DE102018203540A1 - Air conditioning device of a motor vehicle with a heat pump and method for operating such a heat pump - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betriff eine Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe einen Batterie-Wärmeübertrager (6) aufweist, der thermisch mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei der Batterie-Wärmeübertrager (6) in einem Betriebsmodus der Wärmepumpe als Verflüssiger oder Gaskühler zum Abgeben von Wärme an die Batterie wirkt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum, Betreiben einer solchen Klimatisierungsvorrichtung (1, 1', 1").The invention relates to an air conditioning device of a motor vehicle with a heat pump, wherein the heat pump has a battery heat exchanger (6) which is thermally coupled to a battery of the motor vehicle, wherein the battery heat exchanger (6) in an operating mode of the heat pump as a condenser or gas cooler to give off heat to the battery. Furthermore, the invention relates to a method for operating such an air-conditioning device (1, 1 ', 1 ").
Description
Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, mit einer Wärmepumpe, die das Heizen einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs, ermöglicht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe einer solchen Klimatisierungsvorrichtung.The invention relates to an air conditioning device of a motor vehicle, in particular a hybrid vehicle or an electric vehicle, with a heat pump, which enables the heating of a battery, in particular a traction battery of the motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for operating a heat pump of such an air conditioning device.
Im Bereich der Automobilentwicklung richtet sich der Fokus derzeit auf eine effiziente Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen. Die Elektrifizierung erfordert insbesondere die Nutzung von Hochvoltbatterien (HV-Batterien).In the field of automotive development, the focus is currently on efficient electrification of the powertrain of motor vehicles. In particular, electrification requires the use of high-voltage batteries (HV batteries).
Um die Leistung einer Batterie optimal ausnutzen zu können und die Batterie vor Alterungseffekten und Schädigungen zu schützen, sollte die Temperatur der Batterie in einem Temperaturbereich zwischen 15 °C und 30°C gehalten werden. Daher werden Hochvoltbatterien üblicherweise während des Betriebs gekühlt, um eine Überhitzung zu vermeiden. In kalter Umgebung kann es auch nötig sein, die Batterie zu beheizen.To maximize the performance of a battery and to protect the battery from aging and damage, the temperature of the battery should be kept within a temperature range of 15 ° C to 30 ° C. Therefore, high voltage batteries are usually cooled during operation to avoid overheating. In cold environments it may also be necessary to heat the battery.
Aus diesem Grund kommt oftmals eine Wasserkühlung der Hochvoltbatterie in Verbindung mit einem Heizer, beispielsweise einem sogenannten PTC-Heizer (PTC - positive temperature coefficient), im Wasserkreis zum Einsatz. So offenbart die
Bei Nutzung eines Heizers muss neben der Batterie auch der gesamte Wasserkreis beheizt werden, was die Effizienz dieser Heizmethode herabsetzt. Weiterhin führt der Verbau dieses Heizers zu zusätzlichem Bauraumbedarf und Mehrgewicht im Fahrzeug.When using a heater, in addition to the battery, the entire water circuit must be heated, which reduces the efficiency of this heating method. Furthermore, the installation of this heater leads to additional space requirements and extra weight in the vehicle.
Alternativ kann eine Beheizung der Batterie durch in sie eingebrachte elektrische Heizelemente, z.B. beheizte Matten, Drähte und dergleichen, erfolgen. Elektrische Heizelemente innerhalb der Batterie hingegen verursachen Mehrkosten in der ohnehin sehr kostensensitiven Komponente Hochvoltbatterie.Alternatively, heating of the battery may be provided by electrical heating elements, e.g. Heated mats, wires and the like, take place. Electrical heating elements inside the battery, however, cause additional costs in the already very cost-sensitive component high-voltage battery.
