DE102018101518A1 - Thermisches System für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des thermischen Systems - Google Patents

Thermisches System für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des thermischen Systems Download PDF

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Navid Durrani
Tobias Haas
Toni Spies
Daniel Zens
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Hanon Systems Corp
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisches System (1-1 a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b), insbesondere ein Thermomanagementsystem, für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Kältemittelkreislauf (2, 2-1) zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie von einer Komponente eines Antriebsstrangs und mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf (3-1) zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf (2, 2-1). Der Kältemittelkreislauf (2, 2-1) weist einen Verdichter (4, 4-1), einen als Kondensator/Gaskühler (5) betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5), mindestens einen ersten als Verdampfer (10-1, 10-2) betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan (7) sowie einen zweiten als Verdampfer (12) betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan (8) auf. Der Kühlmittelkreislauf (3-1) ist mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1), einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) zum Übertragen von Wärme an Umgebungsluft sowie einer Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) ausgebildet.Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben und eine Verwendung des thermischen Systems (1-1 a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein thermisches System, insbesondere ein Thermomanagementsystem, für ein Kraftfahrzeug mit hohem Kältebedarf mit mindestens einem Kältemittelkreislauf zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie von einer Komponente eines Antriebsstrangs und mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie mindestens einen ersten und einen zweiten jeweils als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan auf.
  • Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben sowie eine Verwendung des thermischen Systems.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Personen-Kraftfahrzeuge mit einem großvolumigen Fahrgastraum, wie Sport- und Nutzfahrzeuge beziehungsweise Geländelimousinen, kurz auch als SUV bezeichnet, Fahrzeuge mit erhöhter Karosserie, Hochdachkombis oder Kleinbusse, kurz auch als VAN bezeichnet, oder Fahrzeuge der Luxusklasse, werden mit Klimatisierungssystemen und Kältemittelkreisläufen mit mindestens zwei Verdampfern ausgebildet, um verschiedene Bereiche des Fahrgastraums getrennt voneinander zu klimatisieren. Dabei wird der Fahrgastraum insbesondere in einen vorderen und einen hinteren Bereich unterteilt. Die Bezeichnungen vorderer Bereich, auch als Frontbereich bezeichnet, und hinterer Bereich, auch als Heckbereich bezeichnet, beziehen sich auf die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs.
  • Ein erster Luftmassenstrom wird beim Überströmen eines ersten Verdampfers, dem sogenannten Frontverdampfer, konditioniert und in den vorderen Bereich des Fahrgastraums geleitet, um sowohl für den Fahrer als auch den Beifahrer ein komfortables Klima zu erzeugen. Ein zweiter Luftmassenstrom wird beim Überströmen eines zweiten Verdampfers, dem sogenannten Heckverdampfer, konditioniert und in den hinteren Bereich des Fahrgastraums geleitet, um den Insassen der zweiten und gegebenenfalls der dritten Sitzreihe innerhalb des Fahrgastraums ein komfortables Klima zu erzeugen.
  • Der Frontverdampfer und der Heckverdampfer sind in getrennt voneinander ausgebildeten Klimageräten angeordnet. Dabei kann jedes Klimagerät unabhängig voneinander einen gewünschten Luftvolumenstrom mit einer geforderten Lufttemperatur und einer vorgegebenen Luftströmungsrichtung bereitstellen.
  • Zudem weisen hochelektrifizierte Fahrzeuge, wie Elektrofahrzeuge, kurz als EV bezeichnet, beziehungsweise batterieelektrische Fahrzeuge, kurz als BEV bezeichnet, oder Hybridfahrzeuge, kurz als HEV bezeichnet, beziehungsweise Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge, kurz als PHEV bezeichnet, oder Brennstoffzellenfahrzeuge, kurz als FCV bezeichnet, aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Insbesondere sind die genannten Fahrzeuge mit einer Möglichkeit zum Schnellladen der elektrischen Energiespeicher, wie der Hochvoltbatterie des Antriebsstrangs, als einer gesteigerten Anforderung an die Kühlung der Energiespeicher auszubilden. Dabei führen sehr hohe Ladeströme unter anderem zu hohen elektrischen Verlusten und folglich zu einem starken Aufheizen des Energiespeichers. Um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie, welche üblicherweise zwischen 20°C und 35°C liegen, einzuhalten, ist entweder ein zusätzlicher Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, auch als Chiller bezeichnet, oder ein als Batteriekühler ausgebildeter direkt kältemittelgekühlter Wärmeübertrager vorzusehen.
  • Zusätzlich weisen herkömmliche Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen Hybridantrieb einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf auf, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierten Wärme zirkulierende Kühlmittel durch einen luftgekühlten Niedertemperaturkühler geleitet wird. Beim Durchströmen des Niedertemperaturkühlers wird zumindest ein Anteil der Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen. Dabei kann die Wärme von Komponenten abgeführt werden, welche bei höheren Temperaturen als der Temperatur der Umgebungsluft betrieben werden, wie beispielsweise der elektrische Antriebsmotor oder der Inverter, welche den Betrieb bei Temperaturen von bis 90°C ermöglichen.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Systeme und Verfahren zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, einer Hochvoltbatterie des Antriebsstrangs bekannt.
  • So ist beispielsweise ein System auf Basis einer Luftkühlung mit einem zusätzlichen Luftgebläse ausgebildet, welches Luft aus dem Fahrgastraum ansaugt. Die aus dem Fahrgastraum angesaugte Luft ist dabei im Allgemeinen trockener und kühler als die Umgebungsluft oder Außenluft. Die kühle, trockene Luft wird durch ein Gehäuse, in welchem die Hochvoltbatterie angeordnet ist, gefördert und nimmt Wärme von den Batteriezellen auf. Die erwärmte Luft wird anschließend in die Umgebung verbracht. Das Übertragen der Wärme von den Batteriezellen an die die Batteriezellen umströmende Luft bewirkt einerseits ein Abkühlen der Batteriezellen und andererseits ein Erwärmen des Luftstroms.
  • Bei einem weiteren, auf einer Kühlmittelkühlung basierenden System ist ein kühlmitteldurchströmter Wärmeübertrager in direktem Kontakt mit den Batteriezellen der Hochvoltbatterie angeordnet. Dabei wird Wärme von den Batteriezellen an das Kühlmittel übertragen, welches durch den Kontakt-Wärmeübertrager hindurch strömt. Das Übertragen der Wärme von den Batteriezellen an das die Batteriezellen umströmende Kühlmittel bewirkt einerseits ein Abkühlen der Batteriezellen und andererseits ein Erwärmen des Kühlmittels. Bei Temperaturen der Umgebungsluft, welche geringer ist als die Temperatur der Batteriezellen, ist es im Allgemeinen ausreichend, die vom Kühlmittel im Kontakt-Wärmeübertrager aufgenommene Wärme in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die kühlere Umgebungsluft zu übertragen. Bei Temperaturen der Umgebungsluft, welche höher ist als die Temperatur der Batteriezellen oder ungefähr der Temperatur der Batteriezellen entspricht, wird das Kühlmittel durch einen Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager geleitet, wobei die vom Kühlmittel im Kontakt-Wärmeübertrager aufgenommene Wärme im Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager an das Kältemittel übertragen wird. Der jeweils erforderliche Kühlmittelmassenstrom wird über eine innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildete Fördervorrichtung, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, bereitgestellt. Der vorzugsweise als ein Verdampfer betriebene Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager ist auf der Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs angeordnet. Die von den Batteriezellen an das die Batteriezellen umströmende Kühlmittel übertragene Wärme wird vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen, wobei das Kühlmittel abgekühlt und das Kältemittel verdampft sowie möglicherweise überhitzt werden. Anschließend wird die vom Kältemittel aufgenommene Wärme in einem im Kältemittelkreislauf hochdruckseitig angeordneten und als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft übertragen.
