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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Heizungssystem für eine Fahrgastkabine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.
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HINTERGRUND
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Klimakontrolle bedeutet eine hohe Herausforderung für umweltfreundliche Fahrzeuge, einschließlich batterieelektrischer Fahrzeuge (BEVs), elektrischer Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs), elektrische Fahrzeuge mit erweiterter Reichweite (EREVs), und sogar elektrische Hybridfahrzeuge (HEVs). Eine Kabinenheizung erfordert, abhängig von der Größe des Fahrzeugs und den Umweltbedingungen typischerweise 3,2 bis 6,5 kW Batterieleistung bei Umgebungstemperatur von -10° C (ein Nennauslegungspunkt für eine Heizung), um vorübergehende und beständige Komfortanforderungen zu erfüllen. Für die größeren Elektrofahrzeuge unterschiedlicher Arten (xEV) kann die erforderliche elektrische Leistung für eine Heizung von der Traktionsbatterie sogar noch größer sein. Die verwendete Batterieleistung zum Erzeugen der Heizung, entweder durch eine Wärmepumpe oder direkte Widerstandsheizung, führt zu einer dramatischen Abnahme in der Reichweite von xEVs. Es wird geschätzt, dass die Reichweite eines BEV abhängig vom Fahrzyklus um 20-50% verringert werden kann.
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Elektrische Heizvorrichtungen verbrauchen im Allgemeine eine signifikante Energiemenge, die in der Traktionsbatterie gespeichert ist. Eine Reichweitenverringerung ist ein allgemein anerkannter Nachteil der Technologie. In BEVs und PHEVs ist eine übliche Heizungstechnologie eine PTC Heizvorrichtung (Heizvorrichtung mit positivem Wärmekoeffizienten), die als Teil eines Luftkreislaufs oder Kühlmittelkreislaufs konfiguriert ist.
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Es ist auch bekannt, dass eine heiße Kühlmittelspeichervorrichtung verwendet wurde, um die Kabinenheizung zu unterstützen. In diesen Systemen führt eine elektrische Heizvorrichtung dem Kühlmittel Wärmeenergie in einem isolierten Speichertank zu, während das Fahrzeug stationär an eine externe elektrische Energiequelle angeschlossen ist. Die Wärme wird dann im Kühlmittel zur späteren Verwendung gespeichert. Während ein Kühlmittelenergiespeicher dazu beitragen kann, die Last an der Traktionsbatterie während des Betriebs zu verringern, hat sie eine begrenzte Kapazität, eine Heizung zu unterhalten, und ist daher für längere Fahrten unzureichend.
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KURZDARSTELELUNG
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Es ist daher wünschenswert, ein zuverlässiges, wirtschaftliches und energieeffizienteres Fahrgastheizungssystem zu schaffen, das dazu beitragen kann, die Last an der Traktionsbatterie zu verringern und die elektrische Reichweite des Fahrzeugs zu vergrößern, während weiterhin ein Fahrgastkomfort gewährleistet ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Heizungssystem für eine Fahrgastkabine eines Kraftfahrzeugs ein Gebläse, das einen Luftstrom erzeugt; einen ersten Heizvorrichtungskern stromabwärts des Gebläses in Bezug auf den Luftstrom; einen zweiten Heizvorrichtungskern stromabwärts des ersten Heizvorrichtungskerns in Bezug auf den Luftstrom; eine Kühlmittelschleife mit einer ersten Abzweigung und einer zweiten Abzweigung, wobei der erste Heizvorrichtungskern in der ersten Abzweigung angeordnet ist und der zweite Heizvorrichtungskern in der zweiten Abzweigung angeordnet ist; ein Umschaltventilanordnung mit einer ersten Einstellung, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Heizvorrichtungskern durch Verbinden der ersten und zweiten Abzweigung an zwei Stellen an gegenüberliegenden Seiten des ersten und zweiten Heizvorrichtungskerns errichtet. Die Umschaltventilanordnung hat eine zweite Einstellung, die die strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Heizvorrichtungskern durch Trennen der ersten und zweiten Abzweigung trennt.
