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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2010 014 752 A1 ist eine Kühlanordnung für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, mit einem elektrischen Energiespeicher, welcher in einen ersten Kühlkreislauf eingebunden ist, und mit einem beim Betreiben Abwärme freisetzendes elektrisches Steuergerät, welches in einen zweiten Kühlkreislauf eingebunden ist, bekannt. Die Kühlanordnung umfasst ein Kopplungselement, mittels welchem der elektrische Energiespeicher in den zweiten Kühlkreislauf einbindbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Temperiervorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug umfasst einen Temperierkreislauf und zumindest eine elektrische Steuereinheit, welche im Betrieb Wärme abgibt und thermisch mit dem Temperierkreislauf gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß ist die zumindest eine Steuereinheit zu einer Steuerung zumindest einer Fahrzeugfunktion zur Durchführung eines autonomen Fahrzeugbetriebs vorgesehen, der Temperierkreislauf ist mit einem weiteren Temperierkreislauf, welcher als als Wärmepumpe betriebener Kältekreislauf oder als Heizkreislauf ausgebildet ist, thermisch gekoppelt und der weitere Temperierkreislauf ist eingerichtet, zumindest mittelbar Wärme an einen Fahrzeuginnenraum und/oder zumindest einen elektrischen Energiespeicher und/oder ein Brennstoffzellensystem abzugeben.
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Die Vorrichtung ermöglicht eine Erwärmung bzw. Beheizung des Fahrzeuginnenraums, des elektrischen Energiespeichers und/oder Brennstoffzellensystems ohne das Erfordernis zusätzlicher elektrischer Energie zur Umwandlung in Wärmeenergie oder zumindest einer Verringerung einer elektrischen Energie, welche beispielsweise von einer zusätzlich verwendeten elektrischen Heizung verwendet wird. Hieraus resultiert ein verringerter Energiebedarf des Fahrzeugs und insbesondere bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug eine Erhöhung einer Reichweite desselben. Somit können zu einer Nachladung des elektrischen Energiespeichers erforderliche Zeiträume verkleinert und erforderliche Stillstandszeiten des Fahrzeugs verringert werden.
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Des Weiteren zeichnet sich die Vorrichtung insbesondere gegenüber elektrischen Heizungen durch ein geringes Gewicht, geringere Abmessungen und somit Bauraumerfordernisse sowie geringere Kosten aus.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug,
- 2 schematisch einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug,
- 3 schematisch einen Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug,
- 4 schematisch einen Schaltplan eines vierten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug und
- 5 schematisch einen Schaltplan eines fünften Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung für ein Fahrzeug.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein nicht gezeigtes Fahrzeug dargestellt.
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Das Fahrzeug ist elektrisch angetrieben und zu einem autonomen Fahrbetrieb ausgebildet. Für solche elektrisch betriebenen Fahrzeuge ist es bekannt, dass ein Fahrzeuginnenraum I entweder direkt elektrisch beheizt oder anhand einer elektrisch angetriebenen Wärmepumpe beheizt wird. Zur Realisierung der Funktion einer Wärmepumpe wird in einer möglichen Ausgestaltung der Temperiervorrichtung 1 eine entsprechend ausgebildete Klimaanlage des Fahrzeugs im Umkehrbetrieb betrieben.
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Weiterhin umfasst das Fahrzeug zur Speisung eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie einen in 5 dargestellten elektrischen Energiespeicher 2, insbesondere einen elektrischen Akkumulator. Bei kalten Außentemperaturen ist eine Erwärmung des Energiespeichers 2 erforderlich, damit dieser bei einem Ladevorgang, beispielsweise einer Rekuperation, eine ausreichende Menge elektrischer Leistung aufnehmen und bei einem Entladevorgang eine ausreichende Menge elektrischer Leistung abgeben kann.
