwärmenutzungseinrichtung 1 wie beispielsweise der Umgebungstemperatur in der Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 angesteuert werden.
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Als „direkter Wärmeübertrager“ wird vorliegend ein Wärmetauscher verstanden, mittels welchem Wärme zwischen dem jeweiligen Kühlmittel 5a, 5b bzw. dem Heizmedium 5c und der in der Umgebung 51 bzw. im Fahrzeuginnenraum 54 vorhandenen Luft ausgetauscht werden kann.
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Unter dem Begriff „indirekter Wärmeübertrager“ wird vorliegend ein Wärmeübertrager verstanden, mittels welchem Wärme zwischen dem im Klimatisierungskreislauf 20 zirkulierendem Arbeitsmedium 21 und dem ersten Kühlmittel 5a oder dem zweiten Kühlmittel 5b oder dem Heizmedium 5c ausgetauscht werden kann. Ein direkter Wärmeaustausch mit der in der Umgebung 51 sowie im Fahrzeuginnenraum 54 vorhandenen Luft findet nicht statt.
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Als „Chiller“ 8a, 8b wird vorliegend ein Wärmeübertrager verstanden, mittels welchem Wärme vom ersten bzw. zweiten Kühlmittel 5a, 5b auf das Arbeitsmedium 21 des Klimatisierungskreislaufs 20 übertragen werden kann.
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Die 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Abwärmenutzungseinrichtung 1 der 1 bis 6. Im Beispiel der 7 ist der im Klimatisierungskreislauf 20 angeordnete Kondensator 11 nicht als indirekter Kondensator, sondern als direkter Kondensator ausgeführt. Dies erlaubt es, den Kondensator 11 als Heizkörper zu verwenden, um den Fahrzeuginnenraum 54 zu beheizen. Hierzu wird dem durch den Klimatisierungskreislauf 20 strömenden Arbeitsmedium 21 im Kondensator 11 Wärme entzogen und direkt dem Fahrzeuginnenraum 54 zugeführt.
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Ein weiterer Kondensator 12 kann dazu dienen, überschüssige Wärme, die nicht zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums 54 benötigt wird, an die Umgebung 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 1 abzugeben (vgl. Pfeile 59 in 7).