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Die Umschaltventilanordnung stellt Flexibilität zur Optimierung einer Kabinenheizung in einer energiesparenden Weise bereit.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die erste Abzweigung einen ersten Einlassbereich und einen ersten Auslassbereich, wobei sich der erste Einlassbereich vom ersten Heizvorrichtungskern zur ersten Stelle erstreckt und der erste Auslassbereich sich vom ersten Heizvorrichtungskern zur zweiten Stelle erstreckt. Das Heizungssystem kann einen ersten Heizkreislauf enthalten, der sich vom ersten Auslassbereich zum ersten Einlassbereich erstreckt. Der erste Heizkreislauf enthält vorteilhafterweise einen Phasenänderungsmaterial- (PCM) Wärmetauscher und ein erstes Rückschlagventil neben dem ersten Einlassbereich, das einen Kühlmittelstrom vom ersten Einlassbereich zum Phasenänderungsmaterial-Wärmetauscher blockiert. Dadurch kann der PCM-Wärmetauscher an den ersten Heizungskern oder sowohl an den ersten wie auch zweiten Heizungskern angeschlossen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der erste Heizkreislauf eine erste Kühlmittelheizungsanordnung; eine erste Kühlmittelpumpe mit einer Druckseite, die mit einem Einlass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers verbunden werden kann; und ein Zustandsventil mit einer ersten Position, die einen Auslass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers mit einem Einlass der ersten Kühlmittelheizungsanordnung und mit der Saugseite der ersten Kühlmittelpumpe in Ausrichtung bringt, und einer zweiten Position, die den Auslass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers mit dem ersten Rückschlagventil in Ausrichtung bringt. Diese Einstellung ermöglicht eine Erwärmung des Kühlmittels, während das Fahrzeug Zugang zu einer externen elektrischen Energiequelle hat, im Speziellen, wenn die erste Kühlmittelheizvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der erste Heizkreislauf ferner ein analoges Zuführventil mit mehreren Positionen zwischen einer ersten extremen Einstellung, die ausschließlich die Druckseite der ersten Kühlmittelpumpe mit einem Einlass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers verbindet, und einer zweiten extremen Einstellung, die die Druckseite der ersten Kühlmittelpumpe mit dem ersten Rückschlagventil verbindet, wobei die mehreren Positionen Teilmengen von Kühlmittel von der Druckseite dem Phasenänderungsmaterial-Wärmetauscher und dem Rückschlagventil zuteilen. Das Zuführventil erlaubt ein Zirkulieren eines vollen Kühlmittelstroms in einer kleineren Schleife während des Betriebs der ersten Kühlmittelheizvorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die zweite Abzweigung einen zweiten Einlassbereich und einen zweiten Auslassbereich, wobei sich der zweite Einlassbereich vom zweiten Heizvorrichtungskern zur ersten Stelle erstreckt und der zweite Auslassbereich sich vom zweiten Heizvorrichtungskern zur zweiten Stelle erstreckt. Vorteilhafterweise enthält das Heizungssystem ferner einen zweiten Heizkreislauf, der sich vom zweiten Auslassbereich zum zweiten Einlassbereich erstreckt. Der zweite Heizkreislauf enthält eine zweite Kühlmittelheizungsanordnung, ein zweites Rückschlagventil neben dem zweiten Einlassbereich, das einen Kühlmittelstrom vom zweiten Einlassbereich zur zweiten Kühlmittelheizungsanordnung blockiert. Diese Anordnung ermöglicht eine elektrische Heizung des Kühlmittels, um die Heizkapazität des PCM-Wärmetauschers durch Anlegen von Energie an die zweite Heizungsanordnung zu unterstützen oder zu ersetzen.
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Zur Verringerung der Anzahl von Komponenten können die zweite Kühlmittelheizungsanordnung und die erste Kühlmittelheizungsanordnung in eine elektrische Kühlmittelheizvorrichtung integriert werden, die beispielsweise eine Heizvorrichtung mit positivem Wärmekoeffizienten (PTC Heizvorrichtung) sein kann. Selbst wenn die erste und zweite Kühlmittelheizvorrichtung getrennt sind, ist die zweiten Kühlmittelheizungsanordnung vorzugsweise eine elektrische Heizvorrichtung mit positivem Wärmekoeffizienten.
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Zum Zirkulieren von Kühlmittel im zweiten Heizkreislauf enthält der zweite Heizkreislauf ferner eine zweite Kühlmittelpumpe zwischen dem zweiten Auslassbereich und der zweiten Kühlmittelheizungsanordnung. Die zweite Kühlmittelpumpe hat eine Druckseite, die mit einem Einlass der zweiten Kühlmittelheizungsanordnung verbunden ist, und eine Saugseite, die mit dem zweiten Auslassbereich verbunden werden kann.