  • Bei einem weiteren, auf einer Kältemittelkühlung basierenden System ist ein kältemitteldurchströmter Wärmeübertrager in direktem Kontakt mit den Batteriezellen der Hochvoltbatterie angeordnet. Dabei wird unabhängig von der Temperatur der Umgebungsluft bedarfsweise Wärme von den Batteriezellen an das den als Verdampfer betriebenen Kontakt-Wärmeübertrager durchströmende Kältemittel übertragen. Das Kältemittel wird dabei verdampft und gegebenenfalls überhitzt. Anschließend wird die vom Kältemittel aufgenommene Wärme in einem im Kältemittelkreislauf hochdruckseitig angeordneten und als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft übertragen.
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen und Verfahren zum Kühlen einer Hochvoltbatterie des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs kann die beim Laden der Hochvoltbatterie im Stand des Kraftfahrzeugs erforderliche Luftmenge mit zur Verfügung stehenden Luftgebläsen nicht bereitgestellt werden, um eine ausreichende Kühlleistung zu erreichen. Selbst unter der Annahme des Bereitstellens einer für eine entsprechende Kühlleistung ausreichenden Luftmenge, würde sich durch das Strömen der hohen Luftmenge ein deutlich erhöhtes Geräuschniveau einstellen. Zudem ist es auch unter Verwendung eines Kältemittelkreislaufs mit verfügbaren Komponenten nicht möglich, eine erforderliche Spitzenkälteleistung von bis zu 16 kW und höher zu erreichen.
  • In der DE 10 2017 101 217 A1 wird ein Wärmebatteriesystem mit einer Wärmespeichereinrichtung, einem Kühlmittelventil, einem Temperatursensor und einer Steuerung offenbart. Die Wärmespeichereinrichtung weist ein erstes Phasenwechselmaterial mit einer ersten Phasenwechseltemperatur und ein zweites Phasenwechselmaterial mit einer zweiten, von der ersten Phasenwechseltemperatur abweichenden zweiten Phasenwechseltemperatur auf. Das Kühlmittelventil ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position einstellbar ausgebildet, um die Wärmespeichereinrichtung gezielt mit einem Motorkühlmittelkreislauf zu koppeln und eine Kühlmittelmenge, welche durch die Wärmespeichereinrichtung zirkuliert, zu regulieren. Die Phasenwechselmaterialien stehen in direktem Kontakt mit den Batteriezellen, sodass bei einer Erwärmung der Batteriezellen und einer geeigneten Wahl des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials Wärme von den Batteriezellen direkt an das Phasenwechselmaterial übertragen wird.
  • Da die Batteriezellen in einem Temperaturbereich von etwa 20°C bis 35°C, insbesondere etwa 25°C bis 35°C, zu betreiben sind, um eine ausreichende Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten, hat das Phasenwechselmaterial einen Schmelzpunkt unterhalb von 35°C aufzuweisen, damit Wärme von den Batteriezellen an das Phasenwechselmaterial übertragen werden kann. Bei einem Betriebszustand eines stehenden Kraftfahrzeugs bei Temperaturen der Umgebungsluft oberhalb von 35°C sowie vollständig geladenem Latentwärmespeicher, bei welchem das Phasenwechselmaterial in flüssiger Form vorliegt, kann keine Wärme aus den Batteriezellen aufgenommen werden. Für ein Abkühlen der Batteriezellen auf ein Temperaturniveau unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials ist zunächst die gesamte gespeicherte latente Wärme aus dem Latentwärmespeicher abzuführen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, mit ausreichender Kälteleistung für Kraftfahrzeuge mit einem großen Kältebedarf, zum Beispiel für hochelektrifizierte Kraftfahrzeuge. Dabei soll eine Wärmespeichervorrichtung derart in dem thermischen System integriert sein, dass beispielsweise Spitzenwärmelasten auch bei hohen Temperaturen der Umgebungsluft abgedeckt werden und eine Grundwärmelast an die Umgebung abgeführt werden können. Die Wärmespeichervorrichtung soll zudem bedarfsgerecht, entsprechend den gestiegenen Anforderungen, abgekühlt werden können. Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum minimal sein. Das System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes thermisches System, insbesondere ein Thermomanagementsystem, für ein Kraftfahrzeug gelöst. Das thermische System weist mindestens einen Kältemittelkreislauf zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie von einer Komponente eines Antriebsstrangs sowie mindestens einen Kühlmittelkreislauf zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf auf. Der mindestens eine Kältemittelkreislauf ist mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mindestens einem ersten als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan sowie einem zweiten als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan ausgebildet.
  • Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Nach der Konzeption der Erfindung weist der Kühlmittelkreislauf den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an Umgebungsluft sowie eine Wärmespeichervorrichtung auf.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das thermische System einen Wärmeübertrager zum Konditionieren einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer Batterie, speziell einer Hochvoltbatterie, sowie zum Übertragen von Wärme an das durch den ersten als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs strömenden Kältemittels auf.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das thermische System mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf mit dem Wärmeübertrager zum Konditionieren der Energiespeichervorrichtung sowie dem ersten als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs derart ausgebildet, dass das Kühlmittel beim Durchströmen des Verdampfers beim Durchströmen des Wärmeübertragers aufgenommene Wärme an den Kältemittelkreislauf überträgt.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf wird bevorzugt auf einem geringeren Temperaturniveau als der zweite Kühlmittelkreislauf betrieben, sodass der erste Kühlmittelkreislauf auch als Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf auch als Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf bezeichnet werden.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der erste als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs in Kombination mit dem Wärmeübertrager zum Konditionieren der Energiespeichervorrichtung zur direkten Übertragung von Wärme an das Kältemittel ausgebildet. Im Vergleich zur ersten alternativen Ausgestaltung sind die Wärmeübertrager ohne einen zwischengeschalteten Kühlmittelkreislauf thermisch direkt miteinander gekoppelt.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erste als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan in einem ersten Strömungspfad und der zweite als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan in einem zweiten Strömungspfad des Kältemittelkreislaufs angeordnet sind. Die Strömungspfade sind dabei parallel mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet.
  • Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft sowie die Wärmespeichervorrichtung des ersten Kühlmittelkreislaufs sind vorteilhaft in Reihe zueinander geschaltet und nacheinander vom Kühlmittel durchströmbar angeordnet.
  • Nach alternativen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Wärmespeichervorrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels entweder nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und vor dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager oder nach dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und vor dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmespeichervorrichtung des ersten Kühlmittelkreislaufs als ein Latentwärmespeicher ein Phasenwechselmaterial auf.
  • Das Phasenwechselmaterial ist vorteilhaft derart ausgebildet, beim Betrieb der Wärmespeichervorrichtung zwischen den Phasen fest und flüssig zu wechseln. Dabei weist das Phasenwechselmaterial bevorzugt eine konstante Schmelztemperatur beziehungsweise Erstarrungstemperatur, insbesondere im Bereich von 40°C bis 80°C, auf.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Kühlmittelkreislauf einen ersten Strömungspfad sowie einen zweiten Strömungspfad auf, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstreckend und parallel von Kühlmittel durchströmbar ausgebildet sind. Dabei sind der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs im ersten Strömungspfad und ein Wärmeübertrager zum Temperieren einer Komponente des Antriebsstrangs im zweiten Strömungspfad angeordnet. Die Abzweigstelle ist vorteilhaft als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren eines ersten dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms mit einem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan auf, welche in einem gemeinsamen Strömungspfad angeordnet sind. Dabei ist der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum ersten Strömungspfad mit dem Verdampfer als zweitem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren eines zweiten dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms und zum zweiten Strömungspfad mit dem Verdampfer parallel mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet.
  • Der Kältemittelkreislauf ist bevorzugt mit einem zweiten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft ausgebildet, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet ist.
  • Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweiter Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager, insbesondere einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft, sowie einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan ausgebildet. Der zweite Kältemittelkreislauf dient dabei bevorzugt dem unabhängigen Konditionieren eines zweiten, dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms.
  • Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs sind in Strömungsrichtung der Umgebungsluft bevorzugt in angegebener Reihenfolge nacheinander von Umgebungsluft anströmbar angeordnet.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des konzeptionsgemäßen thermischen Systems, insbesondere des Thermomanagementsystems, für ein Kraftfahrzeug gelöst.
  • Nach der Konzeption der Erfindung wird je nach Bedarf und vom System aufgenommener Wärme in den Kühlmittelkreislauf, insbesondere aus dem Kältemittelkreislauf in den Kühlmittelkreislauf, übertragene Wärme in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft und/oder an das Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung übertragen. Dabei wird das Phasenwechselmaterial von einer festen Phase in eine flüssige Phase überführt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ausschließlich nicht im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft übertragbare Wärme an das Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung übertragen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird im Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung gespeicherte Wärme an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs und beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers an die Umgebungsluft übertragen. Dabei wird das Phasenwechselmaterial von der flüssigen Phase in die feste Phase überführt. Das Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an das Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung sowie vom Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung an das Kühlmittel erfolgen zeitversetzt.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des thermischen Systems als ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs sowie zum Konditionieren einer elektrischen Energiespeichervorrichtung bei einem Schnellladevorgang zum Abführen von Spitzenwärmelasten. Das thermische System ist dabei vorteilhaft zum Optimieren von Vorgängen des Schnellladens elektrischer Speichereinrichtungen batterieelektrisch ausgebildeter Kraftfahrzeuge vorgesehen.
  • Unter einer Spitzenwärmelast ist dabei eine Wärmemenge zu verstehen, welche größer ist als eine mit vorhandenen Komponenten des Systems an die Umgebungsluft abführbare Wärme.
  • Das erfindungsgemäße System weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - bedarfsweise Maximierung der Gesamtkälteleistung,
    • - Steigerung der Kälteleistung zum Ermöglichen von Schnellladevorgängen der Hochvoltbatterie ohne Drosseln des Ladestroms infolge erhöhter Temperaturen der Batteriezellen,
    • - Latentwärmespeicher mit hoher Energiedichte pro Masseneinheit und Volumeneinheit, da Phasenwechselmaterialien bis zu 14-mal mehr Wärme pro Volumeneinheit speichern als sensible Wärmespeicher, wie Wasser oder Gestein, dabei
    • - bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials während der Phasenänderung nahezu konstant, was beispielsweise zum Glätten von Temperaturschwankungen und dem Halten des zu kühlenden Objekts auf einer gleichmäßigen Temperatur dient, zudem erfolgen die Wärmeabgabe und die Wärmespeicherung durch das Phasenwechselmaterial bei konstanter Temperatur
    • - abhängig von der Masse oder dem Volumen des Phasenwechselmaterials kann die Wärme über einen längeren Zeitraum vollständig absorbiert werden, ohne dass ein Luftgebläse eines Kühlmoduls in Betrieb ist,
    • - der Latentwärmespeicher kann einfach und in jedem verfügbaren Raum in den Kühlmittelkreislauf integriert werden, ist bei ausschließlichem Einsatz zur Abwärmenutzung ohne thermische Isolation verwendbar, was Kosten und Bauraum reduziert und für schnelle Ladevorgänge einer Hochvoltbatterie unentbehrlich ist, zudem
    • - Erhöhen der Kühlleistung eines Klimatiserungssystems im Kraftfahrzeug, insbesondere bei stehendem Kraftfahrzeug,
    • - beim Einsatz von mindestens zwei Kältemittelverdichtern Bereitstellen eines im Vergleich zu bekannten Systemen höheren Massenstroms an Kältemittel und damit einer hohen Kälteleistung,
    • - Entkopplung der Kältemittelkreisläufe und Einsatz der mindestens zwei Verdichter macht die Kälteleistung des Gesamtsystems sehr gut regelbar, zudem wird die Druckabhängigkeit der Verdampfer voneinander aufgehoben,
    • - damit werden eine hohe Dynamik sowie eine hohe Flexibilität während des Betriebs gewährleistet,
    • - Komponenten der getrennten Kältemittelkreisläufe sind exakt auf den gewünschten Kältebedarf dimensionierbar, was zu kleineren und somit leichteren Komponenten führt,
    • - kurze Kältemittelleitungen, da sowohl Verdichter als auch kühlmittelgekühlte Kondensator/Gaskühler variabel und ortsunabhängig anordenbar sind, was auch den kältemittelseitigen Gesamtdruckverlust innerhalb des Kältemittelkreislaufs minimiert,
    • - damit maximale Effizienz des Klimatisierungssystems beim Betrieb und minimaler Bauraum sowie
    • - geringe Kosten bei der Herstellung, da mit Blick auf bekannte Komponenten keine neuartigen oder zusätzlichen Komponenten erforderlich sind, bei der Wartung sowie während des Betriebs.
