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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von Batteriezellenmodulen, insbesondere von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen mit einem zu kühlenden Hochvoltenergiespeicher.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Regelung eines Kältemittelkreislaufes, welcher über einen kühlmittelgekühlten Kondensator mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist.
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Im Stand der Technik sind diverse Kälteanlagen und Regelungskonzepte für die Kühlung von Hochvoltenergiespeichern, die allgemein auch als Batterien oder Akkumulatoren bezeichnet werden, bekannt.
So geht beispielsweise aus der
DE 10 2013 211 259 A1 ein Verfahren und ein Steuergerät zur Optimierung der Kühlung eines Hochvoltspeichers durch eine Klimaanlage hervor. Dabei wird insbesondere zur Anhebung des Hochdrucks im Kältemittelkreislauf bei geringen Außentemperaturen eine Reduzierung des Kühlmittelvolumenstroms vorgenommen.
Weiterhin geht aus der
US 8 191 618 B2 ein Verfahren für das thermische Management hervor, wobei ein Kältemittelkreislauf mit einem Kühlmittelkreislauf über einen Wärmeübertrager gekoppelt ist. Der Wärmeübertrager ist dabei zur Verbesserung der Effizienz der Batteriekühlung als Latentwärmespeicher ausgebildet.
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Außerdem ist aus der
DE 10 2015 218 825 A1 ein Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs bekannt.
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Dem Stand der Technik ist der Nachteil zu eigen, dass eine Reduzierung des Kühlmittelvolumenstroms zu einer deutlichen Senkung der Vorlauftemperatur am kühlmittelgekühlten Kondensator des Kältekreislaufes führt. Im Grenzfall wird die Vorlauftemperatur bis auf Umgebungstemperaturniveau gesenkt. Im Falle eines als Gegenströmer ausgelegten kühlmittelgekühlten Kondensators des Kältemittelkreislaufes erzielt man durch das angewendete Verfahren, das die Wärmeübertragung inbesondere in den Bereich des kältemittelseitigen Austritts verlagert wird. Im Bereich des kältemittelseitigen Eintritts hat sich die Kühlmitteltemperatur bereits stark an die Kältemittelkondensationstemperatur angenähert, so dass dort nur wenig Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen werden kann. Durch dieses Verfahren lässt sich niemals die Kühlmittelvorlauftemperatur steigern, sondern nur senken. Insgesamt kommt die starke Reduzierung des Kühlmittelvolumenstroms einer Verringerung der Wärmeübertragungsfläche gleich, wodurch sich nur eine leichte Anhebung des kältemittelseitigen Hochdruckniveaus im Kältemittelkreislauf erzielen lässt.
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Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass die Kühlmittelvorlauftemperatur stark abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Das bedeutet, dass bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten mehr Wärme vom Kühlmittelkühler an die Umgebungsluft übertragen werden kann als bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten oder gar im Stand. Die geringeren Kühlmittelvorlauftemperaturen bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten gehen einher mit einem geringeren Hochdruckniveau im Kältemittelkreislauf und daher einer reduzierten Kälteleistung des Batteriekühlers bei diesen Bedingungen. In 1 ist ein typischer Kreisprozess nach dem Stand der Technik in einem Log(p)h-Diagramm dargestellt. Die Batteriezellentemperatur T1 der Fahrzeugbatterie liegt auf einem hohen Temperaturniveau, in der Regel von über 25 °C, da die Kühlanforderung nach heutigem Stand der Technik an die absolute Batterietemperatur gekoppelt ist. Bei einem hohen Temperaturniveau weist die Batterie den optimalen Wirkungsgrad auf und ein hohes Temperaturniveau ist ebenso zuträglich für die Dauerhaltbarkeit der Batterie. Nach dem Stand der Technik liegt die Kühlmittelvorlauftemperatur T3 des kühlmittelgekühlten, insbesondere wassergekühlten Kondensators ungefähr auf dem Niveau der Umgebungstemperatur T2, woraus sich ein deutlich geringerer Hochdruck und ein noch geringerer Saugdruck im Vergleich zu warmen Außentemperaturen ergibt. In Summe resultiert daraus eine sehr hohe treibende Temperaturdifferenz ΔT als T4 zwischen der Batteriezellentemperatur T1 und der Sättigungstemperatur auf der Saugseite im Batteriekühler. Durch den deutlich geringeren Saugdruck mit einer geringeren Saugdichte und geringerem Kältemittelmassenstrom bei niedrigen Außentemperaturen verringert sich die maximal mögliche Kälteleistung des Batteriekühlers gegenüber warmen Außentemperaturen. Zudem führt die hohe Temperaturdifferenz ΔT dazu, dass das Kältemittel im Batteriekühler vorzeitig überhitzt und somit eine homogene Batteriezellenkühlung erschwert wird beziehungsweise unmöglich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Effizienz des Kältemittelkreislaufes in allen Betriebszuständen des Fahrzeuges zu verbessern.