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Damit der zweite Heizkreislauf anderen Fahrzeugkomponenten, die nicht zur Kabinenheizfunktion gehören, Wärme bereitstellen kann, enthält der zweite Heizkreislauf ferner eine Umgehungsleitung mit einem Umgehungsventil, wobei die Umgehungsleitung mit einem Auslass der zweiten Kühlmittelheizungsanordnung verbunden ist, wobei das Umgehungsventil eine erste Position hat, die die Saugseite der zweiten Kühlmittelpumpe mit dem zweiten Auslassbereich verbindet, um Kühlmittel vom HVAC-Heizvorrichtungskern abzuziehen, und eine zweite Position, die die Saugseite der zweiten Kühlmittelpumpe mit der Umgehungsleitung verbindet. Die Umgehungsleitung erlaubt, dass Kühlmittel weiter strömt, wenn die zweite Kühlmittelheizungsanordnung vom ersten und zweiten Heizvorrichtungskern getrennt ist, sodass eine ununterbrochene Wärmeversorgung anderer Fahrzeugkomponenten bereitgestellt ist, deren Heizungsbedarf von dem zweiten Heizkreislauf abhängt.
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Diese Anordnung ermöglicht, dass das Heizungssystem einen Lademodus hat, in dem sich das Zustandsventil in der ersten Position des Zustandsventils befindet; die erste Kühlmittelheizungsanordnung durch eine externe elektrische Energiequelle angetrieben wird; und die erste Kühlmittelpumpe Kühlmittel in den Einlass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers pumpt, wobei das Kühlmittel, das aus dem Auslass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers austritt, durch die erste Kühlmittelheizungsanordnung zum Einlass der ersten Kühlmittelpumpe strömt.
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Die Anordnung ermöglicht ferner dem Heizungssystem, einen Phasenänderungsmaterial-Wärmetauscher-Entlademodus zu haben, in dem sich das Zustandsventil in der zweiten Position des Zustandsventils befindet; die erste Kühlmittelheizungsanordnung von der externen elektrischen Energiequelle getrennt ist; die Umschaltventilanordnung sich in der ersten Position der Umschaltventilanordnung befindet; und die erste Kühlmittelpumpe Kühlmittel in den Einlass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers pumpt, die durch das Zuführventil proportioniert wird, um eine bestimmte Zieltemperatur an der Rückschlagventilstelle des ersten Heizkreislaufs zu erreichen. Das Kühlmittel, das aus dem Auslass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers tritt, wird mit der umgeleiteten Teilmenge des Kühlmittelstroms erneut gemischt und strömt dann durch das erste Rückschlagventil in die erste und zweite Abzweigung der Kühlmittelschleife.
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Die Anordnung ermöglicht ferner, dass das Heizungssystem einen Energierückgewinnungsmodus hat, in dem sich das Zustandsventil in der zweiten Position des Zustandsventils befindet; die erste Kühlmittelheizungsanordnung von der externen elektrischen Energiequelle getrennt ist; die Umschaltventilanordnung sich in der zweiten Position der Umschaltventilanordnung befindet, um die zwei Heizvorrichtungskerne in getrennte Kühlmittelabzweigungen zu trennen. Die erste Kühlmittelpumpe pumpt Kühlmittel in den Einlass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers, sodass das Kühlmittel, das aus dem Auslass des Phasenänderungsmaterial-Wärmetauschers austritt, durch das erste Rückschlagventil in die erste Abzweigung der Kühlmittelschleife strömt, wobei eine Temperaturregulierung durch das Zuführventil bereitgestellt ist, indem eine Teilmenge des Kühlmittelstroms zu einer Neumischungsposition vor dem ersten Rückschlagventil geleitet wird. Gleichzeitig pumpt die zweite Kühlmittelpumpe Kühlmittel in den Einlass der zweiten Kühlmittelheizungsanordnung, wobei das Kühlmittel, das aus dem Auslass der zweiten Kühlmittelheizungsanordnung austritt, durch das zweite Rückschlagventil in die zweite Abzweigung der Kühlmittelschleife strömt, um dem zweiten Heizvorrichtungskern Wärme bereitzustellen. Dieser Modus ist nützlich, um geringe Wärme vom Phasenänderungsmaterial abzuziehen, um durch den ersten Heizvorrichtungskern einströmende kalte Luft vorzuwärmen und den zweiten Heizvorrichtungskern für eine weitere Erhöhung der Lufttemperatur zu verwenden, um eine Luftabgabezieltemperatur zu erreichen. Der zweite Heizvorrichtungskern beruht auf der zweiten Heizungsanordnung für ein Hochtemperaturkühlmittel durch Verwendung von elektrischer Energie von der Traktionsbatterie während einer Fahrt auf der Straße.
