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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Fahrzeug, die einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung sowohl eines AC-Betriebes als auch eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kälteanlage.
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Zur Innenraumklimatisierung von Elektrofahrzeugen sind diese mit elektrischen Kältemittelverdichtern oder elektrischen Wärmepumpensystemen sowie elektrischen Heizelementen (bspw. Hochvolt-PTCs oder sogenannte Hochvolt-Heizer) ausgestattet. In Abhängigkeit der Außentemperatur wird der Fahrzeuginnenraum mit Kälte- oder Wärmeleistung versorgt, wobei die Effizienz der Innenraumklimatisierung direkt den Energieverbrauch des Fahrzeugs und somit die Reichweite von Elektrofahrzeugen beeinflusst.
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Effizienzoptimierte Innenraumklimatisierungen für Elektrofahrzeuge bestehen aktuell aus Wärmepumpensystemen kombiniert mit elektrischen Heizelementen.
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Beim Heizen wird die Außenluft über einen Heizungswärmetauscher geleitet und erwärmt. Die Wärme im Heizkreis wird elektrisch, also mittels Hochvolt-Heizer und/oder Wärmepumpe zur Verfügung gestellt. Alternativ gibt es auch Hochvolt-Heizer, die direkt in der Luftstrecke integriert sind und die Luft direkt erwärmen.
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Damit Scheibenbeschlag sicher vermieden werden kann, wird im Heizfall in der Regel 100% Frischluft (= Außenluft) angesaugt, elektrisch erwärmt und anschließend in den Fahrgastraum geleitet.
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Außerdem ist es für einen angenehmen Innenraumkomfort wichtig, eine sog. „Schichtung“ im Klimagerät des Fahrzeugs auszubilden, die dazu beiträgt, dass es im Fußraum (über die Fußausström-Düsen) angenehm warm ist und im Kopfbereich (über die Defrost-Düsen) eine deutlich niedrigere Zieltemperatur erreicht werden kann. Dieser Wunsch nach einer Temperaturschichtung verhindert oft den Einsatz höherer Umluftanteile in der Luftansaugung, was energetisch allerdings deutlich effizienter wäre.
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Nachteilig an dieser Betriebsweise ist jedoch, dass die elektrisch aufgeheizte Frischluft aus dem Fahrgastraum auch wieder erwärmt über die Fahrzeug-Heckentlüftung an die Fahrzeugumgebung abgegeben wird, ohne dass das Wärmepotenzial dieses Abluftstroms genutzt wird. Bei Elektrofahrzeugen ohne Verbrennungsmotor, bei denen elektrisch geheizt wird, hat dies einen negativen Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeugs.
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Hinsichtlich dieser Problematik offenbart die
JP 2009-23 373 A eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines AC-Betriebes und eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion sowie einen Kühlmittelkreislauf mit einer wärmeerzeugenden Komponente. Der Kühlmittelkreislauf umfasst neben der wärmeerzeugenden Komponente einen in einer Entlüftungsöffnung angeordneten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager, dem in Strömungsrichtung des Kühlmittels die wärmeerzeugende Komponente nachgeordnet ist. Der Kühlmittelkreislauf ist mit dem Kältemittelkreislauf mittels eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers thermisch gekoppelt, dem zur Durchführung der Wärmepumpenfunktion kältemittelseitig stromabwärts ein Expansionsorgan vorgelagert ist. Zur Durchführung des Heizbetriebs ist in dem Kältemittelkreislauf ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet, welcher kühlmittelseitig ein in einem Klimagerät angeordnetes Heizregister aufweist.
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Mit dieser bekannten Fahrzeugklimaanlage gemäß der
JP 2009-23 373 A wird die Abwärme der aus dem Fahrgastraum des Fahrzeugs in die Fahrzeugumgebung strömenden Abluft auf das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen, um so mittels der Wärmepumpenfunktion die Abwärme wieder zur Erwärmung der in den Fahrgastraum einströmenden Zuluft zu nutzen, indem im Heizbetrieb mittels des in dem Klimagerät angeordneten Heizregisters die Zuluft erwärmt wird.