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Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass beispielsweise im Stillstand des Fahrzeuges aber auch während der Fahrt die Kühlmittelvorlauftemperatur des kühlmittelgekühlten Kondensators gezielt erhöht und aktiv geregelt wird. Besonders bei tiefen Außentemperaturen von beispielsweise unterhalb 0 °C wird die Kühlmittelvorlauftemperatur auf größer 10 °C durch die erfindungsgemäße Konzeption angehoben. Die Kühlmittelvorlauftemperatur wird durch die aktive Regelung eines Kühlmittelkühlerbypass-Massenstroms M2 solange erhöht, bis der Hochdruck im Kältemittelkreislauf den vorgegebenen Sollwert erreicht hat.
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Aus der Umsetzung dieser Konzeption ergeben sich diverse Vorteile für die Batteriekühlfunktion auf der Kältemittelkreislaufebene, die nachfolgend noch näher erörtert werden.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Vorrichtung zur Kühlung von Batteriezellenmodulen gelöst, welche einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelverdichter, einem kühlmittelgekühlten Hauptkondensator für das Kältemittel, einem Expansionsorgan und einem Batteriekühler, der die Batteriezellenmodule kühlt und die einzelnen Komponenten verbindende Kältemittelleitungen gelöst, wobei weiterhin ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist, der eine Kühlmittelpumpe, einen Kühlmittelkühler und den kühlmittelgekühlten Hauptkondensator sowie die Komponenten verbindende Kühlmittelleitungen aufweist.
Die Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkreislauf ein absperrbarer Bypass für das Kühlmittel zum Kühlmittelkühler angeordnet ist. Der Bypass ermöglicht innerhalb des Regelungsverfahrens den Kühlmittelkühler in bestimmten Betriebssituationen gänzlich zu umfahren und das erwärmte Kühlmittel unmittelbar dem Hauptkondensator des Kältemittelkreislaufes zukommen zu lassen und damit die Eingangstemperatur des Kühlmittels signifikant zu erhöhen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht weiterhin darin, dass ein Kühlmittelgesamtmassenstrom mittels Kühlmittelventilen im Kühlmittelkreislauf in Teilmassenströme aufteilbar und über den Bypass und/oder den Kühlmittelkühler führbar ausgebildet ist. Bevorzugt sind die Teilmassenströme regelbar ausgeführt.
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Besonders vorteilhaft ist zur Aufteilung und Regelung des Kühlmittelgesamtmassenstromes in Teilmassenströme ein 3/2-Wege-Ventil im Kühlmittelkreislauf angeordnet.
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Vorteilhaft ist im Kältemittelkreislauf in Kältemittelströmungsrichtung hinter dem Hauptkondensator ein Drucksensor für den Hochdruck angeordnet.
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Weiterhin von Vorteil ist, im Kältemittelkreislauf in Kältemittelströmungsrichtung vor dem Hauptkondensator einen Drucksensor für den Hochdruck vorzusehen.
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Alternativ von Vorteil ist, im Kältemittelkreislauf in Kältemittelströmungsrichtung zwischen dem Expansionsorgan und dem Kältemittelverdichter einen Drucksensor für den Niederdruck anzuordnen.
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Weitere vorteilhafte Varianten des Kältemittelkreislaufes bestehen darin, zusätzliche parallele oder serielle Kondensatoren/Gaskühler und/oder Verdampfer und/oder Expansionsorgane im Kältemittelkreislauf anzuordnen, um auch verschiedenste zusätzliche Anforderungen an den Kältemittelkreislauf zu realisieren.