  • Das thermische System, insbesondere die Kältemittelkreisläufe, sind unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf, R404a, R600a, R290, R152a, R32 oder deren Gemischen oder andere Kältemittel ausgelegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, aus welchen jeweils ein thermisches System eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem ersten Kältemittelkreislauf zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums und einen hinteren Bereich des Fahrgastraums sowie mindestens einem ersten Kühlmittelkreislauf mit einer Wärmespeichervorrichtung zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere eines elektrischen Antriebsstrangs, hervorgeht. Dabei zeigen:
    • 1a: ein System mit einem zusätzlichen zweiten Kühlmittelkreislauf, welcher mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und einen Wärmeübertrager zum Kühlen einer Batterie aufweist, wobei die Wärmespeichervorrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf vor einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist,
    • 1b: ein System ähnlich dem System aus 1a, wobei die Wärmespeichervorrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf nach dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist,
    • 1c: ein System ähnlich dem System aus 1a ohne zusätzlichen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Batterie, wobei ein Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt ist,
    • 1d: ein System ähnlich dem System aus 1b ohne zusätzlichen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Batterie, wobei ein Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt ist,
    • 2a: ein System mit einem zusätzlichen zweiten Kältemittelkreislauf und einem zusätzlichen zweiten Kühlmittelkreislauf, welcher mit dem ersten Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und einen Wärmeübertrager zum Kühlen einer Batterie aufweist, wobei die Wärmespeichervorrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf vor dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist,
    • 2b: ein System ähnlich dem System aus 2a, wobei die Wärmespeichervorrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf nach dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist,
    • 2c: ein System ähnlich dem System aus 2a ohne zusätzlichen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Batterie, wobei ein Wärmeübertrager des ersten Kältemittelkreislaufs zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt ist, sowie
    • 2d: ein System ähnlich dem System aus 2b ohne zusätzlichen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Batterie, wobei ein Wärmeübertrager des ersten Kältemittelkreislaufs zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt ist.
  • Aus 1a geht ein thermisches System 1-1a eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums und einen hinteren Bereich des Fahrgastraums, einem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-1 zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 2 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs, insbesondere eines elektrischen Antriebsstrangs, wie einem Elektromotor, und einem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 hervor.
  • Der zweite Kühlmittelkreislauf 3-2 ist über einen als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1, welcher auch als Chiller bezeichnet wird, mit dem Kältemittelkreislauf 2 thermisch gekoppelt und mit einem Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen einer elektrischen Komponente, wie einer Hochvoltbatterie, ausgebildet. Der Wärmeübertrager 21-1 wird auch als Batteriekühler und der zweite Kühlmittelkreislauf 3-2 wird aufgrund des Temperaturniveaus des Kühlmittels auch als Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf bezeichnet. Das Kühlmittel wird mittels einer Fördervorrichtung 22, insbesondere einer Pumpe, im Kühlmittelkreislauf 3-2 umgewälzt.
  • Der Kältemittelkreislauf 2 weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 4, einen ersten als Kondensator/Gaskühler 5 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5, einen zweiten als Kondensator/Gaskühler 6-1 betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-1 sowie als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 10-1, 11-1, 12 jeweils mit einem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan 7, 8, 9-1 auf. Die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 10-1, 11-1, 12 mit den vorgelagert angeordneten, beispielsweise als elektrische Expansionsventile ausgebildeten Expansionsorganen 7, 8, 9-1 sind jeweils innerhalb eines Strömungspfades angeordnet. Dabei ist jeweils parallel zum Strömungspfad mit dem als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11-1 und dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan 9-1 sowie zum Strömungspfad mit dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 12 und dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan 8 ein Strömungspfad mit dem Expansionsorgan 7 und dem in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgelagerten, als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 3-2 ausgebildet. Die Verdampfer 10-1, 11-1, 12 werden mit den in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorganen 7, 8, 9-1 je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagt. Das aus den Verdampfern 10-1, 11-1, 12 ausströmende Kältemittel wird vom Verdichter 4 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2 ist geschlossen.
  • Die beim Verdampfen des Kältemittels im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11-1 erzeugte Kälteleistung dient zum Abkühlen eines dem Fahrgastraum im vorderen Bereich zugeführten Luftmassenstroms, während die beim Verdampfen des Kältemittels im zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 12 erzeugte Kälteleistung zum Abkühlen eines dem Fahrgastraum im hinteren Bereich zugeführten Luftmassenstroms dient. Beim Verdampfen des Kältemittels im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1, welcher den Kältemittelkreislauf 2 thermisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 koppelt, wird die im Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen der elektrischen Komponente an das Kühlmittel übertragene Wärme als Kälteleistung vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen. Das im zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 zirkulierende Kühlmittel nimmt folglich beim Durchströmen des Batteriekühlers 21-1 Wärme aus der Hochvoltbatterie auf, wobei der Batteriekühler 21-1 entweder als ein Kontakt-Wärmeübertrager ausgebildet ist oder die Batteriezellen vom Kühlmittel umströmt werden.
  • Das vom Verdichter 4 auf einem Niederdruckniveau mit geringer Temperatur angesaugte Kältemittel wird auf ein Hochdruckniveau mit hoher Temperatur gefördert und verdichtet. Beim Durchströmen des ersten als Kondensator/Gaskühler des Kältemittelkreislaufs 2 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 5 kann die jeweils vom Kältemittel beim Verdampfen in den Wärmeübertragern 10-1, 11-1, 12 und beim Verdichten im Verdichter 4 aufgenommene Wärme vom Kältemittel zumindest anteilig an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 zirkulierende Kühlmittel übertragen werden.
  • Über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 ist der Kältemittelkreislauf 2 thermisch mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 gekoppelt. In dem stromabwärts zum ersten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 angeordneten zweiten als Kondensator/Gaskühler des Kältemittelkreislaufs 2 betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-1 kann das Kältemittel weiter abgekühlt oder kondensiert und/oder unterkühlt werden, indem Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen wird. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-1 sind im Kältemittelkreislauf 2 in Reihe zueinander geschaltet angeordnet und werden nacheinander mit Kältemittel beaufschalgt.
  • Der erste Kühlmittelkreislauf 3-1 dient mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 zur Aufnahme von Wärme des Kältemittels aus dem Kältemittelkreislauf 2. Des Weiteren wird der erste Kühlmittelkreislauf 3-1 als Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf auch zum Abführen von Wärme von unterschiedlichen Komponenten 19, beispielsweise des elektrischen Antriebsstrangs, wie einem internen Ladegerät beziehungsweise einer Ladeeinrichtung, einem Transformer oder Stromwandler, einem Inverter oder dem elektrischen Antriebsmotor, oder zum Abführen von Wärme aus der Ladeluft oder des Getriebeöls genutzt.