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Aus der
EP 1 961 592 A1 ist eine Klimaanlage für ein durch einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, angetriebenes Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf mit mehreren Wärmeübertragern bekannt, durch die ein Kältemittel für einen Wärmetausch mit der sie durchströmenden Luft leitbar ist, wobei die Wärmeübertrager in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Klimaanlage als Heizer oder als Verdampfer betreibbar sind. Ferner ist ein dritter Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist, welcher dem Wärmetausch mit einem getrennt vom Kältemittelkreislauf ausgebildeten Kühlmittelkreislauf dient. Der Kältemittelkreislauf weist eine Strömungsrichtungsumkehr für das Kältemittel in einem Bereich des Kältemittelkreislaufs auf, in welchem die drei Wärmeübertrager angeordnet sind. Die Richtungsumkehr wird mittels eines 4/2-Wegeventil realisiert, wobei ein Teil des Kältemittelkreislaufs, in welchem eine Pumpe und ein Kältemittelsammler angeordnet sind, stets in gleicher Richtung durchströmt werden, während der andere Teil des Kältemittelkreislaufs, in .welchem die mindestens drei Wärmeübertrager und mindestens ein Expansionsorgan angeordnet sind, in Abhängigkeit des gewünschten Betriebs durchströmbar sind. Im Kältemittelkreislauf sind zwei der Wärmeübertrager hintereinander angeordnet und vom dritten Wärmeübertrager durch ein Expansionsorgan getrennt, wobei bei einem Heizbetrieb, also einer Wärmeaufnahme über die Wärmeübertrager, zuerst ein Umgebungs-Wärmeübertrager und danach ein Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager vom Kältemittel zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung und vom Kühlmittel durchströmt werden. Des Weiteren sind zwei Kühlmittelkreisläufe vorgesehen, die jeweils von einer Pumpe umgewälzt werden, wobei die beiden Kreisläufe miteinander verbindbar sind, so dass ein Kühlmittelaustausch erfolgt. Im Kühlbetrieb gibt der Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager Wärme an das Kühlmittel ab, welches die aufgenommene Wärme über einen im Kühlkreislauf angeordneten Abluftwärmeübertrager an die Umgebung abgibt. Im Wärmepumpenbetrieb-Heizbetrieb wird über den im Kühlkreislauf angeordneten Abluftwärmeübertrager Wärme aus der Umgebung aufgenommen, die über das Kühlmittel an den Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager weitergeleitet und an das Kältemittel abgegeben wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2017 202 680 A1 ein Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit einer Wärmepumpenfunktion bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst einen Kältemittelverdichter, einen Wärmeübertrager, mit welchem Wärme aus der Umgebungsluft des Fahrzeugs und/oder Abwärme wenigstens einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auf das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs übertragen wird, ein dem Wärmeübertrager zugeordnetes Expansionsorgan, einen in einem Klimagerät angeordneten und mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelten Heizungswärmeübertrager zur Übertragung der Wärme aus der Umgebungsluft und/oder der Abwärme der elektrischen Komponente auf einen dem Klimagerät zugeführten Zuluftstrom, und einen in dem Klimagerät angeordneten elektrischen Zuheizer, wobei der Zuheizer derart angeordnet ist, dass der von dem Heizungswärmeübertrager erwärmte Zuluftstrom anschließend von dem Zuheizer erwärmt wird.
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Die
DE 10 2009 059 240 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug-Kühlsystem mit einem ersten Kühlkreislauf einer in diesen eingebundenen und zu kühlenden elektrischen Komponente eines Fahrzeugs, einer Kälteanlage und einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher. In dem zum Kühlen der elektrischen Komponente vorgesehenen ersten Kühlkreislauf sind ein erster Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher und ein zweiter Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher angeordnet, die von einem dem Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs zugeführten Luftstrom beaufschlagt werden und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dieses gemeinsame Gehäuse für die beiden parallel fluidverbundenen Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher ist in einem Luftströmungsweg einer Klimaanlage des Fahrzeugs angeordnet. Über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher wird die von der Kälteanlage bereitgestellte Kühlleistung auf das Kältemittel übertragen.