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Weiterhin besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kältemittelkreislaufes darin, auf der Hochdruckseite einen oder mehrere Hochdrucksammler und/oder einen oder mehrere Niederdrucksammler anzuordnen sowie gegebenenfalls einen inneren Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf vorzusehen.
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Erfindungsgemäß ist im Kältemittelkreislauf ein luftgekühlter Nebenkondensator zwischen dem Hauptkondensator und dem Expansionsorgan angeordnet, über welchen Wärme aus dem Kältemittelkreislauf abgeführt werden kann. Erfindungsgemäß ist ein Bypass für das Kältemittel zum Nebenkondensator ausgeführt, so dass das Kältemittel mittels eines 3/2-Wegeventils beispielsweise wahlweise oder in einem bestimmten Verhältnis zueinander über den Nebenkondensator, den Bypass oder in einem bestimmten Verhältnis zueinander über den Bypass und den Nebenkondensator strömen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Kühlung von Batteriezellenmodulen mit einer vorangehend spezifizierten Vorrichtung gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einem geringeren Hochdruck als dem Sollwert im Kältemittelkreislauf der Kühlmittelmassenstrom über den Bypass für das Kühlmittel solange erhöht wird, bis der Hochdruck im Kältemittelkreislauf den Sollwert für den Druck erreicht hat.
Bevorzugt erfolgt eine Vorsteuerung der Kühlmittelventile in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, sodass bei eingeregeltem Hochdruck am Drucksensor im Kältemittelkreislauf mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit das Kühlmittelventil für den Kühlmittelkühler weiter geschlossen und das Kühlmittelventil für den Bypass weiter geöffnet wird und umgekehrt.
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Vorteilhaft wird der Kältemittelkreislauf mit Kältemitteln wie R1234yf, R134a, R744, R404a, R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemischen betrieben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass der optimale Niederdruck durch die Regelung der Teilmassenströme im Kältemittelkreislauf alternativ zum Hochdruck eingestellt wird.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass ein Effizienzgewinn im Kältemittelkreislauf bei geringen Außentemperaturen möglich ist.
Weiterhin ist eine Kälteleistungssteigerung des Kältekreislaufes bei niedrigen Außentemperaturen möglich, wodurch ein Schnellladen mit unveränderter Stromstärke auch bei geringeren Außentemperaturen möglich ist. Unter niedrigen Außentemperaturen werden im Anwendungsbereich der Erfindung Temperaturen um und unter 0 °C verstanden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass das Design für die Batteriekühler weniger robust gegenüber Kältemittelüberhitzung ausgeführt werden muss, was zu signifikanten Kosteneinsparungen führt.
Aus ökonomischen und ökologischen Gründen vorteilhaft ist, dass eine geringere Kältemittelfüllmenge bei niedrigeren Außentemperaturen erforderlich ist, was neben einem Kosteneinsparungspotenzial für das Kältemittel auch mit einem volumenmäßig kleiner ausgeführten Kältemittelsammler einhergeht, wodurch Kosten-, Bauraum- und Gewichtsvorteile entstehen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Källtemittelkreisprozess im log(p)h-Diagramm nach dem Stand der Technik,
- 2: gekoppelter Kältemittel- und Kühlmittelkreislauf mit Bypass des Kühlmittelkühlers,
- 3: gekoppelter Kreislauf ohne Nutzung des Bypasses im Kühlmittelkreislauf,
- 4: log(p)h-Diagramm eines Kaltdampfprozesses mit Druckerhöhung auf der Hochdruckseite,
- 5: gekoppelter Kreislauf in Bypassschaltung,
- 6: log(p)h-Diagramm für Kälteprozess in Bypassschaltung des Kühlmittels,
- 7: gekoppelter Kreislauf im stationären Fall mit Aufteilung der Kühlmittelmassenströme,
- 8: log(p)h-Diagramm im stationären Fall,
- 9: Regelungsschema für die Kühlmittelventile für Bypass und Kühlmittelkühler,
- 10: gekoppelter Kreislauf mit luftgekühltem Nebenkondensator mit Luftklappen,
- 11: gekoppelter Kreislauf nach der Erfindung mit Bypass des Nebenkondensators.