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Umfasst das Fahrzeug zusätzlich zum elektrischen Energiespeicher 2 ein ebenfalls in 5 näher dargestelltes Brennstoffzellensystem 3, beispielsweise ein so genanntes Brennstoffzellen-Range-Extender-System. Um einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 3 auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen sicherzustellen und so genannte Gefrierstarts zu vermeiden, welche eine Brennstoffzelle dauerhaft schädigen, wird bei dieser Ausgestaltung zusätzlich auch eine Erwärmung der Brennstoffzelle 3.1 vor einem Start derselben durchgeführt.
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Alle diese Erwärmungen bzw. Beheizungen werden bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug im Allgemeinen elektrisch durchgeführt und erfordern eine große Menge elektrischer Energie, woraus eine Reduzierung einer Reichweite des Fahrzeugs resultiert.
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Um diesen Energieverbrauch zu verringern ist vorgesehen, den Fahrzeuginnenraum, den elektrischen Energiespeicher 2 und/oder das Brennstoffzellensystem 3 während eines autonomen Fahrbetriebs des Fahrzeugs mit Verlustwärme zumindest einer für die Funktion des autonomen Fahrbetriebs erforderlichen Steuereinheit 4 zu erwärmen. Derartige Steuereinheiten 4 zeichnen sich im Allgemeinen während eines autonomen Fahrbetriebs des Fahrzeugs durch einen relativ hohen Energieverbrauch bei gleichzeitiger Abgabe von relativ großen Verlustwärmemengen aus. Die mittels der zumindest einen Steuereinheit 4 abgegebene Verlustwärme wird dabei als einzige Wärmequelle oder zusätzlich zu zumindest einer weiteren Wärmequelle, beispielsweise eines elektrischen Heizers oder Wärmepumpensystems, zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums, des elektrischen Energiespeichers 2 und/oder des Brennstoffzellensystems 3 verwendet.
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Die Verwendung der Verlustwärme der zumindest einen Steuereinheit 4 und/oder der zumindest einen weiteren Wärmequelle erfolgt beispielsweise je nach Außentemperatur, Temperaturwunsch im Fahrzeuginnenraum, einer Wärmekapazität des elektrischen Energiespeichers 2, einem Volumen des Fahrzeuginnenraums und/oder anderen Faktoren.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Heizbedarf von Fahrzeuginnenraum, elektrischem Energiespeicher 2 und/oder Brennstoffzellensystem 3 zuerst mit der Verlustwärme bzw. Abwärme der zumindest einen Steuereinheit 4 gedeckt wird und erst dann, wenn diese Wärmemenge oder Heizleistung nicht mehr ausreicht, die zumindest eine zusätzliche Wärmequelle genutzt wird. Hierdurch wird eine hohe Effizienz realisiert. Dabei wird während des autonomen Fahrbetriebs des Fahrzeugs elektrische Energie für Rechenvorgänge der zumindest einen Steuereinheit 4 und/oder für eine Sensorik bereitgestellt, mittels welchen der autonome Fahrbetrieb realisiert wird und die gleichzeitig anfallende Verlustwärme bzw. Abwärme wird für die Erwärmung von Fahrzeuginnenraum, elektrischem Energiespeicher 2 und/oder Brennstoffzellensystem 3 verwendet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die Temperiervorrichtung 1 hierzu einen Temperierkreislauf TK1, welcher thermisch mit der Steuereinheit 4 gekoppelt ist. Der Temperierkreislauf TK1 ist zur Kühlung der Steuereinheit 4 vorgesehen und umfasst eine Fördereinheit 5 zur Förderung eines Temperiermediums, einen Kühler 6, ein Drei-Wege-Ventil 7 zur Aktivierung und Deaktivierung des Kühlers 6 und einen Wärmetauscher 8.
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Über den Wärmetauscher 8 ist der Temperierkreislauf TK1 mit einem weiteren Temperierkreislauf TK2 gekoppelt, welcher als Kältekreislauf ausgebildet ist und einen Kältemittelverdichter 9, einen Kondensator 10 und ein Expansionsventil 11 umfasst.