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Die
DE 10 2012 019 005 A1 offenbart eine Klimatisierungsanordnung zum thermischen Konditionieren eines einen Elektroantrieb aufweisenden Fahrzeugs, wobei der Elektroantrieb gekühlt und die dabei anfallende Wärme zum Beheizen eines Innenraums des Fahrzeugs verwendet wird, oder wobei mittels Klimakompressoren Kälte zum thermischen Konditionieren des Elektroantriebs bereitgestellt wird. Hierzu weist die Klimatisierungsanordnung drei Kühlmittelkreisläufe auf, die mittels Wärmetauschern und Wegventilen verschaltet sind und Wärme des Elektroantriebs aufnehmen sowie einen Zuluftstrom für den Fahrzeuginnenraum über ein mehrteiligen Wärmetauscher konditionieren.
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Eine Vorrichtung zum Wärmemanagement einer Fahrzeugkabine und eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs ist aus der
US 2015/0 034 272 A1 bekannt. Diese Vorrichtung umfasst einen Kältemittelkreislauf, welcher mittels eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauschers mit einem Kühlkreislauf thermisch gekoppelt ist, welcher aus zwei parallel fluidverbindbaren Kühlmittelkreisläufen besteht, die zu kühlende elektrische Komponenten aufweisen und jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden können. Die thermische Energie dieser elektrischen Komponenten wird zur Konditionierung eines dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstroms mittels jeweils eines in dem Kühlkreislauf als auch in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Wärmeübertragers eingesetzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines AC-Betriebes und eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion anzugeben, welcher bei Aufrechterhaltung eines hohen Klimakomforts eine hohe Effizienz aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
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Eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einer ersten und zweiten Entlüftungsöffnung eines Fahrgastraums umfasst gemäß der erstgenannten Lösung
- - einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines AC-Betriebes und eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion,
- - einen Kühlmittelkreislauf mit wärmeerzeugenden Komponenten des Fahrzeugs sowie einem der ersten Entlüftungsöffnung zugeordneten ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem der zweiten Entlüftungsöffnung zugeordneten zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mit welchem in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels entweder Wärme eines aus einem Fahrgastraum des Fahrzeugs in die Fahrzeugumgebung abgeführten Abluftstroms aufgenommen wird oder Wärme auf den aus dem Fahrgastraum des Fahrzeugs in die Fahrzeugumgebung abgeführten Abluftstrom übertragen wird, wobei die Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager stromabwärts des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers angeordnet, sind und wenigstens eine wärmeerzeugende Komponente eine Bypass-Leitung aufweist,
- - einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur thermischen Kopplung des Kältemittelkreislaufs mit dem Kühlmittelkreislauf, wobei dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager kältemittelseitig ein Expansionsorgan zugeordnet ist, und
- - einen Wärmeübertrager, mit welchem mittels der Wärmepumpenfunktion die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmende Zuluft erwärmbar ist.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Kälteanlage wird die an den beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern vorbeigeführte Abluft des Fahrgastraums in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs entweder als Wärmequelle oder als Wärmesenke verwendet. Im Falle der Verwendung als Wärmequelle wird die Wärme der Abluft, die dem Fahrzeugaußenraum zugeführt wird, mittels der beiden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zurückgewonnen und mittels der Wärmepumpenfunktion zur Erwärmung der in den Fahrgastraum strömenden Zuluft eingesetzt. Dies ist insbesondere bei Elektrofahrzeugen vorteilhaft, da die Zuluft elektrisch mittels eines Hochvolt-Heizers und/oder einer Wärmepumpe erwärmt und mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers diese elektrisch erzeugte Wärme bei Wärmepumpenbetrieb zumindest teilweise wieder zurückgewonnen wird. Dies führt zu einer Erhöhung der Reichweite bei Elektrofahrzeugen.
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Durch die Anordnung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager vor jeweils einer Entlüftungsöffnung des Fahrgastraums des Fahrzeugs wird die Leistung und Systemeffizienz der Kälteanlage verbessert, da mit zwei Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern gegenüber dem Einsatz lediglich eines einzigen Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers eine vergrößerte Wärmetauscherfläche realisierbar ist. Zudem gibt sich durch den Einsatz von zwei Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern eine verbesserte Nutzung des vorhandenen Bauraums.