  • Das Kühlmittel wird dabei auf zwei unterschiedliche Strömungspfade 15, 16 aufgeteilt, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle 17 zu einer Mündungsstelle 18 erstrecken, wobei der erste Strömungspfad 15 den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 aufweist und das Kühlmittel durch den zweiten Strömungspfad 16 zur zu kühlenden Komponente 19, insbesondere der elektrischen Komponente, geleitet wird. Die beiden Strömungspfade 15, 16 werden dabei je nach Bedarf einzeln oder gemeinsam und parallel mit Kühlmittel beaufschlagt. Zum Aufteilen des Kühlmittels ist die Abzweigstelle 17 als Drei-Wege-Ventil ausgebildet, sodass die Anteile des Massenstroms je nach Bedarf zwischen 0 und 100 % betragen können.
  • Die Wärmespeichervorrichtung 20-1 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 nach der Mündungsstelle 18 der Strömungspfade 15, 16 und damit stromabwärts des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 5 sowie vor einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 angeordnet, sodass speziell beim Betrieb des Systems 1-1a mit hohen Wärmelasten zunächst Wärme vom Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 mit hoher Temperatur an das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers 20-1 übertragen werden kann, bevor anschließend beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 13 Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragen und das Kühlmittel weiter abgekühlt wird.
  • Insbesondere wird bei einem Schnellladevorgang der Hochvoltbatterie, bei welchem über den Batteriekühler 21-1 eine große Wärmemenge von der Hochvoltbatterie abzuführen, an das im zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 zirkulierende Kühlmittel beziehungsweise an das im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierende Kältemittel und im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 zirkulierende Kühlmittel zu übertragen ist, ein großer Anteil der Wärmemenge des letztlich im Kühlmittelkreislauf 3-1 zirkulierenden Kühlmittels im Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers 20-1 gespeichert, welches dabei eine Phasenänderung von fest zu flüssig erfährt.
  • Ansonsten kann die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 beziehungsweise von der Komponente 19 vom Kühlmittel aufgenommene Wärme je nach Bedarf beim Durchströmen der Wärmespeichervorrichtung 20-1 an das in der Wärmespeichervorrichtung 20-1 angeordnete Phasenwechselmaterial beziehungsweise beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 13 an die Umgebungsluft übertragen werden. Das Kühlmittel wird mittels einer Fördervorrichtung 14, insbesondere einer Pumpe, im Kühlmittelkreislauf 3-1 umgewälzt.
  • Die im Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers 20-1, insbesondere beim Schnellladevorgang der Hochvoltbatterie gespeicherte latente Wärme kann je nach Bedarf und zu gegebenem Zeitpunkt zeitverzögert, speziell während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, an das im Kühlmittelkreislauf 3-1 zirkulierende Kühlmittel und im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 als luftgekühltem Niedertemperaturkühler an die Umgebungsluft übertragen werden. Das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers 20-1 erfährt dabei eine Phasenänderung von flüssig zu fest.
  • Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 kann auch während des Schnellladevorgangs der Hochvoltbatterie zudem gleichzeitig die Zuluft für den Fahrgastraum konditioniert, insbesondere gekühlt werden. Die als Latentwärmespeicher ausgebildete Wärmespeichervorrichtung 20-1 wird dabei als ein thermischer Pufferspeicher genutzt, um bei Abwärmenutzungsspitzen des Kältemittelkreislaufs 2 abgegebene Wärme aufzunehmen.
  • Mit der Ausbildung des Systems 1-1a nach 1a ist es möglich, die Zuluftströme für den Frontbereich und den Heckbereich des Fahrgastraums als separate Zonen unabhängig voneinander zu konditionieren. Zudem besteht die Möglichkeit, lediglich den Wärmeübertrager 21-1 als Batteriekühler, beispielsweise zum Kühlen der Hochvoltbatterie zu nutzen, während die Zuluftströme für den Fahrgastraum nicht konditioniert, insbesondere nicht abgekühlt und/oder entfeuchtet, werden. Dabei wird die Wärme durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2, den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1 des Kältemittelkreislaufs 2 sowie den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 in Verbindung mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-1 beziehungsweise den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 indirekt von der Hochvoltbatterie an die Umgebungsluft und/oder an das Phasenwechselmatieral der Wärmespeichervorrichtung 20-1 übertragen.
  • Der auch als Niedertemperaturkühler bezeichnete Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-1 des Kältemittelkreislaufs 2 sind jeweils im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, um die Wärme an die Umgebungsluft zu übertragen. Dabei sind die Wärmeübertrager 13, 6-1 in Strömungsrichtung der Umgebungsluft in genannter Reihenfolge angeordnet, sodass der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 von der kühlen Umgebungsluft mit entsprechender Temperatur direkt angeströmt wird.
  • In 1b ist ein thermisches System 1-2a eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums und einen hinteren Bereich des Fahrgastraums, einem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-2 zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 2 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs und einem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2, ähnlich dem System 1-1a aus 1a, gezeigt.
  • Im Unterschied zum System 1-1a gemäß 1a ist beim System 1-2a gemäß 1b lediglich die Wärmespeichervorrichtung 20-2 in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 nach dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 und damit zwischen dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 sowie der Abzweigstelle 17 beziehungsweise der Fördervorrichtung 14 angeordnet.
  • Das System 1-2a bietet im Vergleich zum System 1-1a aus 1a den Vorteil, dass lediglich die Wärme im Latentwärmespeicher 20-2 gespeichert wird, welche beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 13 nicht vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragbar ist.
    Die Funktionen des Systems 1-2a aus 1b und des Systems 1-1a aus 1a, insbesondere des Kältemittelkreislaufs 2 sowie des zweiten Kühlmittelkreislaufs 3-2, sind identisch.
  • 1c zeigt ein thermisches System 1-3a eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums und einen hinteren Bereich des Fahrgastraums, einem Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-1 zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 2 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs, ähnlich dem System 1-1 a aus 1a.
  • Im Unterschied zum System 1-1a gemäß 1a ist das System 1-3a gemäß 1c ohne den zweiten, zusätzlichen Kühlmittelkreislauf 3-2 mit dem Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen einer elektrischen Komponente, wie der Hochvoltbatterie, ausgebildet. Anstelle des von Kühlmittel durchströmten Wärmeübertragers 21-1 ist der Wärmeübertrager 10-2 des Kältemittelkreislaufs 2 zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt. Das im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierende Kältemittel nimmt folglich beim Durchströmen des Batteriekühlers 21-2 Wärme aus der Hochvoltbatterie auf, wobei der Batteriekühler 21-2 entweder als ein Kontakt-Wärmeübertrager, insbesondere mit dem Wärmeübertrager 10-2 des Kältemittelkreislaufs 2, ausgebildet ist oder die Batteriezellen vom Kältemittel umströmt werden.
  • In 1d ist ein thermisches System 1-4a eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf 2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums und einen hinteren Bereich des Fahrgastraums, einem Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-2 zur Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 2 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs, ähnlich dem System 1-2a aus 1b, gezeigt.