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Die mittels der Steuereinheit 4 abgegebene Verlustwärme kann dabei entweder über den Kühler 6 an eine Umgebung abgegeben werden oder über den Wärmetauscher 8 in den weiteren Temperierkreislauf TK2 eingespeist werden. Wird der als Kältekreislauf ausgebildete weitere Temperierkreislauf TK2 als Wärmepumpe betrieben, wird mittels diesem erzeugte und über den Kondensator 10 abgegebene Wärme zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums, des elektrischen Energiespeichers 2 und/oder des Brennstoffzellensystems 3 verwendet. Hierzu sind bzw. ist der Fahrzeuginnenraum, der elektrische Energiespeicher 2 und/oder das Brennstoffzellensystem 3 thermisch mit dem weiteren Temperierkreislauf TK2 gekoppelt.
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2 zeigt einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein Fahrzeug. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Temperierkreislauf TK1 eine so genannte Heatpipe 12, welche thermisch mit der Steuereinheit 4 sowie dem Wärmetauscher 8 und somit mit dem weiteren, als Kältemittelkreislauf ausgebildeten Temperierkreislauf TK2 gekoppelt ist.
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Mittels der Verlustwärme der Steuereinheit 4 wird ein innerhalb der Heatpipe 12 befindliches Medium, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, erwärmt und verdampft und am Wärmetauscher 8 abgekühlt und kondensiert. Wenn in der Heatpipe 12 und im weiteren Temperierkreislauf TK2 das gleiche Medium verwendet wird, kann neben einer thermischen Kopplung von Heatpipe 12 und Temperierkreislauf TK2 auch eine medientechnische Kopplung erfolgen.
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In 3 ist ein Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein Fahrzeug dargestellt. Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der weitere Temperierkreislauf TK2 als Kühlkreislauf ausgebildet und umfasst eine Fördereinheit 13 und einen Kühler 14, welcher von der Steuereinheit 4 über die Heatpipe 12 eingespeiste Verlustwärme zumindest mittelbar zur Erwärmung an den Fahrzeuginnenraum, den elektrischen Energiespeicher 2 und/oder das Brennstoffzellensystem 3 abgibt.
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4 zeigt einen Schaltplan eines vierten Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein Fahrzeug, wobei eine thermische Verschaltung von Kühlkreisläufen und Kältekreisläufen eines rein batterieelektrischen Fahrzeugs gezeigt ist. Ein Kühlkreislauf von elektrischen Maschinen und einer Leistungselektronik ist jedoch nicht dargestellt. Hierzu sind separate Kreisläufe vorgesehen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der Steuereinheit 4 in zwei alternativen Positionen dargestellt.
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In einer ersten Position ist die Steuereinheit 4 thermisch mit dem gemäß dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als Kühlkreislauf ausgebildeten Temperierkreislauf TK1 gekoppelt, welche für die Temperierung des elektrischen Energiespeichers 2 vorgesehen ist. Bei einer solchen thermischen Einbindung der Steuereinheit 4 kommt es zwar zu einer höheren thermischen Belastung des Temperierkreislaufs TK1, was jedoch über eine entsprechende Anpassung einer Temperierstrategie einfach kompensierbar ist. Jedoch ist es möglich, in einfacher Weise den elektrischen Energiespeicher 2 mit der Verlustwärme der Steuereinheit 4 zu erwärmen, so dass eine zusätzliche Batterieheizung gegebenenfalls entfallen kann. Hierdurch werden Bauraumvorteile, Gewichtsvorteile, Kostenvorteile sowie eine höhere Effizienz und Reichweite des Fahrzeugs, insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen, erzielt.