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Die Anordnung ermöglicht ferner, dass das Heizungssystem einen Nicht-Phasenänderungsmaterial-Heizmodus hat, in dem sich das Zustandsventil in der ersten Position des Zustandsventils befindet; die erste Kühlmittelheizungsanordnung von der externen elektrische Energiequelle getrennt ist; die erste Kühlmittelpumpe in einen Ruhezustand versetzt ist; die Umschaltventilanordnung sich in der ersten Position der Umschaltventilanordnung befindet; und die zweite Kühlmittelpumpe angewiesen ist, Kühlmittel durch das zweite Rückschlagventil in den Einlass des zweiten Heizvorrichtungskerns zu pumpen, wobei das Kühlmittel, das aus dem Auslass des zweiten Heizvorrichtungskerns austritt, zur Saugseite der zweiten Kühlmittelpumpe zurückströmt, indem das Umgehungsventil in eine Nicht-Umgehungsposition gestellt wird. In diesem Modus stellt die zweite Heizungsanordnung unter Verwendung der Traktionsbatterie eine Heizung sowohl für den ersten Heizvorrichtungskern wie auch den zweiten Heizvorrichtungskern bereit, ohne Wärme vom PCM-Wärmetauscher zu verwenden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
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Figurenliste
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Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollten den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
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In den Zeichnungen,
- zeigt 1 ein Kabinenheizungssystem mit doppelter Heizquelle in einem Lademodus;
- zeigt 2 das Kabinenheizungssystem von 1 in einem Entlademodus;
- zeigt 3 das Kabinenheizungssystem von 1 in einem Energierückgewinnungsmodus; und
- zeigt 4 das Kabinenheizungssystem von 1 in einem Nicht-Phasenänderungsmaterial-Heizmodus.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1-4 zeigen ein Heizungssystem 10 für eine Kabine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines umweltfreundlichen Fahrzeugs. Das in 1 bis 4 dargestellte Heizungssystem 10 ist zum Speichern von Wärme unter Verwendung von Energie aus dem Stromnetz konfiguriert, während es steht, und zur Freisetzung der Wärme während einer Fahrt unter Niedertemperatur-Umgebungsbedingungen, um die Fahrzeugkabine zu erwärmen.
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Ein Phasenänderungsmaterial- (PCM) Wärmetauscher 12 ist mit einem ersten Heizkreislauf 14 des dargestellten Heizungssystems 10 verbunden. Der PCM-Wärmetauscher 12 enthält ein PCM-Wärmespeichermedium und interne Wärmeübertragungsflächen, die ermöglichen, dass dem PCM-Medium unter Verwendung elektrischer Heizvorrichtungen Wärme hinzugefügt wird oder vom PCM-Medium durch Zirkulieren eines Niedertemperatur-Kühlmittelstroms entfernt wird. Eine erste Kühlmittelpumpe 16 ist angeordnet, um ein Druckgefälle für eine Kühlmittelzirkulation durch den PCM-Wärmetauscher 12 bereitzustellen. Der erste Heizkreislauf 14 enthält ferner eine erste Kühlmittelheizvorrichtung 18 zum Erwärmen des PCM-Mediums während einer stationären Verbindung mit einer externen elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt).
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Eine zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 ist in einem zweiten Heizkreislauf 22 angeordnet. Zumindest die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20, die typischerweise betrieben wird, während das Fahrzeug fährt, ist vorteilhafterweise eine Heizvorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC). Es sollte jedoch in diesem Zusammenhang festgehalten werden, dass, obwohl in der Beschreibung eine erste Kühlmittelheizvorrichtung 18 und eine zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 besprochen werden, die Unterscheidung eine funktionelle ist und die erste Kühlmittelheizvorrichtung 18 und die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 eine erste und zweite Kühlmittelheizungsanordnung sein können, die physisch in eine elektrische Heizvorrichtung integriert sind, da, wie in der Folge besprochen, die erste und zweite Kühlmittelheizvorrichtung 18 und 20 zu verschiedenen Zeiten arbeiten, sodass die zwei Funktionen einander nicht beeinträchtigen. Daher kann die PTC-Heizvorrichtung mit dem ersten Heizkreislauf 14 als die erste Kühlmittelheizvorrichtung 18 in strömungstechnischer Verbindung stehen, während das Fahrzeug stationär mit der elektrischen Energiequelle verbunden ist, und mit dem zweiten Heizkreislauf 22 als die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 in strömungstechnischer Verbindung stehen, während das Fahrzeug fährt.