  • Im Unterschied zum System 1-2a gemäß 1b ist das System 1-4a gemäß 1d ohne den zweiten, zusätzlichen Kühlmittelkreislauf 3-2 mit dem Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen einer elektrischen Komponente, wie der Hochvoltbatterie, ausgebildet. Anstelle des von Kühlmittel durchströmten Wärmeübertragers 21-1 ist der Wärmeübertrager 10-2 des Kältemittelkreislaufs 2 zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt. Das im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierende Kältemittel nimmt folglich beim Durchströmen des Batteriekühlers 21-2 Wärme aus der Hochvoltbatterie auf, wobei der Batteriekühler 21-2 entweder als ein Kontakt-Wärmeübertrager, insbesondere mit dem Wärmeübertrager 10-2 des Kältemittelkreislaufs 2, ausgebildet ist oder die Batteriezellen vom Kältemittel umströmt werden.
  • Aus 2a geht ein thermisches System 1-1 b eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 zum Konditionieren der Luft für einen hinteren Bereich des Fahrgastraums sowie einem zweiten Kältemittelkreislauf 2-2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums, einem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-1 zur Aufnahme von Wärme aus dem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs, insbesondere eines elektrischen Antriebsstrangs, wie einem Elektromotor, und einem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 hervor.
    Der erste Kühlmittelkreislauf 3-1 und der zweite Kühlmittelkreislauf 3-2 sind identisch zu den Kühlmittelkreisläufen 3-1, 3-2 des Systems 1-1a nach 1a ausgebildet.
  • Der erste Kältemittelkreislauf 2-1 weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 4-1, einen als Kondensator/Gaskühler 5 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 sowie als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 10-1, 12 jeweils mit einem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan 7, 8 auf. Die als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 10-1, 12 mit den vorgelagert angeordneten, beispielsweise als elektrische Expansionsventile ausgebildeten Expansionsorganen 7, 8 sind jeweils innerhalb eines Strömungspfades angeordnet. Dabei ist parallel zum Strömungspfad mit dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 12 und dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorgan 8 der Strömungspfad mit dem Expansionsorgan 7 und dem in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgelagerten, als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 3-2 ausgebildet. Die Verdampfer 10-1, 12 werden mit den in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Expansionsorganen 7, 8 je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagt. Das aus den Verdampfern 10-1, 12 ausströmende Kältemittel wird vom Verdichter 4-1 angesaugt. Der erste Kältemittelkreislauf 2-1 ist geschlossen.
  • Die beim Verdampfen des Kältemittels im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 12 erzeugte Kälteleistung dient zum Abkühlen eines dem Fahrgastraum im hinteren Bereich zugeführten Luftmassenstroms. Beim Verdampfen des Kältemittels im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1, welcher den ersten Kältemittelkreislauf 2-1 thermisch mit dem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 koppelt, wird die im Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen der elektrischen Komponente an das Kühlmittel übertragene Wärme als Kälteleistung vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen. Das im zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2 zirkulierende Kühlmittel nimmt folglich beim Durchströmen des Batteriekühlers 21-1 Wärme aus der Hochvoltbatterie auf, wobei der Batteriekühler 21-1 entweder als ein Kontakt-Wärmeübertrager ausgebildet ist oder die Batteriezellen vom Kühlmittel umströmt werden.
  • Das vom Verdichter 4-1 auf einem Niederdruckniveau mit geringer Temperatur angesaugte Kältemittel wird auf ein Hochdruckniveau mit hoher Temperatur gefördert und verdichtet. Beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 5 wird die jeweils vom Kältemittel beim Verdampfen in den Wärmeübertragern 10-1, 12 und beim Verdichten im Verdichter 4-1 aufgenommene Wärme vom Kältemittel an das im ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 zirkulierende Kühlmittel übertragen, wobei das Kältemittel abgekühlt oder kondensiert und/oder unterkühlt wird. Über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 ist der erste Kältemittelkreislauf 2-1 thermisch mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 gekoppelt.
  • Der zweite Kältemittelkreislauf 2-2, welcher beispielsweise dazu dient, bei einer aktiven Kühlung der elektrischen Komponente mittels des Wärmeübertragers 21-1 gleichzeitig die Zuluft des Innenraums des Kraftfahrzeugs konditionieren zu können, weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 4-2, einen als Kondensator/Gaskühler 6-2 betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-2 sowie einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 11-2 mit vorgelagert angeordnetem, beispielsweise als elektrisches Expansionsventil ausgebildetem Expansionsorgan 9-2 auf. Das aus dem Verdampfer 11-2 ausströmende Kältemittel wird vom Verdichter 4-2 angesaugt. Der zweite Kältemittelkreislauf 2-2 ist geschlossen. Die beim Verdampfen des Kältemittels im ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11-2 erzeugte Kälteleistung dient zum Abkühlen eines dem Fahrgastraum im vorderen Bereich zugeführten Luftmassenstroms.
  • Das vom Verdichter 4-2 auf einem Niederdruckniveau mit geringer Temperatur angesaugte Kältemittel wird auf ein Hochdruckniveau mit hoher Temperatur gefördert und verdichtet. Beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler des zweiten Kältemittelkreislaufs 2-2 betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6-2, welcher nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform auch als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein kann, wird die vom Kältemittel beim Verdampfen im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 11-2, welcher nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform auch als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein kann, und beim Verdichten im Verdichter 4-2 aufgenommene Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen, wobei das Kältemittel abgekühlt oder kondensiert und/oder unterkühlt wird.
  • Mit der Ausbildung des Systems 1-1b nach 2a ist es möglich, die Zuluftströme für den Frontbereich und den Heckbereich des Fahrgastraums als separate Zonen unabhängig voneinander zu konditionieren. Zudem besteht die Möglichkeit, lediglich den Wärmeübertrager 21-1 als Batteriekühler, beispielsweise zum Kühlen der Hochvoltbatterie zu nutzen, während insbesondere der Zuluftstrom für den hinteren Bereich des Fahrgastraums nicht konditioniert, insbesondere nicht abgekühlt und/oder entfeuchtet, wird beziehungsweise der Verdichter 4-2 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2-2 und damit der zweite Kältemittelkreislauf 2-2 außer Betrieb ist. Dabei wird die Wärme durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2, den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10-1 des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1 sowie den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 beziehungsweise den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 indirekt von der Hochvoltbatterie an die Umgebungsluft und/oder an das Phasenwechselmatieral der Wärmespeichervorrichtung 20-1 übertragen. Durch eine optimale Anordnung der Komponenten Verdichter 4-1, kühlmittelgekühlter Kondensator/Gaskühler 5, Expansionsorgane 7, 8 sowie der Verdampfer 10-1, 12 des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1 werden die Komponenten durch Kältemittelleitungen mit minimaler Länge miteinander verbunden. Durch den Einsatz der Kältemittelleitungen mit minimaler Länge werden zum einen die Druckverluste des Kältemittels beim Durchströmen der Kältemittelleitungen minimiert. Zum anderen sind das Gewicht und die damit verbundenen Kosten der Kältemittelleitungen minimal.