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In 2 ist ein Kältemittelkreislauf A und ein Kühlmittelkreislauf B, thermisch gekoppelt über einen kühlmittelgekühlten Hauptkondensator 2 des Kältemittelkreislaufes dargestellt. Der Kältemittelkreislauf A besteht im Wesentlichen aus den üblichen Komponenten, einem Kältemittelverdichter 1, dem kühlmittelgekühlten Hauptkondensator 2, einem Expansionsorgan 3, welches vorzugsweise als elektronisches Expansionsventil (EXV) ausgeführt ist, einem Batteriekühler 4, sowie Kältemittelleitungen 5 und einem Drucksensor 7 oder 7a. Die bevorzugte Position des Drucksensors ist dabei in Kältemittelströmungsrichtung hinter dem Hauptkondensator 2 als Drucksensor 7 bezeichnet und dargestellt, alternativ ist die Position des Drucksensors 7a in Strömungsrichtung vor dem Hauptkondensator 2 dargestellt. Der Batteriekühler 4 befindet sich in direktem Kontakt zu den Batteriezellenmodulen 6, um diese bedarfsweise zu kühlen. Der im oberen Bereich der 2 dargestellte Kühlmittelkreislauf B besteht im Wesentlichen aus einer Kühlmittelpumpe 8, die den Kühlmittelgesamtmassenstrom M12 fördert und zwei Kühlmittelventilen 9 und 10, welche bevorzugt mit regelbarem Drosselquerschnitt ausgeführt sind. Die Kühlmittelventile 9 und 10 regeln gemeinsam die Kühlmittelmassenströme M1 und M2, welche als Teilmassenstrom den Kühlmittelgesamtmassenstrom M12 bilden. Die Massenströme sind in den Figuren durch einen Punkt über den Symbolen entsprechend dargestellt. Weiterhin sind ein Kühlmittelkühler 11, auch als LTR bezeichnet, sowie diverse Kühlmittelleitungen 14 vorgesehen. Ein Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem kühlmittelgekühlten Hauptkondensator 2 angeordnet und misst, wie begrifflich bezeichnet, die Kühlmittelvorlauftemperatur. Der Kühlmittelgesamtmassenstrom M12 wird an dem Verzweigungspunkt 12 in einen Teilmassenstrom M1, der über den Kühlmittelkühler 11 strömt und einen Teilmassenstrom M2, der in einem Bypass 23 für das Kühlmittel an dem Kühlmittelkühler 11 vorbeigeführt wird, aufgeteilt. Stromabwärts werden die Teilmassenströme des Kühlmittels M1 und M2 am Zusammenführungspunkt 13 wieder vereinigt und durchströmen gemeinsam den Hauptkondensator 2 und zur Kühlmittelpumpe 8 zurück. Der Kühlmittelkühler 11 sitzt vorzugsweise im Kühlermodul im Vorderwagen des Fahrzeuges und wird von dem Luftvolumenstrom aus der Umgebung, der Kühlluft 16, überströmt. Die Abwärme aus dem Kühlmittelkreislauf B kann von dem Kühlmittelkühler 11 an die Kühlluft 16 übertragen und vom System an die Umgebung abgegeben werden.
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In 3 ist ein gekoppelter Kreislauf dargestellt, welcher insbesondere bei Außentemperaturen von beispielsweise größer als 5 °C gefahren wird. Um eine maximale Kälteleistung zu erzielen, wird das Kühlmittelventil 9 vollständig geöffnet und das Kühlmittelventil 10 vollständig geschlossen. Der Kühlmittelgesamtmassenstrom M12 strömt somit über den Kühlmittelkühler 11 und der Bypass 23 für das Kühlmittel ist geschlossen. Somit wird so viel Wärme wie möglich von dem Kühlmittelkühler 11 an die Umgebungsluft beziehungsweise an die Kühlluft 16 abgegeben.
