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Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des Wärmemanagementsystems.
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Wärmespeicher oder thermische Speicher (TES) können in einem Kraftfahrzeug für verschiedene Anwendungen zum Einsatz kommen. Je nach Antriebskonzept (BEV, PHEV, konventionell) lässt sich ein thermischer Speicher nutzen, um im Fahrzeug anfallende Wärme zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zur Vorkonditionierung von Komponenten oder des Fahrzeug-Innenraums zu nutzen. Zum Einsatz kommen vor allem Phasen-Wechsel-Materialien (PCM, Phase Change Materials) auf Grund deren hoher Leistungsdichte. In der Regel erfolgt die Anbindung von thermischen Speichern an das Thermomanagement-System des Fahrzeugs durch Einbindung in einen Kühlkreislauf. Dabei wird der thermische Speicher mit Kühlmittel durchströmt.
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Die
DE 10 2013 107 251 A1 schlägt eine Dampfkraftvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftvorrichtung vor. Die Vorrichtung umfasst eine Wärmeübertragungs- und eine Verdampfereinrichtung, an denen ein Arbeitsmedium durch ein Wärmeübertragungsmedium erwärmt und verdampft wird. An der Wärmeübertragungseinrichtung und/oder der Verdampfereinrichtung ist ein Latentwärmespeicher angeordnet.
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Die
DE 10 2013 100 396 A1 betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung mit einer thermoelektrischen Moduleinrichtung mit einer Kaltseite und Heißseite, und einer Latentwärmespeichereinrichtung, welche an der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung angeordnet ist.
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Die
DE 10 2015 111 235 A1 offenbart eine Wärmespeichervorrichtung mit einer ersten Wärmespeichereinrichtung, in welcher Wärme auf einem ersten Temperaturniveau speicherbar ist, einer zweiten Wärmespeichereinrichtung, in welcher Wärme auf einem zweiten Temperaturniveau speicherbar ist, welches niedriger ist als das erste Temperaturniveau, einer der ersten Wärmespeichereinrichtung zugeordneten Heizeinrichtung, einem zwischen den Wärmespeichereinrichtungen angeordneten Wärmeübertragungsraum, über welchen Wärme von der ersten Wärmespeichereinrichtung in die zweite Wärmespeichereinrichtung übertragbar ist, und einer Einstelleinrichtung, durch die ein Wärmeübertrag von der ersten Wärmespeichereinrichtung auf die zweite Wärmespeichereinrichtung einstellbar ist.
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Aus der
DE 102 58 618 B3 geht eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug hervor, die einen Wärmespeicher mit einem Rückschlag- und einem Bypassventil umfasst, der durch eine Umwälzpumpe mit einem Kühlfluid durchströmt wird und eine Nutzluft eines Innenraums temperiert.
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Aus der
DE 10 2014 101 044 A1 sind ein Verfahren und ein System zum thermischen Management eines Fahrzeugs bekannt. Das System umfasst drei Kühlmittelkreisläufe. Der erste Kreislauf umfasst ein wieder aufladbares Energiesystem und einen Heizer. Der zweite Kreislauf umfasst eine Brennkraftmaschine. Der dritte Kreislauf ist mit dem ersten Kreislauf verbunden und steht über einen Wärmetauscher in Kommunikation mit dem zweiten Kreislauf.
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Die
DE 10 2009 058 575 A1 lehrt einen Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine sowie Arbeitsverfahren zum Betrieb des Kühlmittelkreislaufs. Eine einstellbare Kühlmittelpumpe versorgt einen Wärmespeicher mit Hilfe eines Schaltventils mit Kühlmittel, wobei ein Rückfluss des Kühlmittels unterbunden wird.
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Aus der
US 2017 / 0 182 864 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmeverteilung in einem Hybridkraftfahrzeug bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Motorkühlkreislauf und einen Kältemittelkreislauf für einen kombinierten Betrieb in einem Kältewärmepumpenmodus und einem Nachheizmodus, der einen Verdampfer, einen Kompressor und einen Wärmetauscher umfasst, um Wärme vom Kältemittel an die zu klimatisierende Luft eines Fahrgastraums zu liefern; und einen Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme zwischen einem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs und einem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs, wobei der Wärmetauscher als Verdampfer für die Wärmeübertragung und als Kondensator für die Wärmeübertragung vom kondensierenden Kältemittel auf das Kühlmittel arbeitet.