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1-4 zeigen ein System, das auch eine konfigurierbare Kabinenheizvorrichtung mit einem vorderen Heizvorrichtungskern 24 und einem hinteren Heizvorrichtungskern 26 enthält, mit einem Gebläse 28, das einen Luftstrom durch die Kabinenheizvorrichtung erzeugt, wobei in der vorliegenden Beschreibung der vordere Heizvorrichtungskern 24 nahe dem Gebläse 28 liegt und die hintere Heizvorrichtung vom Gebläse 28 entfernt ist, sodass der Luftstrom, der durch das Gebläse 28 erzeugt wird, durch den vorderen Heizvorrichtungskern 24 strömt, bevor er durch den hinteren Heizvorrichtungskern 26 strömt. Verschiedene Ventile, der PCM-Wärmetauscher 12, die erste und zweite Kühlmittelpumpe 16 und 17 und die erste und zweite Kühlmittelheizvorrichtung 18 und 20 sind Teile des Systems, die durch eine elektronische Steuerung 30, z.B. eine Mikrosteuerung, gesteuert werden können, um verschiedene Betriebsarten zu erreichen.
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Die Anordnung der einzelnen Funktionselemente wird nun in Verbindung mit 1 beschrieben. In der Mitte des Heizungssystems 10 liegt das Gebläse 28, das den Luftstrom erzeugt, ein erster Heizvorrichtungskern 24, welcher der vordere Heizvorrichtungskern 24 ist, stromabwärts des Gebläses 28 in Bezug auf den Luftstrom, ein zweiter Heizvorrichtungskern 26, welcher der hintere Heizvorrichtungskern 26 ist, stromabwärts des vorderen Heizvorrichtungskerns 24 in Bezug auf den Luftstrom. Der vordere Heizvorrichtungskern 24 und der hintere Heizvorrichtungskern 26 sind in einer Kühlmittelschleife 32 mit einer ersten Abzweigung 34 und einer zweiten Abzweigung 36 angeordnet. Der erste Heizvorrichtungskern 24 ist in der ersten Abzweigung 34 angeordnet und der zweite Heizvorrichtungskern 26 ist in der zweiten Abzweigung 36 angeordnet.
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Eine Umschaltventilanordnung 38 enthält zwei Umschaltventile 40 und 42, die die erste Abzweigung 34 mit der zweiten Abzweigung 36 an zwei Stellen mit einem ersten Umschaltventil 40 an einer ersten Seite des ersten und zweiten Heizvorrichtungskerns 24 und 26 und einem zweiten Umschaltventil 42 an einer zweiten Stelle an einer zweiten Seite des ersten und zweiten Heizvorrichtungskerns 24 und 26, gegenüber der ersten Seite, verbinden. Die Umschaltventilanordnung 38 hat eine zweite Einstellung, in der das erste und zweite Umschaltventil 40 und 42 beide geschlossen sind, wodurch die strömungstechnische Verbindung zwischen dem vorderen und hinteren Heizvorrichtungskern 24 und 26 durch Trennen der ersten und zweiten Abzweigung 34 und 36 an der ersten und zweiten Stelle getrennt wird.
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Die Stellen der Umschaltventile 40 und 42 an den gegenüberliegenden Seiten der Kühlmittelschleife 32 geben funktionelle Stellen in der Kühlmittelschleife 32, nicht physische Stellen des ersten und zweiten Umschaltventils 40 und 42 an. Wenn beispielsweise das erste und zweite Umschaltventil 40 und 42 gleichzeitig zwischen ihren Einstellungen umgeschaltet werden, können diese Ventile in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein und einen gemeinsamen Betätigungsmechanismus, wie ein Solenoidstellglied, haben.
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In der Kühlmittelschleife 32 hat die erste Abzweigung 34 einen ersten Einlassbereich 44 und einen ersten Auslassbereich 46. Der erste Einlassbereich 44 erstreckt sich vom ersten Umschaltventil 40 zum Einlass des ersten Heizvorrichtungskerns 24 und der erste Auslassbereich 46 erstreckt sich vom Auslass des ersten Heizvorrichtungskerns 24 zum zweiten Umschaltventil 42. Ebenso hat die zweite Abzweigung 36 einen zweiten Einlassbereich 48 und einen zweiten Auslassbereich 50. Der zweite Einlassbereich 48 erstreckt sich vom zweiten Umschaltventil 42 zum Einlass des zweiten Heizvorrichtungskerns 26 und der zweite Auslassbereich 50 erstreckt sich vom Auslass des zweiten Heizvorrichtungskerns 26 zum zweiten Umschaltventil 42.