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In 4 ist korrespondierend zur in 3 gezeigten Kälteanlage das log(p)h-Diagramm mit dem Kaltdampfprozess als typischen Kreisprozess des Kältemittelkreislaufes A bei hohen Außentemperaturen gezeigt. Im dargestellten Kältekreislauf liegt die Sättigungstemperatur auf der Hochdruckseite deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur T2 und die Sättigungstemperatur auf der Saugseite deutlich unterhalb der Batteriezellentemperatur T1. Die Temperaturdifferenz ist mit ΔT4 gesondert gekennzeichnet. Die Kühlmittelvorlauftemperatur T3 des kühlmittelgekühlten Hauptkondensators 2 liegt oberhalb der Umgebungstemperatur T2. Die Kühlmittelvorlauftemperatur T3 wird dabei gemessen vom Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15 und die Batteriezellentemperatur T1 wird unmittelbar an den Batteriezellenmodulen 6 gemessen. Die Umgebungstemperatur T2 entspricht der Temperatur der Kühlluft 16.
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In 5 ist der Betrieb der Vorrichtung bei geringen Außentemperaturen von beispielsweise weniger als 5 °C im instationären Fall dargestellt. Insbesondere im instationären Fall, wenn das System gerade gestartet wurde und die Kühlmittelvorlauftemperatur am Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15 in den kühlmittelgekühlten Hauptkondensator 2 und die Umgebungstemperatur der Kühlluft 16 auf ähnlichem Niveau liegen, gilt es, die Kühlmittelvorlauftemperatur T3, gemessen am Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15, so schnell wie möglich anzuheben, um das Hochdruckniveau, gemessen am Drucksensor 7 oder alternativ 7a, im Kältemittelkreislauf A zu steigern Die Kühlmittelvorlauftemperatur wird gesteigert, beziehungsweise erhöht, indem das Kühlmittelventil 9 vollständig geschlossen und das Kühlmittelventil 10 vollständig geöffnet wird. Der Kühlmittelgesamtmassenstrom M12 gelangt somit vollständig über den Kühlmittelkühlerbypass 23 zum Hauptkondensator 2 und der Kühlmittelkühler 11 wird in diesem Betriebszustand nicht von Kühlmittel durchströmt. Somit wird keine Wärme vom Kühlmittelkühler 11 an die Kühlluft 16 übertragen und die Kühlmittelvorlauftemperatur, gemessen am Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15, nach und nach durch die vom Kältemittelkreislauf A durch den kühlmittelgekühlten Hauptkondensator 2 an den Kühlmittelkreislauf B übertragene Wärme erwärmt.
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In 6 ist ein typischer Kreisprozess des Kältemittelkreislaufes A korrespondierend zur Schaltung in 5 bei niedrigen Außentemperaturen und eine gewisse Zeit nach dem Start des Systems dargestellt. Die Batteriezellentemperatur T1 liegt wie bei hohen Außentemperaturen auf einem ähnlich hohen Temperaturniveau, da die Kühlanforderung für die Batterie in der Regel an die absolute Batteriezellentemperatur T1 der Batteriezellenmodule 6 gekoppelt ist. Durch vollständiges Öffnen des Kühlmittelkühlerbypasses 23 erwärmt sich der Kühlmittelvorlauf, gemessen am Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15, vor dem Eintritt in den Hauptkondensator 2 auf ein Temperaturniveau deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur T2 beziehungsweise der Lufteintrittstemperatur der Kühlluft 16 in den Kühlmittelkühler 11. In der Folge steigt die Sättigungstemperatur auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes A auf ein Niveau, das höher als die Lufteintrittstemperatur der Kühlluft 16 und deutlich höher als die Umgebungstemperatur T2 ist. Vorteilhaft ist zum einen, dass dadurch auch das Saugdruckniveau und damit die Saugdichte, der maximale Kältemittelmassenstrom und somit die maximale Kälteleistung steigt und die treibende Temperaturdifferenz ΔT kleiner wird, wodurch das Kältemittel im Batteriekühler 4 später überhitzt und eine homogenere Abkühlung der Batteriezellenmodule 6 möglich wird.