Sämtliche dieser Heizmethoden werden oft aus der Hochvoltbatterie selbst mit Energie gespeist. Die hierfür benötigte Energiemenge steht dann nicht mehr für die Fahrfunktion zur Verfügung und die Fahrzeugreichweite wird somit vermindert.All of these heating methods are often powered from the high-voltage battery itself with energy. The energy required for this purpose is then no longer available for the driving function and the vehicle range is thus reduced.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe der Klimavorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.The object of the present invention is to provide an air-conditioning device and a method for operating a heat pump of the air-conditioning device which at least partially overcome the abovementioned disadvantages.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by the air conditioning device according to the invention according to
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe einen Batterie-Wärmeübertrager aufweist, der thermisch mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei der Batterie-Wärmeübertrager in einem Betriebsmodus der Wärmepumpe als Verflüssiger oder Gaskühler zum Abgeben von Wärme an die Batterie wirkt.According to a first aspect, the invention relates to an air conditioning device of a motor vehicle with a heat pump, wherein the heat pump has a battery heat exchanger, which is thermally coupled to a battery of the motor vehicle, wherein the battery heat exchanger in an operating mode of the heat pump as a condenser or gas cooler for dispensing of heat to the battery acts.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe einer Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei Stellorgane der Wärmepumpe so eingestellt werden, dass ein Batterie-Wärmeübertrager der Wärmepumpe, der thermisch mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, in einem ersten Betriebsmodus als Verflüssiger oder Gaskühler zum Abgeben von Wärme an die Batterie wirkt und in einem zweiten Betriebsmodus als Verdampfer zum Aufnehmen von Wärme aus der Batterie wirkt.According to a second aspect, the invention relates to a method for operating a heat pump of an air conditioning device of a motor vehicle, wherein actuators of the heat pump are set so that a battery heat exchanger of the heat pump, which is thermally coupled to a battery of the motor vehicle, in a first mode of operation as a condenser or gas cooler acts to deliver heat to the battery and in a second mode of operation acts as an evaporator for receiving heat from the battery.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the subclaims and the following description of preferred embodiments of the present invention.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs mit jeweils einer elektrischen Antriebsmaschine. Die Klimatisierungsvorrichtung umfasst eine Wärmepumpe, die insbesondere als Kältemittelkreislauf ausgebildet ist. Der Kältemittelkreis wird vorzugsweise von einem Kältemittel, beispielsweise 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf), Kohlenstoffdioxid (R744) oder einem anderen Kältemittel, durchströmt. Die Wärmepumpe weist einen Batterie-Wärmeübertrager auf, der thermisch mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Batterie kann eine Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs zum Speisen der elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs.The present invention relates to an air conditioning device of a motor vehicle, for example a hybrid or electric vehicle, each having an electric drive machine. The air conditioning device comprises a heat pump, which is designed in particular as a refrigerant circuit. The refrigerant circuit is preferably flowed through by a refrigerant, for example 2,3,3,3-tetrafluoropropene (R1234yf), carbon dioxide (R744) or another refrigerant. The heat pump has a battery heat exchanger, which is thermally coupled to a battery of the motor vehicle. The battery may be a high-voltage battery of the motor vehicle, for example a traction battery of the motor vehicle for feeding the electric drive machine of the motor vehicle.
Der Batterie-Wärmeübertrager wirkt in einem Betriebsmodus der Wärmepumpe, insbesondere zumindest in einem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe, als Verflüssiger (Kondensator) oder Gaskühler zum Abgeben von Wärme an die Batterie, insbesondere als Kältemittelverflüssiger. Die Batterie bildet also zumindest in dem ersten Betriebsmodus eine Wärmesenke der Wärmepumpe.The battery heat exchanger acts in an operating mode of the heat pump, in particular at least in a first operating mode of the heat pump, as a condenser (condenser) or gas cooler for discharging heat to the battery, in particular as a refrigerant condenser. The battery thus forms a heat sink of the heat pump, at least in the first operating mode.
Die Batterie kann somit über eine Wärmepumpe im Kraftfahrzeug beheizt werden. Dabei ist der Batterie-Wärmeübertrager vorzugsweise direkt in den Kältemittelkreislauf integriert und nicht in einen angekoppelten Kühlkreislauf aufgenommen. Da die Wärmepumpe in der Regel mit einem COP (coefficient of performance) > 1 betrieben werden kann, kann eine solche Heizfunktion effizienter sein als eine rein elektrische Beheizung gemäß Stand der Technik.The battery can thus be heated by a heat pump in the vehicle. The battery heat exchanger is preferably integrated directly into the refrigerant circuit and not included in a coupled cooling circuit. Since the heat pump can usually be operated with a COP (coefficient of performance)> 1, such a heating function can be more efficient than a purely electrical heating according to the prior art.