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Im Fall der Verwendung der Abluft als Wärmesenke wird die Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf auf die Abluft übertragen, wodurch die wärmeerzeugenden Komponenten in dem Kühlmittelkreislauf gekühlt werden. Damit kann der Einsatz einer aktiven Kühlung der wärmeerzeugenden Komponenten über den Kältemittelkreislauf verzögert werden, wodurch die elektrische Leistungsaufnahme des Kältemittelkreislaufs reduziert wird. Auch dies führt zu einer Erhöhung der Reichweite bei Elektrofahrzeugen. Im Falle der passiven Kühlung der wärmeerzeugenden Komponenten des Kühlmittelkreislaufs kann der Kältemittelkreislauf ausschließlich für die Fahrzeugklimatisierung betrieben werden. Zusätzlich zu den beiden Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern kann der Kühlmittelkreislauf mit einem Kühler ausgestattet werden, mit welchem die Abwärmen der als elektrische Komponenten ausgeführten wärmeerzeugenden Komponenten an die Fahrzeugumgebung übertragen werden.
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Durch die Anordnung der beiden Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager vor jeweils einer Entlüftungsöffnung des Fahrgastraums des Fahrzeugs werden selbst bei einer hohen Luftaustauschrate Wärmeverluste vermieden.
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Dadurch, dass die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager direkt stromabwärts des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers in dem Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, besteht zwischen dem Kühlmittel in den beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern und dem Abluftstrom eine maximale Temperaturdifferenz, wodurch ein hoher Wärmeübertrag auf den Abluftstrom oder vom Abluftstrom auf das Kühlmittel erreicht wird. Um im erstgenannten Fall zu verhindern, dass das aus den beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern austretende Kühlmittel eine nachfolgende thermische Komponente erwärmt, wenn diese kälter ist als die Temperatur des Kühlmittels, und somit das Kühlmittel wieder abgekühlt und der Wärmeeintrag durch den Abluftstrom für die Wärmerückgewinnung wieder zunichte gemacht werden würde, wird die der thermischen Komponente zugeordnete Bypass-Leitung verwendet, mit welcher diese thermische Komponente umgangen wird. Hierzu werden entsprechende Ventilorgane eingesetzt.
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Eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einer ersten und zweiten Entlüftungsöffnung eines Fahrgastraums umfasst gemäß der zweitgenannten Lösung
- - einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines AC-Betriebes und eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion,
- - einen Kühlmittelkreislauf mit wärmeerzeugenden Komponenten des Fahr-, zeugs sowie einem der ersten Entlüftungsöffnung zugeordneten ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem der zweiten Entlüftungsöffnung zugeordneten zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mit welchem in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels entweder Wärme eines aus einem Fahrgastraum des Fahrzeugs in die Fahrzeugumgebung abgeführten Abluftstroms aufgenommen wird oder Wärme auf den aus dem Fahrgastraum des Fahrzeugs in die Fahrzeugumgebung abgeführten Abluftstrom übertragen wird, wobei die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager derjenigen wärmeerzeugenden Komponente stromabwärts nachgeschaltet sind, welche im Vergleich zu dem die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager verlassenden Kühlmittel eine niedrigere Temperatur aufweist,
- - einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur thermischen Kopplung des Kältemittelkreislaufs mit dem Kühlmittelkreislauf, wobei dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager kältemittelseitig ein Expansionsorgan zugeordnet ist, und
- - einen Wärmeübertrager, mit welchem mittels der Wärmepumpenfunktion die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmende Zuluft erwärmbar ist.
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Um die Erwärmung einer thermischen Komponente durch das aus den beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertragern austretende Kühlmittel zu verhindern, werden bei dieser zweiten erfindungsgemäßen Lösung anstelle des Einsatzes von Bypass-Leitungen die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager derjenigen wärmeerzeugenden Komponente stromabwärts nachgeschaltet, welche gegenüber dem die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager verlassenden Kühlmittel eine niedrigere Temperatur aufweist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager entweder seriell oder parallel fluidverbunden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der für die Wärmepumpe erforderliche Wärmeübertrager als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet, welcher kühlmittelseitig mit einem Heizungswärmeübertrager zur Erwärmung eines der Fahrgastkabine zugeführten Zuluftstroms fluidverbunden ist. Ein solcher Heizungswärmeübertrager ist in der Regel in einem Klimagerät des Fahrzeugs angeordnet, in welchem der Zuluftstrom erwärmt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmeübertrager als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgeführt werden, mit welchem der dem Fahrgastraum zugeführte Zuluftstrom direkt erwärmbar ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen Kältemittelverdichter, einen Kondensator für den AC-Betrieb und wenigstens einen Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan auf.