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In 7 ist der Kreislauf bei geringen Außentemperaturen im stationären Fall dargestellt. Im stationären Fall, wenn das System bereits eine längere Zeit betrieben wurde und die Kühlmittelvorlauftemperatur am Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15 in den kühlmittelgekühlten Hauptkondensator 2 oberhalb der Umgebungstemperatur T2 liegt, soll die Kühlmittelvorlauftemperatur auf einem konstanten Niveau gehalten werden. Das zu regelnde Temperaturniveau richtet sich nach dem Hochdruckniveau, welches am Drucksensor 7, alternativ am Drucksensor 7a, im Kältemittelkreislauf A gemessen wird. Um die Kühlmittelvorlauftemperatur auf einem konstanten Niveau halten zu können, wird der Kühlmittelgesamtmassenstrom M12 über die Regulierung der Öffnungsquerschnitte der Kühlmittelventile 9, 10 auf die Kühlmittelteilmassenströme M1 und M2 aufgeteilt. In den Kühlmittelkreislauf B eingetragene Wärme, die zu einer weiteren Erhöhung der Kühlmittelvorlauftemperatur beitragen würde, kann so über den Kühlmittelkühler 11 an die Umgebung beziehungsweise an die Kühlluft 16 abgegeben werden. Dabei gilt, dass je größer der Teilmassenstrom M1 ist, desto mehr Wärme wird vom Kühlmittelkühler 11 an die Kühlluft 16 abgegeben und umgekehrt. Die Kühlmittelvorlauftemperatur ergibt sich schließlich als Mischungstemperatur aus den beiden Kühlmittelteilmassenströmen, dem Kühlmittelmassenstrom M1 und dem Kühlmittelmassenstrom M2 mit den zugehörigen Kühlmitteltemperaturen. Wenn das Fahrzeug fährt, erhöht sich der Luftvolumenstrom der Kühlluft 16 über dem Kühlmittelkühler 11, sodass dieser mehr Wärme an die Umgebung überträgt. Damit sich dennoch eine konstante Kühlmittelvorlauftemperatur T3, gemessen am Kühlmittelvorlauftemperatursensor 15, einstellt muss bei einem fahrenden Fahrzeug das Kühlmittelventil 9 im Verhältnis weiter geschlossen und das Kühlmittelventil 10 weiter geöffnet und mehr Kühlmittel über den Bypass 23 geführt werden.
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In 8 ist der gerade beschriebene Kreislauf aus 7 in einem typischen Kreisprozess des Kältekreislaufes A bei niedrigen Außentemperaturen im log(p)h-Diagramm im stationären Fall dargestellt. Unter stationärem Fall wird dabei verstanden, dass das System bereits eine zeitlang betrieben wurde und sich in einem eingeschwungenen Zustand befindet. Im Gegensatz zur Darstellung in 7 ist verändert, dass sich die Kühlmittelvorlauftemperatur T3 als Mischungstemperatur aus den Kühlmittelmassenströmen M1 und M2 mit den zugehörigen Kühlmittelmassenstromtemperaturen am Austritt des wassergekühlten Hauptkondensators 2 mit der Temperatur am Kondensatorausgang T5 und der Kühlmitteltemperatur am Austritt des Kühlmittelkühlers 11, der Temperaturkühlmittelkühlerausgang T6 ergeben.
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9 zeigt eine Regelungsstrategie für die Kühlmittelventile 9 und 10. Die Regelungsstrategie, beziehungsweise das Verfahren zur Regelung sieht vor, dass das Kühlmittelventil 9 geschlossen und das Kühlmittelventil 10 geöffnet wird, wenn der Hochdruck am Drucksensor 7 beziehungsweise 7a im Kältemittelkreislauf A geringer als der optimale Hochdruck ist. Hingegen werden das Kühlmittelventil 9 geöffnet und das Kühlmittelventil 10 geschlossen, wenn der Hochdruck gemessen am Drucksensor 7 beziehungsweise 7a im Kältemittelkreislauf A höher als der optimale Hochdruck ist. Wenn der Hochdruck gemessen am Drucksensor 7 beziehungsweise 7a im Kältemittelkreislauf dem optimalen Hochdruck entspricht, werden die Öffnungsquerschnitte der Kühlmittelventile 9 und 10 beibehalten. Vorteilhaft ist zudem eine Vorsteuerung der Kühlmittelventilpositionen in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, sodass bei eingeregeltem Hochdruck gemessen am Drucksensor 7 beziehungsweise 7a im Kältemittelkreislauf A mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit das Kühlmittelventil 9 weiter geschlossen wird und zusätzlich das Kühlmittelventil 10 weiter geöffnet wird. Bei Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit wird analog das Kühlmittelventil 9 weiter geöffnet und das Kühlmittelventil 10 weiter geschlossen.