In manchen Ausführungsbeispielen kann der Batterie-Wärmeübertrager in einem weiteren Betriebsmodus der Wärmepumpe, insbesondere zumindest in einem zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe, als Verdampfer zum Aufnehmen von Wärme aus der Batterie wirken, insbesondere als Kältemittelverdampfer. Je nach Bedarf, insbesondere in Abhängigkeit einer Außentemperatur und einer Last an der Batterie, kann die Batterie somit über denselben Kältemittelkreis beheizt bzw. gekühlt werden, wobei auf zusätzliche Heizelemente zum Heizen der Batterie verzichtet werden kann.In some embodiments, the battery heat exchanger in a further operating mode of the heat pump, in particular at least in a second operating mode of the heat pump, act as an evaporator for absorbing heat from the battery, in particular as a refrigerant evaporator. Depending on requirements, in particular as a function of an outside temperature and a load on the battery, the battery can thus be heated or cooled via the same refrigerant circuit, which can be dispensed with additional heating elements for heating the battery.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Wärmepumpe ein Stellorgan, beispielsweise ein Absperrventil, aufweisen, das so angeordnet ist, dass Kältemittel den Batterie-Wärmeübertrager in einer ersten Stellung des Stellorgans so durchströmt, dass der Batterie-Wärmeübertrager als Verflüssiger oder Gaskühler wirkt, und dass das Kältemittel den Batterie-Wärmeübertrager in einer zweiten Stellung des Stellorgans so durchströmt, dass der Batterie-Wärmeübertrager als Verdampfer wirkt. Vorzugsweise ist das Stellorgan zumindest in dem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe in seiner ersten Stellung und zumindest in dem zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe in seiner zweiten Stellung, wobei das Umstellen des Stellorgans zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus in einer Strömungsumkehr resultiert.In some embodiments, the heat pump, an actuator, such as a shut-off valve, having arranged so that refrigerant flows through the battery heat exchanger in a first position of the actuator so that the battery heat exchanger acts as a condenser or gas cooler, and that the refrigerant flows through the battery heat exchanger in a second position of the actuator so that the battery heat exchanger acts as an evaporator. Preferably, the actuator is at least in the first operating mode of the heat pump in its first position and at least in the second operating mode of the heat pump in its second position, wherein the switching of the actuator between the first and the second operating mode results in a flow reversal.
Beispielsweise kann das Absperrventil in Strömungsrichtung vor einem Verdichter der Wärmepumpe und einem Knotenpunkt, angeordnet sein, über den der Verdichter mit einem Außen-Wärmeübertrager, beispielsweise einem Kondensator zum Aufnehmen von Wärme aus der Umgebung, verbunden ist. In der ersten Stellung des Absperrventils, in der das Absperrventil geschlossen ist, kann das erwärmte Kältemittel nach dem Durchströmen eines Innen-Wärmeübertragers zum Abgeben von Wärme an einen Innenraum des Kraftfahrzeugs (Fahrzeuginnenraum) über einen ersten geöffneten Strömungszweig direkt zum Heizen der Batterie durch den Batterie-Wärmeübertrager und anschließend durch den Außen-Wärmeübertrager strömen. In der ersten Stellung des Absperrventils kann ein zweiter Strömungszweig, über den das erwärmte Kältemittel ebenfalls in den Batterie-Wärmeübertrager strömen kann, geschlossen sein. In der zweiten Stellung des Absperrventils, in der das Absperrventil geöffnet ist, kann das Kältemittel nach Durchströmen eines Innen-Wärmeübertragers zum Abgeben von Wärme an den Fahrzeugsinnenraum zum Kühlen der Batterie über den zweiten Strömungszweig, der nun geöffnet ist, durch den Batterie-Wärmeübertrager strömen und das von dem Batterie-Wärmeübertrager erwärmte Kältemittel anschließend durch das geöffnete Absperrventil direkt zu dem Verdichter strömen. In der zweiten Stellung des Absperrventils ist der erste Strömungszweig vorzugsweise geschlossen. Durch das Einstellen des Absperrventils sowie des ersten Ventils in dem ersten Strömungszweig und des zweiten Ventils in dem zweiten Strömungszweig kann also eine Umkehr der Durchströmungsrichtung durch den Batterie-Wärmeübertrager, also vorzugsweise in der Batterie oder einem Batterie-Chiller, auftreten, so dass in der ersten Stellung des Absperrventils in der Batterie eine weitere Wärmeabgabe erfolgt, nachdem in beiden Fällen zunächst der Innen-Wärmeübertrager durchströmt wurde.For example, the shut-off valve may be arranged upstream of a compressor of the heat pump and a node, via which the compressor with an outdoor heat exchanger, for example, a condenser for receiving heat from the environment, is connected. In the first position of the shut-off valve, in which the shut-off valve is closed, the heated refrigerant after passing through an indoor heat exchanger for dissipating heat to an interior of the motor vehicle (vehicle interior) via a first open flow branch directly to the heating of the battery by the battery Heat exchanger and then flow through the outdoor heat exchanger. In the first position of the shut-off valve, a second flow branch, via which the heated refrigerant can also flow into the battery heat exchanger, may be closed. In the second position of the shut-off valve, in which the shut-off valve is opened, the refrigerant can flow through the battery heat exchanger after flowing through an indoor heat exchanger for releasing heat to the vehicle interior for cooling the battery via the second flow branch, which is now open and then flowing the refrigerant heated by the battery heat exchanger directly to the compressor through the opened shut-off valve. In the second position of the shut-off valve, the first flow branch is preferably closed. By adjusting the shut-off valve and the first valve in the first flow branch and the second valve in the second flow branch so a reversal of the flow direction through the battery heat exchanger, ie preferably in the battery or a battery chiller, occur, so that in the first position of the shut-off valve in the battery, a further heat dissipation occurs after in both cases, the inner heat exchanger was first flowed through.