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Aus
DE 20 2014 101 946 U1 geht ein Klimaregelungssystem für ein Fahrzeug hervor, das einen ersten und zweiten in einem Gehäuse angeordneten Adsorber und eine in dem Gehäuse angeordnete Klappe umfasst, die den Luftstrom durch den ersten und zweiten Adsorber steuert; wobei der erste Adsorber Feuchtigkeit aus dem Luftstrom adsorbiert und der zweite Adsorber Feuchtigkeit desorbiert, wenn sich die Klappe in einer ersten Position befindet.
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Die
DE 10 2013 017 464 A1 betrifft ein Temperaturregulationssystem für Fahrzeuge mit wenigstens einem Latentwärmespeicher, der bei mindestens zwei Temperaturen (Arbeitspunkten) Wärme aufnimmt oder abgibt.
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Die
DE 10 2014 215 891 A1 offenbart ein Wärmemanagement-System für ein Fahrzeug mit einer Adsorptionsanlage, die eine Sorptionseinheit mit einer Anzahl von Sorptionsbetten umfasst, und die ein erstes Reservoir mit einem Sorbat umfasst, wobei das erste Reservoir mit der Sorptionseinheit zum Be- und Entladen der Sorptionsbetten verbunden ist und wobei weiterhin eine Steuereinheit zum Betrieb des Wärmemanagement-Systems in unterschiedlichen Betriebsmodi angeordnet ist.
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In Systemen mit thermischem Speicher werden Heizvorrichtungen zur Beheizung des Innenraums bei einem entladenen thermischen Speicher eingesetzt. Zur Beladung des thermischen Speichers vor Fahrtbeginn werden ebenfalls Heizvorrichtungen eingesetzt, z. B. Hochvolt-Heizer. Bei den bekannten Systemen werden jeweils ein Hochvolt-Heizer für die Beladung des Latentwärmespeichers und ein Hochvolt-Heizer zum Beheizen des Innenraums benötigt.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beseitigt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System für das Wärmemanagement eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird ein einziger Hochvolt-Heizer zum Beladen eines thermischen Speichers (Latentwärmespeichers) oder zum Beheizen eines ersten Heizkreislaufes und über einen mit diesem thermisch gekoppelten zweiten Heizkreislauf auch eines Innenraumes eines Fahrzeuges genutzt. Erfindungsgemäß sind der Hochvolt-Heizer und der thermische Speicher in Reihe geschaltet. Der Hochvolt-Heizer bekommt so eine Doppelfunktion und wird einerseits zum Beheizen des Innenraums und andererseits zur Beladung des thermischen Speichers eingesetzt.
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Bei der Integration eines thermischen Speichers und eines Hochvolt-Heizers ergibt sich die Anforderung, dass je nach Beladungszustand des Latentwärmespeichers entweder Wärme aus dem Hochvolt-Heizer direkt dem Heizungswärmetauscher bzw. dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt, oder Wärme aus dem thermischen Speicher dem Heizungswärmetauscher bzw. dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt, oder Wärme aus dem Hochvolt-Heizer dem thermischen Speicher zugeführt werden muss, damit der Hochvolt-Heizer zum einen bei einem entladenen thermischen Speicher zur Beheizung des Innenraums genutzt werden kann und zum andern zur Beladung des thermischen Speichers vor Fahrtbeginn genutzt werden kann (Doppelfunktion).
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Diese Anforderungen werden erfindungsgemäß erfüllt, indem das System mit zwei separaten Fluidkreisläufen ausgestattet ist, die über einen gemeinsamen Wärmeübertrager thermisch gekoppelt sind.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug, das einen ersten Kreislauf für ein erstes Wärmeübertragungsmedium und einen zweiten Kreislauf für ein zweites Wärmeübertragungsmedium umfasst, wobei die beiden Kreisläufe über einen Wärmeübertrager thermisch gekoppelt sind, der Bestandteil beider Kreisläufe ist.
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In dem ersten Kreislauf sind außerdem ein Heizungswärmetauscher und eine Pumpe zur Förderung des ersten Wärmeübertragungsmediums durch den ersten Kreislauf angeordnet. Geeignete Heizungswärmetauscher sind dem Fachmann im Prinzip bekannt. Der Heizungswärmetauscher wird mit einem heißen Wärmeübertragungsmedium durchströmt. Über eine Austauscherfläche des Heizungswärmetauschers wird ein Luftstrom geleitet und so erwärmt. Der Luftstrom lässt sich regulieren, um die Heizwirkung zu steuern.