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Das Heizungssystem 10 enthält ferner den ersten Heizkreislauf 14, der sich vom ersten Auslassbereich 46 zum ersten Einlassbereich 44 erstreckt. Der erste Heizkreislauf 14 enthält den PCM-Wärmetauscher 12, die erste Kühlmittelheizvorrichtung 18; und die erste Kühlmittelpumpe 16 mit einer Druckseite, die mit einem Einlass des PCM-Wärmetauschers 12 verbunden werden kann.
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Ein erstes Rückschlagventil 52 neben dem ersten Einlassbereich 44 blockiert einen Kühlmittelstrom vom ersten Einlassbereich 44 in den ersten Heizkreislauf 14 zum PCM-Wärmetauscher 12, während es ermöglicht, dass Kühlmittel vom PCM-Wärmetauscher 12 in den ersten Einlassbereich 44 strömt. Ein zweites Rückschlagventil 54 neben dem zweiten Einlassbereich 48 blockiert einen Kühlmittelstrom vom zweiten Einlassbereich 48 in den zweiten Heizkreislauf 22 zur zweiten Kühlmittelheizvorrichtung 20, während es ermöglicht, dass Kühlmittel von der zweiten Kühlmittelheizvorrichtung 20 in den ersten Einlassbereich 44 strömt.
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Ein Dreiwege-Zustandsventil 56 ist mit dem Auslass des PCM-Wärmetauschers 12, dem ersten Rückschlagventil 52 und dem Auslass der ersten Kühlmittelheizvorrichtung 18 verbunden. Das Zustandsventil 56 hat eine erste Position, die den Auslass des PCM-Wärmetauschers 12 mit dem Einlass der ersten Kühlmittelheizvorrichtung 18 und somit mit der Saugseite der ersten Kühlmittelpumpe 16 in Ausrichtung bringt. In einer zweiten Position des Zustandsventils 56 wird der Auslass des PCM-Wärmetauschers 12 mit dem ersten Rückschlagventil 52 in Ausrichtung gebracht.
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Der erste Heizkreislauf 14 enthält ferner ein analoges Zuführventil 58, das mehrere - oder eine unbegrenzte Anzahl - von Positionen zwischen einer ersten extremen Einstellung, in der ausschließlich die Druckseite der ersten Kühlmittelpumpe 16 mit einem Einlass des PCM-Wärmetauschers 12 verbunden ist, und einer zweiten extremen Einstellung hat, die die Druckseite der ersten Kühlmittelpumpe 16 mit dem ersten Rückschlagventil 52 verbindet, so dass zumindest eine Teilmenge des gepumpten Kühlmittels den PCM-Wärmetauscher 12 umgehen kann. Das Zuführventil 58 teilt einstellbare Teilmengen von Kühlmittel von der Druckseite der ersten Kühlmittelpumpe 16 dem PCM-Wärmetauscher 12 und dem Rückschlagventil zu.
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Der zweite Heizkreislauf 22 enthält eine Umgehungsleitung 60 mit einem Umgehungsventil 62. Die Umgehungsleitung 60 erstreckt sich parallel zu dem Teil des zweiten Heizkreislaufs 22, der die zweite Kühlmittelpumpe 17 und die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 enthält. Das Umgehungsventil 62 verbindet die Saugseite der Kühlmittelpumpe 17 entweder vollständig mit dem zweiten Auslassbereich 50 oder vollständig mit dem Einlass des zweiten Rückschlagventils, sodass die Gesamtmenge den zweiten Heizvorrichtungskern umgehen kann.
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Ein erstes Kühlmittelreservoir 64 ist zwischen dem ersten Auslassbereich 46 und der Saugseite der Pumpe angeordnet und ein zweites Kühlmittelreservoir 66 ist zwischen dem zweiten Auslassbereich 50 und der Saugseite der zweiten Kühlmittelpumpe 17 angeordnet. Verschiedene Strömungsmessgeräte 68 und Temperatursensoren 70 (Thermistoren) sind im ersten Heizkreislauf 14 und zweiten Heizkreislauf 22 gelegen, die der elektronischen Steuerung 30 Informationen liefern. Ferner sind Drucksensoren am Einlass und am Auslass des PCM-Wärmetauschers 12 gelegen. Eine geeignete Isolierung umgibt jede Heizungsanordnung, den vorderen und hinteren Heizvorrichtungskern 24 und 26 wie auch den PCM-Wärmetauscher 12 zur Minimierung eines unerwünschten Wärmeverlusts an die Umgebung.