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Wärmepumpe weiterhin einen Verdichter und einen Innen-Wärmeübertrager zum direkten oder indirekten Abgeben von Wärme an einen Innenraum des Kraftfahrzeugs aufweisen. Vorzugsweise kann die Wärmepumpe eine Wärmepumpe sein, die insbesondere im Kraftfahrzeug integriert ist, in erster Linie der Kabinenheizung dient und zusätzlich für eine Beheizung der Batterie, insbesondere der Hochvolt-Batterie, nutzbar ist. Der Verdichter kann einen elektrischen Motor aufweisen, der vorzugsweise durch ein Bordnetz, beispielsweise ein 12V-Bordnetz oder ein 400V-Bordnetz, mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Der Innen-Wärmeübertrager kann ein Wasser-Kältemittel-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an einen mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelten Kühlmittelkreis, ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, der Wärme direkt vom Kältemittel an den Innen-Wärmeübertrager umströmende Luft abgibt, oder ein anderer Innen-Wärmeübertrager sein. Der Innen-Wärmeübertrager kann dabei in dem Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung nach dem Verdichter und vor dem Batterie-Wärmeübertrager angeordnet sein. Damit kann das erwärmte Kältemittel zunächst den Innen-Wärmeübertrager durchströmen, der einen Teil der Wärme aufnimmt und das Kältemittel etwas abkühlt, und anschließend mit geringerer Temperatur den Batterie-Wärmeübertrager durchströmen. In some embodiments, the heat pump may further include a compressor and an indoor heat exchanger for directly or indirectly releasing heat to an interior of the motor vehicle. Preferably, the heat pump may be a heat pump, which is integrated in particular in the motor vehicle, primarily serves the cabin heater and in addition for heating the battery, in particular the high-voltage battery, is available. The compressor may have an electric motor, which may preferably be supplied with electrical energy by an electrical system, for example a 12V vehicle electrical system or a 400V vehicle electrical system. The indoor heat exchanger may include a water-refrigerant heat exchanger for transmitting heat to a refrigerant circuit coupled to the refrigerant circuit, a refrigerant-to-air heat exchanger that outputs heat directly from the refrigerant to the indoor heat exchanger, or another indoor heat exchanger his. The internal heat exchanger can be arranged in the refrigerant circuit in the flow direction after the compressor and in front of the battery heat exchanger. Thus, the heated refrigerant can first flow through the inner heat exchanger, which absorbs a portion of the heat and the refrigerant cools something, and then flow through the battery heat exchanger with a lower temperature.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Wärmepumpe so ausgebildet sein, dass das Kältemittel solange im Innen-Wärmeübertrager Wärme abgibt, bis eine Temperatur des Kältemittels die Siedetemperatur des Kältemittels erreicht, und das Kältemittel anschließend bei der Siedetemperatur durch den Batterie-Wärmeübertrager strömt. Es kommt also zu einer zweiteiligen Wärmeabgabe. Da das Kältemittel durch eine Kompression mittels des Verdichters überhitzt sein kann, d.h. eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur besitzen kann, kann es im Innen-Wärmeübertrager solange Wärme abgeben, bis die Temperatur die Siedetemperatur erreicht. Anschließend durchströmt das Kältemittel bei der Siedetemperatur den Batterie-Wärmeübertrager. Somit kann eine Überhitzung der Batterie verhindert werden und die Batterie gleichmäßig erwärmt werden, da die Siedetemperatur während der Wärmeabgabe für eine gewisse Zeit beibehalten wird.In some embodiments, the heat pump may be configured such that the refrigerant releases heat in the indoor heat exchanger until a temperature of the refrigerant reaches the boiling temperature of the refrigerant, and then the refrigerant flows through the battery heat exchanger at the boiling temperature. So it comes to a two-part heat dissipation. Since the refrigerant may be overheated by compression by means of the compressor, i. may have a temperature above the boiling point, it can in the indoor heat exchanger as long as heat until the temperature reaches the boiling point. The refrigerant then flows through the battery heat exchanger at the boiling point. Thus, overheating of the battery can be prevented and the battery can be uniformly heated because the boiling temperature is maintained during the heat release for a certain time.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Wärmepumpe ein steuerbares Entspannungsorgan aufweisen, das zwischen dem Innen-Wärmeübertrager und dem Batterie-Wärmeübertrager angeordnet ist, wobei das steuerbare Entspannungsorgan dazu ausgebildet ist, einen Druck in einem Bereich des Batterie-Wärmeübertragers zu mindern. Das Entspannungsorgan kann ein Ventil sein, vorzugsweise ein Ventil mit einer variablen Querschnittsöffnung. Das Ventil kann für eine Reduktion des Drucks in dem Kältemittelkreis ausgebildet sein, die in einer Reduktion der Siedetemperatur des Kältemittels resultiert. Dadurch kann einerseits ein Heizen bei geringeren Temperaturen als auch ein Verdampfen des Kältemittels bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht werden.In some embodiments, the heat pump may include a controllable expansion device disposed between the indoor heat exchanger and the battery heat exchanger, wherein the controllable expansion device is adapted to reduce a pressure in a region of the battery heat exchanger. The expansion device may be a valve, preferably a valve with a variable cross-sectional opening. The valve may be configured to reduce the pressure in the refrigerant circuit, resulting in a reduction in the boiling temperature of the refrigerant. As a result, on the one hand, heating at lower temperatures and evaporation of the refrigerant at lower temperatures can be made possible.