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Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ist in vorteilhafter Weise ein als HV (Hochvolt)-Heizer ausgebildetes elektrisches Heizelement zur Erwärmung des dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführten Zuluftstroms vorgesehen, wobei die elektrisch eingesetzte Energie aus dem Abluftstrom mittels der Wärmepumpenfunktion zurückgewonnen wird, bevor der Abluftstrom an die Fahrzeugumgebung abgegeben wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf und einem Kühlmittelkreislauf,
- 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf und einem Kühlmittelkreislauf,
- 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise der Kälteanlage gemäß den 1 und 2,
- 4 eine alternative Ausführung des Kühlmittelkreislaufs der Kälteanlage nach 1, und
- 5 eine alternative Ausführung des Kühlmittelkreislaufs der Kälteanlage nach 2.
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Die in den 1 und 2 jeweils dargestellte Kälteanlage 10 einer Klimaanlage eines Fahrzeugs, bspw. eines Elektrofahrzeugs, besteht aus einem Kältemittelkreislauf 1 und einem Kühlmittelkreislauf 2 als Wärmeträgerkreislauf, wobei diese beiden Kreisläufe 1 und 2 mittels eines als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 3 thermisch gekoppelt sind. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 ist kältemittelseitig mit dem Kältemittelkreislauf 1 und kühlmittelseitig mit dem Kühlmittelkreislauf 2 fluidverbunden. Die beiden Kälteanlagen 10 gemäß den 1 und 2 unterscheiden sich in deren Kühlmittelkreislauf 2, jedoch nicht in deren Kältemittelkreislauf 1.
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Der Kältemittelkreislauf 1 besteht aus einem für Elektrofahrzeuge typischerweise elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter 1.1, einem Kondensator 1.2 als Kühler für einen AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1, einem Wärmetauscher 1.3 für eine Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreislaufs 1, einem Verdampfer 1.4 mit vorgeschaltetem Expansionsorgan 1.5 für einen AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 und einem weiteren Expansionsorgan 1.6, das dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 kältemittelseitig vorgeschaltet ist.
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Der Verdampfer 1.4 ist zusammen mit einem Heizungswärmeübertrager 1.30 und einem elektrischen Heizelement 1.7 in einem Klimagerät 1.0 angeordnet. Der Heizungswärmeübertrager 1.30 ist mit dem als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 1.3 kühlmittelseitig fluidverbunden. Das elektrische Heizelement 1.7 kann als HV-Heizer luftseitig zur direkten Erwärmung des Luftstroms L1 in dem Klimagerät 1.0 angeordnet werden oder kühlmittelseitig stromaufwärts vor dem Heizungswärmeübertrager 1.30 in dem Kühlmittelkreislauf installiert werden. Der erwärmte Luftstrom L1 wird als Zuluftstrom L2 in den Fahrgastraum des Fahrzeugs geführt.
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Die aufgeführten Komponenten des Kältemittelkreislaufs 1 werden mit Ventilen derart verbunden, dass verschiedene Betriebsarten, wie ein AC-Betrieb, ein Reheatbetrieb oder ein Heizbetrieb realisierbar sind. Diese für die Einstellung der verschiedenen Betriebsarten erforderlichen Ventile sind der Einfachheit wegen in den 1 und 2 nicht dargestellt.
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Im AC-Betrieb wird das von dem Kältemittelverdichter 1.1 verdichtete Kältemittel im Kondensator 1.2 zur Abgabe von Wärme an die Fahrzeugumgebung abgekühlt und nachfolgend über das Expansionsorgan 1.5 in den Verdampfer 1.4 entspannt, um einen dem Fahrgastraum des Fahrzeugs zuzuführenden Luftstrom L1 abzukühlen, der als Zuluftstrom L2 in den Fahrgastraum strömt. Der dem Klimagerät 1.0 zugeführte Luftstrom L1 setzt sich entweder aus Frischluft, Umluft aus dem Fahrgastraum oder aus einer Mischung von Frisch- und Umluft zusammen.
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Der Kühlmittelkreislauf 2 gemäß den 1 und 2 umfasst neben einem ersten und zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 mehrere wärmeerzeugende, elektrische Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12, wie bspw. eine Hochvoitbatterie, eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs sowie Leistungselektroniken usw. Mittels einer Pumpe 2.3 wird das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 2 umgewälzt.