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1 zeigt einen ersten Betriebsmodus, der ein Lademodus ist, der ausgeführt wird, während das Fahrzeug stationär ist und an eine external elektrische Energieversorgung zum Laden der Traktionsbatterie des Fahrzeugs angeschlossen ist. Im Lademodus befindet sich das Zustandsventil 56 in der ersten Position des Zustandsventils 56, in der das Zustandsventil 56 den Auslass des PCM-Wärmetauschers 12 mit der ersten Kühlmittelheizvorrichtung 18 verbindet. Das eingekreiste„+“ neben der ersten Kühlmittelheizvorrichtung 18 gibt an, dass die erste Kühlmittelheizvorrichtung 18 durch die externe Energiequelle zur Wärmeerzeugung betrieben wird. Der Pfeil neben der ersten Kühlmittelpumpe 16 gibt an, dass die Pumpe Kühlmittel zum Einlass des PCM-Wärmetauschers 12 pumpt.
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Falls ein Zuführventil 58 vorhanden ist, wie in der dargestellten Ausführungsform, befindet sich das Zuführventil 58 in einer Position, in der das gesamte Kühlmittel, das aus der Druckseite der ersten Kühlmittelpumpe 16 zum Einlass des PCM-Wärmetauschers 12 gelenkt wird, sodass das erwärmte Kühlmittel am effizientesten das PCM-Kühlmittel im Inneren des PCM-Wärmetauschers 12 erwärmen kann.
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Die Symbole neben dem ersten und zweiten Umschaltventil 40 und 42 geben an, dass diese Ventile geschlossen sind, um die Saugseite der ersten Kühlmittelpumpe 16 vom zweiten Heizkreislauf 22 zu trennen. Dadurch wird eine Kühlmittelbewegung zum zweiten Heizkreislauf minimiert, während der PCM-Wärmetauscher geladen wird. Im Lademodus kann die erste Kühlmittelpumpe 16 mit einem variablen Arbeitszyklus betrieben werden, der passend zwischen 1% bis 100% gewählt wird, um die Kühlmittelstrom-Minimalanforderung zu erfüllen, um Wärme an den PCM-Wärmetauscher abzugeben. Die Kühlmittelströmungsrate kann entsprechend den verschiedenen Steuerungskriterien variiert werden. Beispielsweise kann sie gemäß der Heizungsenergie zur ersten Kühlmittelheizvorrichtung gesteuert werden.
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2 zeigt das Heizungssystem von 1 in einem zweiten Modus, dem Wärmentlademodus, in dem zirkulierendes Kühlmittel, das durch das PCM-Kühlmittel im PCM-Wärmetauscher 12 erwärmt wird, durch den ersten und zweiten Heizvorrichtungskern 24 und 26 zirkuliert, während sich das Fahrzeug fern der externen elektrischen Energiequelle befindet. Die Umschaltventilanordnung 38 errichtet eine strömungstechnische Verbindung zwischen der ersten und zweiten Abzweigung 34 und 36 der Kühlmittelschleife 32. Im Entlademodus verbindet das Zustandsventil 56 den Auslass des PCM-Wärmetauschers 12 mit dem ersten Rückschlagventil 52 und nicht mit der ersten Kühlmittelheizvorrichtung 18. Die erste Kühlmittelheizvorrichtung 18 wird abgeschaltet und von der externen Energiequelle getrennt.
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Das Zuführventil 58 kann eingestellt werden, um einen Teilstrom von nicht erwärmtem Kühlmittel zum ersten Rückschlagventil 52 bereitzustellen, wo dieses nicht erwärmte Kühlmittel direkt von der ersten Kühlmittelpumpe 16 mit dem Kühlmittel gemischt wird, das durch den PCM-Wärmetauscher 12 erwärmt wird, um die Kühlmitteltemperatur zu regulieren, die zum ersten und zweiten Heizvorrichtungskern 24 und 26 geht. Der Anteil des nicht erwärmten Stroms wird durch das Zuführventil 58 stromabwärts der ersten Kühlmittelpumpe 16 bestimmt. Die lineare Steuerung oder EIN-AUS-Zyklussteuerung kann implementiert sein, die Kühlmitteltemperatur, die in die Kühlmittelschleife 32 eintritt, unter Verwendung des Temperatursensors 70 zwischen dem Zuführventil 58 und dem ersten Rückschlagventil 52 als Rückmeldung zu steuern. Es ist auch möglich, die Lufttemperatur, die stromabwärts des zweiten Heizvorrichtungskerns 26 gemessen wird, zur Steuerung der Mischtemperatur des Kühlmittels zu verwenden. Übrigens wird im zweiten Heizkreislauf 22 das Umgehungsventil 62 verwendet, um dem zweiten Heizkreislauf 22 zu ermöglichen, andere Bedürfnisse des Fahrzeugs zu erfüllen, die nicht mit einer Heizung der Kabine in Zusammenhang stehen, beispielsweise zur Heizung der Traktionsbatterie des Fahrzeugs (nicht dargestellt).