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Da eine besonders hohe Rechenleistung und damit auch Verlustwärme der Steuereinheit 4 dann anfällt, wenn das Fahrzeug sich wirklich bewegt, kann es sein, dass die Steuereinheit 4 im Stillstand des Fahrzeugs nicht ausreichend Verlustwärme abgibt, um den Fahrzeuginnenraum, den elektrischen Energiespeicher 2 und/oder das Brennstoffzellensystem 3 zu erwärmen. Um dennoch eine Erwärmung zu ermöglichen, ist der Temperierkreislauf TK1 thermisch mit einem Latentwärmespeicher 21 gekoppelt, welcher Wärme aus dem Temperierkreislauf TK1 speichert und bei Bedarf an den elektrischen Energiespeicher 2 oder in weiteren Ausführungsbeispielen an den Fahrzeuginnenraum und/oder das Brennstoffzellensystem 3 abgibt. Der Latentwärmespeicher 21 kann thermisch geladen werden, wenn viel Verlustwärme anfällt, und entladen werden, wenn wenig Verlustwärme anfällt.
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Der Temperierkreislauf TK1 ist entsprechend dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel über den Wärmetauscher 8 mit dem als Kältemittelkreislauf ausgebildeten weiteren Temperierkreislauf TK2 thermisch gekoppelt, wobei der Wärmetauscher 8 auf der Seite des weiteren Temperierkreislaufs TK2 als Chiller ausgebildet ist. Der weitere Temperierkreislauf TK2 umfasst zusätzlich zu dem in 1 dargestellten Temperierkreislauf TK2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein weiteres Expansionsventil 15 und einen Verdampfer 16 und ist über den Kondensator 10 thermisch mit einem Wärmeübertrager 17 eines weiteren Temperierkreislaufs TK3 gekoppelt.
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Dieser weitere Temperierkreislauf TK3 umfasst weiterhin eine Fördereinheit 18 und einen Wärmeübertrager 19 zur Übertragung von Wärme an den Fahrzeuginnenraum. Des Weiteren umfasst der weitere Temperierkreislauf TK3 einen Latentwärmespeicher 20, welcher Wärme aus dem weiteren Temperierkreislauf TK2 speichert und bei Bedarf an den Fahrzeuginnenraum oder in weiteren Ausführungsbeispielen an den elektrischen Energiespeicher 2 und/oder das Brennstoffzellensystem 3 abgibt.
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Da, wie bereits beschrieben, eine besonders hohe Rechenleistung und damit auch Verlustwärme der Steuereinheit 4 dann anfällt, wenn das Fahrzeug sich wirklich bewegt, kann es sein, dass die Steuereinheit 4 im Stillstand des Fahrzeugs nicht ausreichend Verlustwärme abgibt, um den Fahrzeuginnenraum zu erwärmen. Für diesen Fall kann vorgesehen sein, den elektrischen Energiespeicher 2 in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur zu kühlen bzw. zu entwärmen und diese Wärme dem Fahrzeuginnenraum zuzuführen.
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In einer zweiten Position ist die Steuereinheit 4 thermisch mit dem als Kältemittelkreislauf ausgebildeten weiteren Temperierkreislauf TK2 gekoppelt. Diese Positionierung und Einbindung ist besonders dann sinnvoll, wenn der als Kältemittelkreislauf ausgebildete weitere Temperierkreislauf TK2 bei jeder Umgebungstemperatur betrieben wird, insbesondere auch bei Umgebungstemperaturen im tiefen Temperaturbereich.
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In 5 ist ein Schaltplan eines fünften Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Bus, mit einem Brennstoffzellen-Range-Extender-System dargestellt.