  • Der auch als Niedertemperaturkühler bezeichnete Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6-2 des zweiten Kältemittelkreislaufs 2-2 sind jeweils im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, um die Wärme an die Umgebungsluft zu übertragen. Dabei sind die Wärmeübertrager 13, 6-2 in Strömungsrichtung der Umgebungsluft in genannter Reihenfolge angeordnet, sodass der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 des ersten Kühlmittelkreislaufs 3-1 von der kühlen Umgebungsluft mit entsprechender Temperatur direkt angeströmt wird.
  • In 2b ist ein thermisches System 1-2b eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 zum Konditionieren der Luft für einen hinteren Bereich des Fahrgastraums sowie einem zweiten Kältemittelkreislauf 2-2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums, einem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-2 zur Aufnahme von Wärme aus dem ersten Kältemittelkreislauf 2 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs und einem zweiten Kühlmittelkreislauf 3-2, ähnlich dem System 1-1b aus 2a, gezeigt.
  • Im Unterschied zum System 1-1b gemäß 2a ist beim System 1-2b gemäß 2b lediglich die Wärmespeichervorrichtung 20-2 in Strömungsrichtung des Kühlmittels im ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 nach dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 und damit zwischen dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 13 sowie der Abzweigstelle 17 beziehungsweise der Fördervorrichtung 14 angeordnet.
  • Das System 1-2b bietet im Vergleich zum System 1-1b aus 2a den Vorteil, dass lediglich die Wärme im Latentwärmespeicher 20-2 gespeichert wird, welche beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 13 nicht vom Kühlmittel an die Umgebungsluft übertragbar ist.
    Die Funktionen des Systems 1-2b und des Systems 1-1b, insbesondere der Kältemittelkreisläufe 2-1, 2-2 sowie des zweiten Kühlmittelkreislaufs 3-2, sind identisch.
  • 2c zeigt ein thermisches System 1-3b eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 zum Konditionieren der Luft für einen hinteren Bereich des Fahrgastraums sowie einem zweiten Kältemittelkreislauf 2-2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums, einem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-1 zur Aufnahme von Wärme aus dem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs, ähnlich dem System 1-1b aus 2a.
  • Im Unterschied zum System 1-1b gemäß 2a ist das System 1-3b gemäß 2c ohne den zweiten, zusätzlichen Kühlmittelkreislauf 3-2 mit dem Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen einer elektrischen Komponente, wie der Hochvoltbatterie, ausgebildet. Anstelle des von Kühlmittel durchströmten Wärmeübertragers 21-1 ist der Wärmeübertrager 10-2 des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1 zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt. Das im ersten Kältemittelkreislauf 2-1 zirkulierende Kältemittel nimmt folglich beim Durchströmen des Batteriekühlers 21-2 Wärme aus der Hochvoltbatterie auf, wobei der Batteriekühler 21-2 entweder als ein Kontakt-Wärmeübertrager, insbesondere mit dem Wärmeübertrager 10-2 des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1, ausgebildet ist oder die Batteriezellen vom Kältemittel umströmt werden.
  • In 2d ist ein thermisches System 1-4b eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 zum Konditionieren der Luft für einen hinteren Bereich des Fahrgastraums sowie einem zweiten Kältemittelkreislauf 2-2 zum Konditionieren der Luft für einen vorderen Bereich des Fahrgastraums, einem ersten Kühlmittelkreislauf 3-1 mit einer Wärmespeichervorrichtung 20-2 zur Aufnahme von Wärme aus dem ersten Kältemittelkreislauf 2-1 und zum Kühlen beispielsweise von Komponenten 19 eines Antriebsstrangs, ähnlich dem System 1-2b aus 2b, gezeigt.
  • Im Unterschied zum System 1-2b gemäß 2b ist das System 1-4b gemäß 2d ohne den zweiten, zusätzlichen Kühlmittelkreislauf 3-2 mit dem Wärmeübertrager 21-1 zum Kühlen einer elektrischen Komponente, wie der Hochvoltbatterie, ausgebildet. Anstelle des von Kühlmittel durchströmten Wärmeübertragers 21-1 ist der Wärmeübertrager 10-2 des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1 zum Kühlen der Batterie direkt mit den Batteriezellen thermisch gekoppelt. Das im ersten Kältemittelkreislauf 2-1 zirkulierende Kältemittel nimmt folglich beim Durchströmen des Batteriekühlers 21-2 Wärme aus der Hochvoltbatterie auf, wobei der Batteriekühler 21-2 entweder als ein Kontakt-Wärmeübertrager, insbesondere mit dem Wärmeübertrager 10-2 des ersten Kältemittelkreislaufs 2-1, ausgebildet ist oder die Batteriezellen vom Kältemittel umströmt werden.
  • Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform weist der erste Kältemittelkreislauf 2, 2-1 lediglich einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf.
  • Die Kältemittelkreisläufe 2, 2-1, 2-2 können zudem mit zusätzlichen parallel und/oder seriell zueinander angeordneten als Kondensatoren/Gaskühler und/oder Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern und/oder Expansionsorganen ausgebildet sein. Zudem können die Kältemittelkreisläufe 2, 2-1, 2-2 hochdruckseitig einen oder mehrere Hochdrucksammler beziehungsweise niederdruckseitig einen oder mehrere Niederdrucksammler, auch als Akkumulator bezeichnet, beziehungsweise einen oder mehrere innere Wärmeübertrager aufweisen. Dabei können auch Akkumulatoren mit integriertem inneren Wärmeübertrager ausgebildet sein.
    Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation oder Verflüssigung weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt.
  • Des Weiteren können einerseits die Kältemittelkreisläufe 2-1, 2-2 und andererseits die Kühlmittelkreisläufe 3-1, 3-2 jeweils direkt oder über einen oder mehrere zusätzliche Kältemittel-Kältemittel-Wärmeübertrager beziehungsweise Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager thermisch miteinander gekoppelt sein.