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3 zeigt einen dritten Modus des Heizungssystems 10, den Energierückgewinnungsmodus. Wenn der erste Heizkreislauf 14 den Betrieb bis zu dem Punkt fortsetzt, an dem sogar 100% Kühlmittelstrom durch den PCM-Wärmetauscher 12 nicht in der Lage ist, die erforderliche Luftabgabetemperatur stromabwärts des zweiten Heizvorrichtungskerns 26 bereitzustellen, wird der PCM-Wärmetauscher 12 üblicherweise als erschöpft angesehen, da er nicht imstande ist, selbst eine ausreichende Kabinenheizung bereitzustellen. Dies geschieht normalerweise, wenn die Kühlmitteltemperatur, die aus dem PCM-Wärmetauscher 12 austritt, zu gering wird, wie kleiner als 60 °C. Bei einer Umgebungstemperatur von -10 °C oder weniger ist jedoch noch immer restliche Wärmeenergie im PCM-Kühlmittel vom PCM-Wärmetauscher 12 vorhanden, die zum Vorerwärmen der einströmenden kalten Luft verwendet werden kann.
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Der Energierückgewinnungsmodus ermöglicht, dass der erste und zweite Heizvorrichtungskern 24 und 26 im ersten Heizkreislauf 14 und zweiten Heizkreislauf 22 getrennt funktionieren, wobei der erste Heizvorrichtungskern 24 eine Vorerwärmung von kalter Luft unter Verwendung des Kühlmittels vom PCM-Wärmetauscher 12 bereitstellt und der zweite Heizvorrichtungskern 26 ferner die Luft stromabwärts vom ersten Heizvorrichtungskern 24 unter Verwendung der zweiten Kühlmittelheizvorrichtung 20 wie einer PTC-Heizvorrichtung erwärmt. Zu diesem Zweck wird die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 betrieben, um eine Widerstandsheizung bereitzustellen, und die zweite Kühlmittelpumpe 17 pumpt Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 im zweiten Heizvorrichtungskern 26. Die Umschaltventilanordnung 38 trennt die erste Abzweigung 34 von der zweiten Abzweigung 36 der Kühlmittelschleife 32, sodass der erste und zweite Heizkreislauf 20 und 22 getrennt arbeiten, wobei jeder einem von dem ersten und zweiten Heizvorrichtungskern 24 und 26 Kühlmittel bereitstellt. Unter der nominalen Umgebungsbedingung von -10 °C wird erwartet, dass die Energieextraktion vom ersten Heizkreislauf 14 in eine Kabinenluft-Teilrezirkulationseinstellung möglich ist, wenn die Kühlmitteltemperatur über 20 °C ist. Bei einer Außenlufteinstellung des Klimatisierungssystems kann eine weitere Extraktion auf 0 °C möglich sein.
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4 zeigt einen vierten Modus des Heizungssystems 10, den Nicht-Phasenänderungsmaterial-Heizmodus. Wenn der PCM-Wärmetauscher 12 durch Energiegewinnungsextraktion wahrlich erschöpft ist, das heißt, es ist sinnlos, mit dem Zirkulieren von Kühlmittel im ersten Heizkreislauf 14 fortzufahren, werden der erste Heizvorrichtungskern 24 und der zweite Heizvorrichtungskern 26 der Kabinenheizvorrichtung mit dem zweiten Heizkreislauf 22 durch Öffnen des ersten und zweiten Umschaltventils 40 und 42 in strömungstechnische Verbindung gebracht, so dass die zweite Kühlmittelheizvorrichtung 20 die gesamte Heizung bereitstellt, die notwendig ist, um das Kühlmittel auf eine gewünschte Temperatur zu bringen. Die erste Kühlmittelpumpe 16 kann abgeschaltet werden, da ein weiterer Betrieb der gewünschten Heizfunktion nicht nutzt. Der Nicht-Phasenänderungsmaterial-Heizmodus erwärmt die Kabine weiter auf die gewünschte Temperatur und wird zur Aufrechterhaltung der Temperatur fortgesetzt.
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Während die vorangehende Beschreibung die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt, ist klar, dass die Erfindung einer Modifizierung, Variation und Änderung unterzogen werden kann, ohne vom angemessenen Umfang und der wahren Bedeutung der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.