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In 10 ist eine weitere Ausgestaltung einer gekoppelten Schaltung von Kältemittelkreislauf und Kühlmittelkreislauf dargestellt, wobei ein zusätzlicher luftgekühlter Nebenkondensator 17 stromabwärts des kühlmittelgekühlten Hauptkondensators 2 im Kältemittelkreislauf A angeordnet ist. Bei hohen Außentemperaturen kann der luftgekühlte Nebenkondensator 17 zusätzlich Wärme an einen Luftstrom der Umgebungsluft 19 abgeben und die Gesamtkälteleistung des Batteriekühlers 4 steigern. Bei geringen Außentemperaturen ist es wie eingangs beschrieben vorteilhaft, das Hochdruckniveau am Drucksensor 7, 7a im Kältemittelkreislauf A zu erhöhen. Das ist in dieser Ausführung dadurch möglich, dass über zusätzliche Luftklappen 18 verhindert wird, dass der luftgekühlte Nebenkondensator 17 von Umgebungsluft 19 durchströmt wird und Wärme an diese übertragen kann.
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In 11 ist eine erfindungsgemäße Variante des Ausführungsbeispiels aus 10 dargestellt, welches dahingehend erweitert wurde, dass auf die Luftklappen 18 am luftgekühlten Nebenkondensator 17 verzichtet werden kann, wenn dafür zum Beispiel ein 3/2-Wege-Ventil 20 oder alternativ zwei getrennte Kältemittelventile zwischen dem kältemittelseitigen Austritt des wassergekühlten Hauptkondensators 2 und dem kältemittelseitigen Eintritt des luftgekühlten Nebenkondensators 17 eingesetzt wird. Das 3/2-Wege-Ventil 20 wird so geregelt, dass bei hohen Außentemperaturen der gesamte Kältemittelmassenstrom über den luftgekühlten Nebenkondensator 17 strömend und bei niedrigen Außentemperaturen der gesamte Kältemittelmassenstrom über den Bypass 22 für das Kältemittel strömt. Es kann erforderlich sein, ein nicht dargestelltes zusätzliches Rückschlagventil zwischen dem kältemittelseitigen Austritt des luftgekühlten Nebenkondensators 17 und dem Knotenpunkt 21 einzufügen, sodass eine Verlagerung von Kältemittel in den luftgekühlten Nebenkondensator 17 verhindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelverdichter
- 2
- kühlmittelgekühlter Hauptkondensator
- 3
- Expansionsorgan, Drosselorgan
- 4
- Batteriekühler
- 5
- Kältemittelleitung
- 6
- Batteriezellenmodule
- 7/7a
- Drucksensor
- 8
- Kühlmittelpumpe
- 9
- Kühlmittelventil, Absperrorgan
- 10
- Kühlmittelventil, Absperrorgan
- 11
- Kühlmittelkühler
- 12
- Verzweigungspunkt
- 13
- Zusammenführungspunkt
- 14
- Kühlmittelleitungen
- 15
- Kühlmittelvorlauftemperatursensor
- 16
- Kühlluft
- 17
- luftgekühlter Nebenkondensator
- 18
- Luftklappen
- 19
- Umgebungsluft
- 20
- 3/2-Wegeventil
- 21
- Knotenpunkt
- 22
- Bypass Kältemittel
- 23
- Bypass Kühlmittel, Kühlmittelkühlerbypass
- A
- Kältemittelkreislauf
- B
- Kühlmittelkreislauf
- T1
- Batteriezellentemperatur
- T2
- Umgebungstemperatur
- T3
- Kühlmittelvorlauftemperatur
- T4
- Temperaturdifferenz
- T5
- Temperatur Kondensatorausgang
- T6
- Temperatur Kühlmittelkühlerausgang
- M1
- Kühlmittelmassenstrom 1, Teilmassenstrom
- M2
- Kühlmittelmassenstrom 2, Teilmassenstrom
- M12
- Kühlmittelgesamtmassenstrom