Das steuerbare Entspannungsorgan kann dazu ausgebildet sein, den Druck in einem Bereich des Batterie-Wärmeübertragers so zu mindern, dass eine Siedetemperatur des Kältemittels in einem Bereich zwischen 0 °C und 30°C, vorzugsweise in einem Bereich von 20°C bis 30°C, liegt. Es kann somit zu einer zweistufigen Wärmeabgabe kommen, wobei der Innen-Wärmeübertrager gaskühlend und gegebenenfalls kondensierend auf einem hohen Druckniveau insbesondere bei einer Kondensationstemperatur in einem Bereich von 40°C bis 80°C, beispielsweise bei einer Kondensationstemperatur von 60°C, Wärme abgibt und der Batterie-Wärmeübertrager anschließend nach Drosselung kondensierend auf einem niedrigen Druck bei einer Kondensationstemperatur im Bereich von 20°C bis 30°C, beispielsweise bei einer Kondensationstemperatur von 25°C, gleichmäßig Wärme an die Batterie abgibt.The controllable expansion device may be designed to reduce the pressure in a region of the battery heat exchanger so that a boiling point of the refrigerant in a range between 0 ° C and 30 ° C, preferably in a range of 20 ° C to 30 ° C. , lies. It can thus come to a two-stage heat dissipation, wherein the internal heat exchanger gas cooling and optionally condensing at a high pressure level, especially at a condensation temperature in a range of 40 ° C to 80 ° C, for example, at a condensation temperature of 60 ° C, heat and releases the battery heat exchanger then after condensation condensing at a low pressure at a condensation temperature in the range of 20 ° C to 30 ° C, for example, at a condensation temperature of 25 ° C, evenly emits heat to the battery.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Wärmepumpe alternativ so ausgebildet sein, dass das Kältemittel von dem Innen-Wärmeübertrager zu dem Batterie-Wärmeübertrager strömt, ohne dabei aktiv gedrosselt zu werden. Vorzugsweise ist in diesem Fall zwischen dem Innen-Wärmeübertrager und dem Batterie-Wärmeübertrager kein Entspannungsorgan und damit keine aktive Drosselung vorgesehen. Ein Druckniveau im Bereich des Innen-Wärmeübertragers und des Batterie-Wärmeübertragers kann so im Wesentlichen gleich sein und lediglich aufgrund von Druckverlusten in den Leitungen variieren. Beispielsweise kann eine Druckdifferenz zwischen dem Bereich des Innen-Wärmeübertragers und dem Bereich des Batterie-Wärmeübertragers weniger als 15 bar betragen. Wenn das Kältemittel R1234yf ist, kann die Druckdifferenz weniger als 2 bar betragen und, wenn das Kältemittel R744 ist, kann die Druckdifferenz weniger als 10 bar betragen. Es kann somit zu einer quasi zweiteiligen isobaren Wärmeabgabe kommen, wobei der Innen-Wärmeübertrager gaskühlend und teilkondensierend Wärme mit einer erkennbaren Temperaturdifferenz abgibt und der Batterie-Wärmeübertrager anschließend kondensierend Wärme ohne signifikante Temperaturdifferenz an die Batterie abgibt. Somit kann auch ohne eine Drosselung ein gleichmäßiges Heizen der Batterie ermöglicht werden.In some embodiments, the heat pump may alternatively be configured such that the refrigerant flows from the indoor heat exchanger to the battery heat exchanger without being actively throttled. Preferably, in this case between the indoor heat exchanger and the battery heat exchanger no relaxation member and thus no active throttling provided. A pressure level in the region of the internal heat exchanger and the battery heat exchanger can thus be substantially the same and vary only due to pressure losses in the lines. For example, a pressure difference between the area of the indoor heat exchanger and the area of the battery heat exchanger can be less than 15 bar. If the refrigerant is R1234yf, the pressure difference may be less than 2 bar and, if the refrigerant is R744, the pressure difference may be less than 10 bar. It can thus come to a quasi-two-part isobaric heat output, the inner heat exchanger gas cooling and partially condensing emits heat with a detectable temperature difference and the battery heat exchanger then gives off condensing heat without significant temperature difference to the battery. Thus, even without throttling, a uniform heating of the battery can be made possible.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Wärmpumpe weiterhin einen Innenraum- Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, aufweisen, der so in dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe angeordnet ist, dass er zumindest in dem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe parallel zu dem Batterie-Wärmeübertrager unter Abgabe von Wärme von dem Kältemittel durchströmt wird. Somit kann der Kältemittelstrom durch die Wärmepumpe sowohl zum effektiven Wärmen des Innenraums des Kraftfahrzeugs als auch zum Heizen der Batterie genutzt werden.In some embodiments, the heat pump may further include an indoor air-refrigerant heat exchanger disposed in the refrigerant circuit of the heat pump such that it is at least in the first operating mode of the heat pump in parallel to the battery heat exchanger with release of heat from the refrigerant is flowed through. Thus, the refrigerant flow through the heat pump can be used both for effective heating of the interior of the motor vehicle and for heating the battery.