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Der zweite Kreislauf umfasst neben dem Wärmeübertrager einen Hochvolt-Heizer, mindestens einen Latentwärmespeicher und eine Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung zur Förderung des zweiten Wärmeübertragungsmediums durch den zweiten Kreislauf. In dem zweiten Kreislauf sind zwei Rückschlagventile so angeordnet, dass in einer Förderrichtung der Pumpe das zweite Wärmeübertragungsmedium durch den mindestens einen Latentwärmespeicher gefördert wird, und in der umgekehrten Förderrichtung der Pumpe das Wärmeübertragungsmedium durch eine Umgehungsleitung (Bypass) an dem mindestens einen Latentwärmespeicher vorbei gefördert wird.
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Der mindestens eine Latentwärmespeicher ist dafür eingerichtet, Wärme zu speichern bzw. abzugeben. Es kann auch mehr als ein Latentwärmespeicher im Heizkreislauf vorhanden sein. In einer speziellen Ausführungsform ist die Phasenübergangstemperatur des Speichermaterials im Latentwärmespeicher >120°C.
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Ein Latentwärmespeicher umfasst ein Phasenwechselmedium (PCM, Phase Change Material), das im Bereich der Phasenübergangstemperatur Energie aufnehmen kann, ohne dass seine Temperatur weiter ansteigt. Bei der Phasenwechseltemperatur, beispielsweise bei Übergang von der festen zur flüssigen Phase, erfährt die Wärmekapazität des Phasenwechselmediums einen Sprung. Es lässt sich dadurch bei Wärmezufuhr Energie in dem Latentwärmespeicher speichern, die für eine spätere Verwendung zur Verfügung steht. Es ist mittlerweile eine Vielzahl von Materialien für Latentwärmespeicher verfügbar, die Phasenübergangstemperaturen im Bereich von -50°C bis 190°C aufweisen. Die Materialien umfassen z. B. Paraffine, Salzhydrate anorganischer Salze oder eutektische Gemische anorganischer Verbindungen. Durch Auswahl eines Materials mit einer gewünschten Phasenübergangstemperatur lässt sich das Temperaturniveau festlegen, bei dem Wärme in dem mindestens einen Latentwärmespeicher gespeichert und von diesem bei Bedarf wieder abgegeben wird.
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Erfindungsgemäß sind ein Hochvolt-Heizer und mindestens ein thermischer Speicher in Reihenschaltung in einem separaten zweiten Kreislauf angeordnet, der über einen Wärmeübertrager mit einem ersten Kreislauf verbunden ist, der einen Heizungswärmetauscher für die Fahrzeugbeheizung enthält. Durch den separaten zweiten Kreislauf kommt es nicht zu Wärmeverlusten oder unkontrolliertem Wärmetransport zwischen Hochvolt-Heizer und thermischem Speicher im ersten Kreislauf, der nur noch eine Pumpe, den Wärmeübertrager und den Heizungswärmetauscher aufweist.
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Der zweite Kreislauf umfasst eine Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung. Je nach Förderrichtung der Pumpe ergeben sich im zweiten Kreislauf zwei unterschiedliche Fließwege mit unterschiedlicher Durchströmung der Komponenten. In einer Förderrichtung der Pumpe werden nur der Hochvolt-Heizer und der Wärmeübertrager durchströmt, in der umgekehrten Förderrichtung der Hochvolt-Heizer, der mindestens eine Latentwärmespeicher und der Wärmeübertrager.
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In einer Ausführungsform ist die Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung eine Zahnradpumpe. In einer anderen Ausführungsform ist die Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung eine Drehkolbenpumpe.
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In dem ersten Kreislauf zirkuliert ein erstes Wärmeübertragungsmedium, und in dem zweiten Kreislauf ein zweites Wärmeübertragungsmedium. Beispiele geeigneter Wärmeübertragungsmedien umfassen beispielsweise Wasser und Alkohole, wie Ethylenglykol, Butandiol oder Glycerin. Es können aber auch ölbasierte Wärmeübertragungsmedien eingesetzt werden
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In einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Wärmeübertragungsmedium gleich. In einer anderen Ausführungsform sind das erste und das zweite Wärmeübertragungsmedium unterschiedlich. In einer weiteren Ausführungsform ist die Siedetemperatur des zweiten Wärmeübertragungsmediums höher als die Siedetemperatur des ersten Wärmeübertragungsmediums. In einer Ausführungsform ist die Siedetemperatur des zweiten Wärmeübertragungsmediums größer als 120°C. Im zweiten Kreislauf kann z. B. ein Wärmeübertragungsmedium mit hohem Siedepunkt (100-300°C) eingesetzt werden, was ermöglicht, als Latentwärmespeicher einen Latentwärmespeicher mit höherer Schmelztemperatur des Speichermediums (z. B. >120°C) einzusetzen. Daraus ergibt sich für den thermischen Speicher eine höhere Energiedichte.