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Zur Kühlung dieser wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 wird deren Abwärme mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 3 auf den Kältemittelkreislauf 1 übertragen, indem das Kältemittel mittels des Expansionsorgans 1.6 in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 kältemittelseitig entspannt wird. Das Kältemittel wird anschließend verdichtet und in dem Kondensator 1.2 kondensiert und gibt dabei die aufgenommene Wärme an die Fahrzeugumgebung ab. In der Regel ist in dem Kühlmittelkreislauf 2 noch ein Wasserkühler installiert, mit welchem die von den Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 erzeugten. Abwärmen an die Fahrzeugumgebung abgeführt werden.
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Auch kann dieser Kühlmittelkreislauf 2 als Wärmequelle für die Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreislaufs 1 eingesetzt werden. Hierzu wird die von dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 auf das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 1 übertragene Wärme nach Verdichtung mittels des Kältemittelverdichters 1.1 nicht über den Kondensator 1.2 an die Fahrzeugumgebung abgeführt, sondern dem Wärmeübertrager 1.3 zugeführt. Dieser Wärmeübertrager 1.3 ist als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgeführt, um die aus dem Kühlmittelkreislauf 2 aufgenommene Wärme indirekt auf den Luftstrom L1 mittels des Heizungswärmeübertragers 1.30 zu übertragen.
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Anstelle der Ausführung als indirekter Kondensator des Wärmeübertragers 1.3 kann derselbe auch als direkter Kondensator ausgeführt werden, indem dieser in dem Klimagerät 1.0 angeordnet ist und dadurch direkt mit dem Luftstrom L1 beaufschlagt wird. Schließlich ist es auch möglich, für die Wärmepumpenfunktion sowohl einen indirekten als auch einen direkten Kondensator in dem Klimagerät 1.0 anzuordnen.
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Wenn im Heizbetrieb die aus dem Kühlmittelkreislauf 2 auf den Kältemittelkreislauf 1 übertragene Wärme zur Beheizung des Fahrgastraums des Fahrzeugs mittels der Wärmepumpenfunktion nicht ausreichend ist, wird das elektrische Heizelement 1.7 betrieben. So wird im Reheatbetrieb der dem Klimagerät 1.0 zugeführte Luftstrom L1 an dem Verdampfer 1.4 entfeuchtet, mit dem Heizungswärmeübertrager 1.30 erwärmt, anschließend mittels des Heizelementes 1.7 weiter erwärmt und als Zuluftstrom L2 in den Fahrgastraum des Fahrzeugs geführt.
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Wenn der zugeführte Luftstrom L1 nicht entfeuchtet und nur erwärmt wird, entfällt die Verdampferfunktion und der Verdampfer 1.4 wird kältemittelseitig abgesperrt. Dann wird der zugeführte Luftstrom L1 über die Wärmepumpe und/oder das elektrische Heizelement 1.7 erwärmt
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Um die zur Erwärmung des Zuluftstroms eingesetzte elektrische Energie, die Energie für den elektrischen Antrieb des Kältemittelverdichters sowie die Energie für das elektrische Heizelement zurückzugewinnen, sind die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 des Kühlmittelkreislaufs 2 vorgesehen, die in diesem Fall als Wärmerückgewinnungseinheiten eingesetzt werden. Durch diesen Einsatz kann die notwendige Leistungsaufnahme der elektrischen Heizkomponenten, nämlich des elektrischen Heizelementes 1.7 und des elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichters 1.1 verringert werden.
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Gemäß 1 sind die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 seriell fluidverbunden und bestehen aus einem ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und einem zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22. Der erste Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 ist dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 kühlmittelseitig stromabwärts direkt nachgeschaltet. Der zweite Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22 ist dem ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 stromabwärts direkt nachgeschaltet, dem stromabwärts die wärmeerzeugende Komponente 2.10 folgt.
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Gemäß 2 sind die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 parallel, fluidverbunden und bestehen aus einem ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und einem zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22. Sowohl der erste Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 als auch der zweite Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22 sind dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 kühlmittelseitig stromabwärts direkt nachgeschaltet. Stromabwärts der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 folgt direkt die wärmeerzeugende Komponente 2.10.