Die Wärmepumpe kann auch auf einen Innen-Wärmeübertrager und einen Innenraum- Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager verzichten. In diesem Fall kann der Batterie-Wärmeübertrager direkt hinter dem Verdichter in den Kältemittelkreis eingekoppelt sein und es kommt zu einer einstufigen Wärmeabgabe an die Batterie ohne gleichzeitige Beheizung der Kabine. Allerdings lässt sich so das Wärmen des Fahrzeugsinnenraums nicht in demselben Kältemittelkreislauf realisieren und zudem kann die Heiztemperatur und die Homogenität des Heizens nur schwierig ermöglicht werden.The heat pump may also dispense with an indoor heat exchanger and an indoor air-refrigerant heat exchanger. In this case, the battery heat exchanger can be coupled directly behind the compressor in the refrigerant circuit and there is a one-stage heat transfer to the battery without simultaneous heating of the cabin. However, so the warming of the vehicle interior can not be realized in the same refrigerant circuit and also the heating temperature and the homogeneity of the heating can be made difficult.
In manchen Ausführungsbeispielen kann der Batterie-Wärmeübertrager eine Phasenwechselstruktur, die in und/oder an der Batterie angeordnet ist, oder ein Wärmetauscher zum Einbringen von Wärme in einen die Batterie durchströmenden Kühlkreis, beispielsweise ein Batterie-Chiller, sein. Bei einer Umsetzung einer Kältemittel-Verdampfungskühlung für die Batterie werden häufig im Batterieinneren Verdampferstrukturen eingebracht, in denen im Kühlbetrieb eine direkte Verdampfung des Kältemittels der Fahrzeug-Klimaanlage erfolgt. Auf diese Weise kann ohne zusätzlichen Flüssigkeits-Kühlkreis eine Kühlwirkung für die Batterie dargestellt werden. Dieser Kältemittelverdampfer kann nun im Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage unmittelbar auch zum Heizen der Batterie verwendet werden. Alternativ kann die Wärme auch über einen separaten Wärmetauscher (Chiller) in einen Wasserkreis eingebracht werden, der die Batterie durchströmt. Vorzugsweise wird hier ein Wasserkreis genutzt, der für eine Batteriekühlung ohnehin vorgehalten wird.In some embodiments, the battery heat exchanger may be a phase change structure disposed in and / or on the battery or a heat exchanger for introducing heat into a cooling circuit through which the battery flows, for example, a battery chiller. In a conversion of a refrigerant evaporative cooling for the battery evaporator structures are often introduced in the battery interior, in which a direct evaporation of the Refrigerant the vehicle air conditioning is done. In this way, a cooling effect for the battery can be displayed without additional liquid cooling circuit. This refrigerant evaporator can now be used directly in the heat pump operation of the air conditioning also for heating the battery. Alternatively, the heat can also be introduced via a separate heat exchanger (chiller) in a water circuit, which flows through the battery. Preferably, a water circuit is used here, which is already provided for a battery cooling anyway.
Die Wärmepumpe kann weitere Stellorgane und weitere steuerbare Entspannungsorgane aufweisen. Die Stellorgane und steuerbaren Entspannungsorgane der Wärmepumpe können mittels elektrischer Aktuatoren, die über das Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden, betätigt werden.The heat pump may have further actuators and other controllable relaxation organs. The actuators and controllable relaxation organs of the heat pump can be actuated by means of electrical actuators, which are supplied via the electrical system of the motor vehicle with electrical energy.
Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende Klimatisierungsvorrichtung eine sehr effiziente Aufheizung der Batterie durch eine Wärmepumpenfunktion mit COP > 1, eine Aufteilung der Heizleistung auf Kabine und Batterie, wodurch der Innenraumkomfort berücksichtigt wird, und ein einstellbares Temperaturniveau für die Batterie durch zweistufigen Betrieb der Wärmepumpe, dass optimale Betriebsbedingungen für die Batterie eingestellt werden können (Temperaturniveau und -homogenität).In summary, the present air-conditioning device enables a very efficient heating of the battery by a heat pump function with COP> 1, a sharing of heating capacity on the cabin and battery, which takes into account the interior comfort, and an adjustable temperature level for the battery by two-stage operation of the heat pump that optimal operating conditions can be adjusted for the battery (temperature level and homogeneity).
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe einer Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Wärmepumpe, wie sie oben im Detail beschrieben ist. Gemäß dem Verfahren werden Stellorgane der Wärmepumpe so eingestellt, dass ein Batterie-Wärmeübertrager der Wärmepumpe, der thermisch mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, in einem ersten Betriebsmodus als Verflüssiger oder Gaskühler zum Abgeben von Wärme an die Batterie wirkt und in einem zweiten Betriebsmodus als Verdampfer zum Aufnehmen von Wärme aus der Batterie wirkt.Furthermore, the present invention relates to a method for operating a heat pump of an air conditioning device of a motor vehicle, for example a heat pump, as described in detail above. According to the method, actuators of the heat pump are set so that a battery heat exchanger of the heat pump, which is thermally coupled to a battery of the motor vehicle, acts as a condenser or gas cooler for discharging heat to the battery in a first operating mode and in a second operating mode Evaporator acts to absorb heat from the battery.
In manchen Ausführungsbeispielen kann in dem ersten Betriebsmodus ein Druck in einem Bereich des Batterie-Wärmeübertragers so gemindert werden, dass eine Siedetemperatur des Kältemittels in einem Bereich zwischen 0 °C und 30°C, vorzugsweise in einem Bereich von 20°C bis 30°C, liegt. Dazu kann ein steuerbares Entspannungsorgan, das zwischen einem Innen-Wärmeübertrager und dem Batterie-Wärmeübertrager angeordnet ist, entsprechend eingestellt werden. Es kann somit eine zweistufige Wärmeabgabe ermöglicht werden, wobei der Innen-Wärmeübertrager gaskühlend und gegebenenfalls kondensierend auf einem hohen Druckniveau insbesondere bei einer Kondensationstemperatur in einem Bereich von 40°C bis 80°C, beispielsweise bei einer Kondensationstemperatur von 60°C, Wärme abgibt und der Batterie-Wärmeübertrager anschließend nach Drosselung kondensierend auf einem niedrigen Druck bei einer Kondensationstemperatur im Bereich von 20°C bis 30°C, beispielsweise bei einer Kondensationstemperatur von 25°C, gleichmäßig Wärme an die Batterie abgibt.In some embodiments, in the first mode of operation, a pressure in a region of the battery heat exchanger may be reduced so that a boiling temperature of the refrigerant is in a range between 0 ° C and 30 ° C, preferably in a range of 20 ° C to 30 ° C , lies. For this purpose, a controllable expansion element, which is arranged between an internal heat exchanger and the battery heat exchanger, are adjusted accordingly. It can thus be made possible a two-stage heat release, wherein the internal heat exchanger gas cooling and optionally condensing at a high pressure level, especially at a condensation temperature in a range of 40 ° C to 80 ° C, for example, at a condensation temperature of 60 ° C, heat and releases the battery heat exchanger then after condensation condensing at a low pressure at a condensation temperature in the range of 20 ° C to 30 ° C, for example, at a condensation temperature of 25 ° C, evenly emits heat to the battery.
Ein Eintrittspunkt, insbesondere eine Beziehung zwischen Druck, Feuchtegehalt und Temperatur, des Kältemittels in den Batterie-Wärmeübertrager, also in die Batterie bzw. den Batterie-Chiller, kann durch eine Wärmeabgabe am Innen-Wärmeübertrager sowie einen Öffnungsquerschnitt des steuerbaren Entspannungsorgans eingestellt werden. Im Idealfall sollte dieser Punkt so an einer Taulinie (Kondensationskuve) in einem Enthalpie-Druck-Diagramm, beispielsweise einem logarithmischen Enthalpie-Druck-Diagramm, zu liegen kommen, dass auf dem Temperaturniveau des Batterie-Wärmeübertragers möglichst viel Wärme durch den Phasenwechsel des Kältemittels in die Batterie eingetragen werden kann, ohne dass das Kältemittel dabei eine Temperauränderung erfährt.An entry point, in particular a relationship between pressure, moisture content and temperature, of the refrigerant in the battery heat exchanger, ie in the battery or the battery chiller, can be adjusted by a heat output at the internal heat exchanger and an opening cross section of the controllable expansion device. Ideally, this point should come to lie on a dew line (condensation curve) in an enthalpy pressure diagram, for example, a logarithmic enthalpy pressure diagram, that as much heat as possible at the temperature level of the battery heat exchanger through the phase change of the refrigerant the battery can be registered without the refrigerant undergoes a Temperauränderung.