  • Die thermischen Systeme 1-1 a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b können zudem mit nicht dargestellten Kühlmittelkreisläufen beziehungsweise Strömungspfaden von Kühlmittelkreisläufen für den Betrieb des jeweiligen Systems 1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b in einem Heizmodus oder in einem Nachheizmodus ausgebildet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a
    System
    1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b
    System
    2, 2-1
    Kältemittelkreislauf, erster Kältemittelkreislauf
    2-2
    Kältemittelkreislauf, zweiter Kältemittelkreislauf
    3-1
    erster Kühlmittelkreislauf, Kühlmittelkreislauf
    3-2
    zweiter Kühlmittelkreislauf, Kühlmittelkreislauf
    4, 4-1
    Verdichter (erster) Kältemittelkreislauf 2, 2-1
    4-2
    Verdichter zweiter Kältemittelkreislauf 2-2
    5
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, (erster) Kondensator/Gaskühler Kältemittelkreislauf 2
    6-1
    Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, (zweiter) Kondensator/Gaskühler Kältemittelkreislauf 2
    6-2
    Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler zweiter Kältemittelkreislauf 2-2
    7, 8, 9-1
    Expansionsorgan (erster) Kältemittelkreislauf 2, 2-1
    9-2
    Expansionsorgan zweiter Kältemittelkreislauf 2-2
    10-1
    Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, Verdampfer
    10-2
    Wärmeübertrager, Verdampfer
    11-1, 11-2
    erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Verdampfer
    12
    zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Verdampfer
    13
    Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
    14
    Fördervorrichtung, Pumpe
    15
    erster Strömungspfad
    16
    zweiter Strömungspfad
    17
    Abzweigstelle, Drei-Wege-Ventil
    18
    Mündungsstelle
    19
    Komponente Antriebsstrang
    20-1, 20-2
    Wärmespeichervorrichtung, Latentwärmespeicher
    21-1, 21-2
    Wärmeübertrager, Batteriekühler
    22
    Fördervorrichtung, Pumpe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017101217 A1 [0013]

Claims (20)

  1. Thermisches System (1-1 a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b), insbesondere ein Thermomanagementsystem, für ein Kraftfahrzeug, aufweisend - mindestens einen Kältemittelkreislauf (2, 2-1) zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie von einer Komponente eines Antriebsstrangs mit einem Verdichter (4, 4-1), einem als Kondensator/Gaskühler (5) betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5), mindestens einem ersten als Verdampfer (10-1, 10-2) betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan (7) sowie einem zweiten als Verdampfer (12) betriebenen Wärmeübertrager mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan (8) sowie - mindestens einen Kühlmittelkreislauf (3-1) zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf (2, 2-1), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3-1) mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1), einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) zum Übertragen von Wärme an Umgebungsluft sowie einer Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) ausgebildet ist.
  2. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager (21-1, 21-2) zum Konditionieren einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer Batterie, sowie zum Übertragen von Wärme an das durch den als Verdampfer (10-1, 10-2) betriebenen Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1) strömenden Kältemittels ausgebildet ist.
  3. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-1b, 1-2b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kühlmittelkreislauf (3-2) mit dem Wärmeübertrager (21-1) zum Konditionieren der Energiespeichervorrichtung sowie dem ersten als Verdampfer (10-1) betriebenen Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1) derart ausgebildet ist, dass Kühlmittel beim Durchströmen des Verdampfers (10-1) beim Durchströmen des Wärmeübertragers (21-1) aufgenommene Wärme an den Kältemittelkreislauf (2, 2-1) überträgt.
  4. Thermisches System (1-3a, 1-4a, 1-3b, 1-4b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste als Verdampfer (10-1) betriebene Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1) in Kombination mit dem Wärmeübertrager (21-1) zum Konditionieren der Energiespeichervorrichtung zur direkten Übertragung von Wärme an das Kältemittel ausgebildet ist.
  5. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste als Verdampfer (10-1, 10-2) betriebene Wärmeübertrager mit dem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan (7) in einem ersten Strömungspfad und der zweite als Verdampfer (12) betriebene Wärmeübertrager mit dem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan (8) in einem zweiten Strömungspfad angeordnet sind, wobei die Strömungspfade parallel mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet sind.
  6. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1), der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) sowie die Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) des Kühlmittelkreislaufs (3-1) in Reihe zueinander geschaltet und nacheinander vom Kühlmittel durchströmbar angeordnet sind.
  7. Thermisches System (1-1a, 1-3a, 1-1b, 1-3b) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (20-1) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) und vor dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) angeordnet ist.
  8. Thermisches System (1-2a, 1-4a, 1-2b, 1-4b) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (20-2) in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) und vor dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) angeordnet ist.
  9. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) des Kühlmittelkreislaufs (3-1) als ein Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial ausgebildet ist.
  10. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial beim Betrieb der Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) zwischen den Phasen fest und flüssig wechselnd ausgebildet ist.
  11. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial eine konstante Schmelztemperatur oder Erstarrungstemperatur, insbesondere im Bereich von 40°C bis 80°C, aufweist.
  12. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (3-1) einen ersten Strömungspfad (15) sowie einen zweiten Strömungspfad (16) aufweist, welche sich jeweils von einer Abzweigstelle (17) bis zu einer Mündungsstelle (18) erstreckend und parallel von Kühlmittel durchströmbar ausgebildet sind, wobei der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) des Kältemittelkreislaufs (2, 2-1) im ersten Strömungspfad (15) und ein Wärmeübertrager zum Temperieren einer Komponente (19) des Antriebsstrangs im zweiten Strömungspfad (16) angeordnet sind.
  13. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) einen als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (11-1) zum Konditionieren eines ersten dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms mit einem vorgelagert angeordneten Expansionsorgan (9-1) aufweist, welche in einem gemeinsamen Strömungspfad angeordnet sind, wobei der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (11-1) zum ersten Strömungspfad mit dem Verdampfer (12) als zweitem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (12) zum Konditionieren eines zweiten dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms und zum zweiten Strömungspfad mit dem Verdampfer (10-1) parallel mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet ist.
  14. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) einen zweiten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6-1) zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft aufweist, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten als Kondensator/Gaskühler (5) betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (5) angeordnet ist.
  15. Thermisches System (1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kältemittelkreislauf (2-2) mit einem Verdichter (4-2), einem als Kondensator/Gaskühler (6-2) betriebenen Wärmeübertrager, insbesondere einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6-2) zum Übertragen von Wärme an die Umgebungsluft, sowie einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (11-2) zum Konditionieren eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms mit vorgelagert angeordnetem Expansionsorgan (9-2) ausgebildet ist.
  16. Thermisches System (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Umgebungsluft der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) des Kühlmittelkreislaufs (3-1) und der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (6-1, 6-2) des Kältemittelkreislaufs (2, 2-2) nacheinander von Umgebungsluft anströmbar angeordnet sind.
  17. Verfahren zum Betreiben eines thermisches Systems (1-1 a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Bedarf und vom System (1-1 a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) aufgenommener Wärme in den Kühlmittelkreislauf (3-1) übertragene Wärme in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) an Umgebungsluft und/oder an ein Phasenwechselmaterial einer Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) übertragen wird, wobei das Phasenwechselmaterial von einer festen Phase in eine flüssige Phase überführt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich nicht im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (13) an die Umgebungsluft übertragbare Wärme an das Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung (20-2) übertragen wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) gespeicherte Wärme an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (3-1) und beim Durchströmen des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers (13) an die Umgebungsluft übertragen wird, wobei das Phasenwechselmaterial von der flüssigen Phase in die feste Phase überführt wird und das Übertragen der Wärme vom Kühlmittel an das Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) sowie vom Phasenwechselmaterial der Wärmespeichervorrichtung (20-1, 20-2) an das Kühlmittel zeitversetzt erfolgen.
  20. Verwendung eines thermisches Systems (1-1a, 1-2a, 1-3a, 1-4a, 1-1b, 1-2b, 1-3b, 1-4b) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs sowie zum Konditionieren einer elektrischen Energiespeichervorrichtung bei einem Schnellladevorgang zum Abführen von Spitzenwärmelasten.
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