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Die Temperiervorrichtung 1 umfasst einen Temperierkreislauf TK1 zur Temperierung eines elektrischen Energiespeichers 2 und/oder einer Hochvoltkomponente 22, wobei der Temperierkreislauf TK1 eine Fördereinheit 5 für ein Temperiermedium, einen Kühler 6, einen Chiller 23 und drei Drei-Wege-Ventile 7, 24, 25 umfasst. Weiterhin ist der Temperierkreislauf TK1 mit einem Wärmetauscher 8 thermisch koppelbar, welcher thermisch mit einem weiteren Temperierkreislauf TK2 gekoppelt ist. Der Temperierkreislauf TK1 ist weiterhin thermisch mit der Steuereinheit 4 gekoppelt.
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Die Kopplung mit dem Wärmetauscher 8 erfolgt über das Drei-Wege-Ventil 7, wenn Wärme aus dem Temperierkreislauf TK1 in den weiteren Temperierkreislauf TK2 eingespeist werden soll.
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Mittels des Drei-Wege-Ventils 24 wird gesteuert, ob die Batterie 2 und/oder die Hochvoltkomponente 22 temperiert werden soll. Mittels des Drei-Wege-Ventils 25 wird gesteuert, ob der Kühler 6 oder der Chiller 23 in den Temperierkreislauf TK1 eingebunden ist.
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Der weitere Temperierkreislauf TK2 ist zur Temperierung eines Brennstoffzellensystems 3 und eines Fahrzeuginnenraums vorgesehen und umfasst einen Kühler 26, ein Thermostat 27, einen elektrischen Heizer 28, einen Wärmeübertrager 19 zur Übertragung von Wärme an den Fahrzeuginnenraum, eine Fördereinheit 29 zur Förderung eines Temperiermediums und ist thermisch mit dem Wärmetauscher 8 sowie dem Brennstoffzellensystem 3 gekoppelt.
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Das Brennstoffzellensystem 3 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 3.1, einen Befeuchter 3.2 und einen elektrisch angetriebenen Turbolader 3.3.
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Die mögliche thermische Kopplung der Temperierkreisläufe TK1, TK2 über den Wärmetauscher 8 hat den Vorteil, dass sowohl der elektrische Energiespeicher 2 als auch das Brennstoffzellensystem 3 mit der Verlustwärme der Steuereinheit 4 erwärmt werden können. Eine separate Heizeinrichtung zumindest für den elektrischen Energiespeicher 2 kann entfallen.
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Aufgrund der Erwärmung des Brennstoffzellensystems 3 können auch so genannte Gefrierstarts desselben vermieden werden, so dass keine zusätzlichen Heizeinrichtungen für das Brennstoffzellensystem 3 erforderlich sind. Hieraus resultieren insbesondere Gewichts-, Kosten- und Bauraumvorteile. Gleichzeitig wird aufgrund der Vermeidung von Gefrierstarts eine Erhöhung einer Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 3 erzielt. Auch können teure, reversal-tolerante Katalysatorbestandteile entfallen, welche ebenfalls die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 3 beeinträchtigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperiervorrichtung
- 2
- Energiespeicher
- 3
- Brennstoffzellensystem
- 3.1
- Brennstoffzelle
- 3.2
- Befeuchter
- 3.3
- Turbolader
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Fördereinheit
- 6
- Kühler
- 7
- Drei-Wege-Ventil
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Kältemittelverdichter
- 10
- Kondensator
- 11
- Expansionsventil
- 12
- Heatpipe
- 13
- Fördereinheit
- 14
- Kühler
- 15
- Expansionsventil
- 16
- Verdampfer
- 17
- Wärmeübertrager
- 18
- Fördereinheit
- 19
- Wärmeübertrager
- 20
- Latentwärmespeicher
- 21
- Latentwärmespeicher
- 22
- Hochvoltkomponente
- 23
- Chiller
- 24
- Drei-Wege-Ventil
- 25
- Drei-Wege-Ventil
- 26
- Kühler
- 27
- Thermostat
- 28
- Heizer
- 29
- Fördereinheit
- TK1
- Temperierkreislauf
- TK2
- Temperierkreislauf
- TK3
- Temperierkreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010014752 A1 [0002]