Die Wärmepumpe kann noch in weiteren Betriebsmodi betrieben werden, wobei der Batterie-Wärmeübertrager als Verdampfer zum Aufnehmen von Wärme aus der Batterie wirkt oder nicht genutzt wird.The heat pump can still be operated in other operating modes, wherein the battery heat exchanger acts as an evaporator for absorbing heat from the battery or is not used.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
-
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs; -
2 eine erste Beziehung zwischen Enthalpie und Druck während eines Strömungszyklus des Kältemittels; -
3 eine zweite Beziehung zwischen Enthalpie und Druck während eines Strömungszyklus des Kältemittels; -
4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs; und -
5 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
-
1 schematically a first embodiment of an air conditioning device of a motor vehicle; -
2 a first relationship between enthalpy and pressure during a flow cycle of the refrigerant; -
3 a second relationship between enthalpy and pressure during a flow cycle of the refrigerant; -
4 schematically a second embodiment of an air conditioning device of a motor vehicle; and -
5 schematically a second embodiment of an air conditioning device of a motor vehicle.
Der Verdichter
An einem ersten Knotenpunkt
In einem ersten Betriebsmodus der Klimatisierungsvorrichtung
Das Kältemittel, das überhitzt in dem Innenraum-Verflüssiger
Anschließend strömt das Kältemittel über den vierten Knotenpunkt
Es kommt also zu einer zweistufigen Wärmeabgabe, wobei gaskühlend und gegebenenfalls kondensierend auf hohem Druckniveau Wärme in dem Innenraum-Verflüssiger
Das Kältemittel, das überhitzt in dem Innenraum-Verflüssiger
Es kommt also zu einer zweistufigen Wärmeabgabe, wobei Wärme gaskühlend und teilkondensierend in den Innenraum (mit Temperaturdifferenz) abgegeben wird und anschließend kondensierend (ohne signifikante Temperaturdifferenz) Wärme in die Batterie abgegeben wird.So it comes to a two-stage heat dissipation, heat is given gas cooling and partially condensing in the interior (with temperature difference) and then condensing (without significant temperature difference) heat is discharged into the battery.
In einem zweiten Betriebsmodus der Klimatisierungsvorrichtung
Die Klimatisierungsvorrichtung
Der zweite Zweig
In dem ersten Betriebsmodus sind das erste Absperrventil
In dem zweiten Betriebsmodus sind das erste Absperrventil
In einem dritten Betriebsmodus sind das erste Absperrventil
In einem vierten Betriebsmodus sind das erste Absperrventil
In einem fünften Betriebsmodus sind das erste Absperrventil
Die Betriebsmodi der Klimatisierungsvorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1', 1"1, 1 ', 1 "
- KlimatisierungsvorrichtungAir conditioning device
- 22
- KältemittelkreisRefrigerant circuit
- 33
- Verdichtercompressor
- 44
- Innenraum-VerflüssigerInterior condenser
- 4'4 '
- Wasser-Kältemittel-WärmeübertragerWater-refrigerant heat exchanger
- 5a, 5b, 5c, 5d,5a, 5b, 5c, 5d,
- Entspannungsventilexpansion valve
- 66
- Batterie-WärmeübertragerBattery heat exchanger
- 7a, 7b, 7c, 7d,7e7a, 7b, 7c, 7d, 7e
- Absperrventilshut-off valve
- 88th
- Außen-VerdampferOutdoor evaporator
- 8'8th'
- Außen-WärmeübertragerOutdoor heat exchanger
- 99
- Luftstromairflow
- 10, 13, 14, 15, 18, 1910, 13, 14, 15, 18, 19
- Knotenpunktehubs
- 11, 12, 1711, 12, 17
- Zweige des KältemittelkreisesBranches of the refrigerant circuit
- 1616
- Innenraum-WärmeübertragerInterior heat exchanger
- 2020
- innerer Wärmeübertragerinternal heat exchanger
- 2121
- Sammlercollector
- 2222
- KühlmittelkreisCoolant circuit
- 2323
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 2424
- Heizungs-WärmeübertragerHeating heat exchanger
- 2525
- Pumpepump
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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