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In Folgenden sind Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems beschrieben.
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In einer Variante des Verfahrens ist die im ersten Kreislauf angeordnete Pumpe abgeschaltet und/oder es wird keine Luft über den Heizungswärmetauscher geleitet. Der erste Kreislauf zieht also keine Wärmeenergie aus dem zweiten Kreislauf ab. Die Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung im zweiten Kreislauf wird so betrieben, dass das zweite Wärmeübertragungsmedium den Wärmeübertrager, den Hochvolt-Heizer und den mindestens einen Latentwärmespeicher durchströmt. Dabei wird Wärmeenergie in dem mindestens einen Latentwärmespeicher gespeichert. Mit diesem Verfahren kann Wärme aus dem Hochvolt-Heizer an den thermischen Speicher übertragen werden.
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In einer anderen Variante des Verfahrens wird die Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung im zweiten Kreislauf so betrieben, dass das zweite Wärmeübertragungsmedium den Hochvolt-Heizer, den mindestens einen Latentwärmespeicher und den Wärmeübertrager durchströmt. Dabei wird in dem mindestens einen Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie an das zweite Wärmeübertragungsmedium abgegeben und über den Wärmeübertrager auf das erste Wärmeübertragungsmedium im ersten Kreislauf übertragen. Die im ersten Kreislauf angeordnete Pumpe fördert das erste Wärmeübertragungsmedium durch den Heizungswärmetauscher, welcher Wärmeenergie an einen über den Heizungswärmetauscher geleiteten Luftstrom abgibt. Mit diesem Verfahren kann Wärme aus dem thermischen Speicher an den ersten Heizkreislauf (und in der Folge an den Innenraum des Fahrzeugs) übertragen werden.
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In einer weiteren Variante des Verfahrens wird die Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung im zweiten Kreislauf so betrieben, dass das zweite Wärmeübertragungsmedium den Hochvolt-Heizer und den Wärmeübertrager durchströmt. Dabei wird Wärmeenergie auf das erste Wärmeübertragungsmedium im ersten Kreislauf übertragen Die Förderrichtung der Pumpe ist in dieser Ausführungsform entgegengesetzt der Förderrichtung in den beiden vorstehend beschriebenen Varianten. Die im ersten Kreislauf angeordnete Pumpe fördert das erste Wärmeübertragungsmedium durch den Heizungswärmetauscher, welcher Wärmeenergie an einen über den Heizungswärmetauscher geleiteten Luftstrom abgibt. Mit diesem Verfahren kann Wärme aus dem Hochvolt-Heizer direkt an den ersten Heizkreislauf (und damit Innenraum) übertragen werden.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems;
- 2 zwei schematische Darstellungen des Fließwegs eines Wärmeübertragungsmediums durch den zweiten Kreislauf des Wärmemanagementsystems aus 1 bei unterschiedlichen Förderrichtungen der Pumpe.
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems 10. Das Wärmemanagementsystem 10 umfasst einen ersten Kreislauf 11 für ein erstes Wärmeübertragungsmedium und einen zweiten Kreislauf 12 für ein zweites Wärmeübertragungsmedium. Die beiden Kreisläufe 11 und 12 sind über einen Wärmeübertrager 13 thermisch miteinander gekoppelt.
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Im ersten Kreislauf 11 sind ein Heizungswärmetauscher 14 und eine Pumpe 15 zur Förderung des ersten Wärmeübertragungsmediums durch den ersten Kreislauf 11 angeordnet.
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Der zweite Kreislauf 12 umfasst einen Hochvolt-Heizer 16, mindestens einen Latentwärmespeicher 17 und eine Pumpe 18 mit umkehrbarer Förderrichtung zur Förderung des zweiten Wärmeübertragungsmediums durch den zweiten Kreislauf 12. Über eine Umgehungsleitung 21 kann ein Strom des zweiten Wärmeübertragungsmediums an dem mindestens einen Latentwärmespeicher 17 vorbeigeleitet werden. In der Umgehungsleitung 21 ist ein erstes Rückschlagventil 19 angeordnet, das eine Durchströmung der Umgehungsleitung 21 nur in einer Fließrichtung erlaubt. Ein zweites Rückschlagventil 20, dessen Durchlassrichtung der des ersten Rückschlagventils 19 entgegengesetzt ist, verhindert eine Durchströmung des mindestens einen Latentwärmespeichers 17, wenn das erste Rückschlagventil in der Umgehungsleitung 21 geöffnet ist. Je nach Förderrichtung der Pumpe 18 strömt das zweite Wärmeübertragungsmedium entweder durch den mindestens einen Latentwärmespeicher 17 oder wird durch die Umgehungsleitung 21 an dem mindestens einen Latentwärmespeicher 17 vorbeigeführt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Durchlassrichtungen der Rückschlagventile 19 und 20 so gewählt, dass bei einer Fließrichtung des zweiten Wärmeübertragungsmediums gegen den Uhrzeigersinn zunächst der Hochvolt-Heizer 16 und dann der mindestens eine Latentwärmespeicher 17 durchströmt wird, während bei einer Fließrichtung des zweiten Wärmeübertragungsmediums im Uhrzeigersinn der mindestens eine Latentwärmespeicher 17 nicht durchströmt wird. Die Durchlassrichtungen der Rückschlagventile 19 und 20 können aber auch jeweils umgekehrt gewählt werden.
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2 zeigt schematisch den Fließweg eines Wärmeübertragungsmediums durch den zweiten Kreislauf 12 des Wärmemanagementsystems 10 aus 1 bei unterschiedlichen Förderrichtungen der Pumpe 18.
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In 2a wird das Wärmeübertragungsmedium von der Pumpe 18 im Uhrzeigersinn durch den Kreislauf gefördert und durchströmt das Rückschlagventil 19, den Hochvolt-Heizer 16 und den Wärmeübertrager 13. In diesem Betriebsmodus wird die vom Hochvolt-Heizer 16 erzeugte Wärme vollständig dem Wärmeübertrager 13 zugeführt und kann an den ersten Kreislauf 11 übertragen und dort über den Heizungswärmetauscher 14 zu Heizzwecken genutzt werden, z. B. zur Heizung des Fahrgastraums.
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In 2b wird das Wärmeübertragungsmedium von der Pumpe 18 in entgegengesetzter Richtung, also gegen den Uhrzeigersinn durch den Kreislauf gefördert und durchströmt den Wärmeübertrager 13, den Hochvolt-Heizer 16, den mindestens einen Latentwärmespeicher 17 und das Rückschlagventil 20.
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In diesem Betriebsmodus kann vom Hochvolt-Heizer 16 erzeugte Wärme zum Beladen des mindestens einen Latentwärmespeichers 17 genutzt werden. Um möglichst viel Wärmeenergie für die Beladung zu nutzen, kann eine Wärmeübertragung über den Wärmeübertrager 13 unterdrückt werden, indem die Pumpe 15 im ersten Kreislauf 11 abgeschaltet und/oder kein Luftstrom über den Heizungswärmetauscher 14 geleitet wird.
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Es kann in diesem Betriebsmodus aber auch in dem mindestens einen Latentwärmespeicher 17 gespeicherte Wärmeenergie für Heizzwecke genutzt werden. Das den mindestens einen Latentwärmespeicher 17 durchströmende zweite Wärmeübertragungsmedium entnimmt dem mindestens einen Latentwärmespeicher 17 Wärmeenergie und wird erwärmt. Im Wärmeübertrager 13 wird die Wärmeenergie auf den ersten Kreislauf 11 übertragen und kann dort über den Heizungswärmetauscher 14 zu Heizzwecken genutzt werden. Der Hochvolt-Heizer 16 ist beim Entladen des mindestens einen Latentwärmespeichers 17 üblicherweise abgeschaltet, außer wenn eine maximale Heizleistung des Systems abgerufen werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmemanagementsystem
- 11
- erster Kühlmittelkreislauf
- 12
- zweiter Kühlmittelkreislauf
- 13
- Wärmeübertrager
- 14
- Heizungswärmetauscher
- 15
- Kühlmittelpumpe
- 16
- Hochvolt-Heizer
- 17
- Latentwärmespeicher
- 18
- Pumpe mit umkehrbarer Förderrichtung
- 19
- erstes Rückschlagventil
- 20
- zweites Rückschlagventil
- 21
- Umgehungsleitung