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Der Fahrgastraum des Fahrzeugs weist zwei Entlüftungsöffnungen 4.1 und 4.2 auf, wobei vor einer ersten Entlüftungsöffnung 4.1 der erste Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und vor einer zweiten Entlüftungsöffnung 4.2 der zweite Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22 angeordnet ist. Dies gilt sowohl für die serielle Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 als auch für deren parallelen Verschaltung.
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Wie aus dem Blockschaltbild gemäß 3 ersichtlich ist, wird im Heizbetrieb, bspw. im Winter, der dem Klimagerät 1.0 zugeführte Luftstrom L1, der bspw. zu 100 % aus Frischluft besteht, mittels der von dem Kältemittelkreislauf 1 realisierten Wärmepumpe WP elektrisch aufgeheizt. Wie oben bereits ausgeführt, wird eine solche Wärmepumpe bspw. als Wasser-Wasserpumpe oder als Wasser-Luftwärmepumpe realisiert.
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Dieser derart erwärmte und in den Fahrgastraum des Elektrofahrzeugs strömende Zuluftstrom L2 wird als Teilluftstrom L21 dem als Wärmerückgewinnungseinheit ausgeführten ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und als Teilluftstrom L22 dem ebenso als Wärmerückgewinnungseinheit ausgeführten zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22 zugeführt. Der über den ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 geführte Teilluftstrom L21 wird über eine erste Entlüftungsöffnung 4.1 einer im Heck des Fahrzeugs angeordneten Heckentlüftung in die Fahrzeugumgebung abgeführt. Der über den zweiten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22 geführte Teilluftstrom L22 wird über eine zweite Entlüftungsöffnung 4.2 einer im Heck des Fahrzeugs angeordneten Heckentlüftung ebenso in die Fahrzeugumgebung abgeführt.
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Hierbei werden die Teilluftströme L21 und L22 des Zuluftstroms L2 abgekühlt und die dabei aufgenommene Wärme Q1 auf den Kühlmittelkreislauf 2 übertragen. Damit wird der für die Wärmepumpenfunktion als Wärmequelle dienende Kühlmittelkreislauf 2 auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 wird die dem Zuluftstrom L2 entnommene Wärme Q1 als Wärme Q2 der Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreislaufs 1 wieder zur Innenraumklimatisierung zur Verfügung gestellt.
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Damit wird die Wärme des zuvor elektrisch erwärmten Zuluftstroms L2 nicht mehr ungenutzt in die Fahrzeugumgebung gefördert, sondern wird mittels der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 auf den Kühlmittelkreislauf 2 übertragen, um über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 der Wärmepumpenfunktion des Kältemittelkreislaufs 1 zur Verfügung zu stehen. Infolgedessen steht für diese Wärmepumpenfunktion eine höhere Quellentemperatur des Kühlmittelkreislaufs 2 zur Verfügung, wodurch die Effizienz (COP) gesteigert wird und dies zu einer höheren Reichweite des Elektrofahrzeugs führt.
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Je nach Fahrzeugzustand (d. h. Art und Dauer der Durchkonditionierung der wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 und des Fahrgastraums) sowie der Außentemperatur des Fahrzeugs ist es möglich, dass eine oder mehrere der stromabwärts nach der seriellen oder parallelen Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 angeordnete(n) wärmeerzeugende(n) Komponente(n) 2.10, 2.11 oder/und 2.12 eine niedrigere Temperatur aufweist bzw. aufweisen als die Austrittstemperatur des Kühlmittels aus dieser seriellen oder parallelen Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22.
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Um zu verhindern, dass das durch die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22, aufgewärmte Kühlmittel durch eine der nachgeordneten wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 wieder abgekühlt wird und somit der Wärmeeintrag durch die Luft zur Wärmerückgewinnung wieder zunichte gemacht werden würde, sind mehrere Möglichkeiten vorgesehen.
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Eine erste Möglichkeit besteht darin, diejenige wärmeerzeugende Komponente bzw. diejenigen wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 mittels einer Bypass-Leitung 2.100, 2.110 und 2.120 zu umgehen, die eine niedrigere Temperatur als das Kühlmittel aus den beiden Luft-KühlmittelWärmeübertragern 2.21 und 2.22 aufweist bzw. aufweisen, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist.
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Alternativ hierzu besteht als zweite Möglichkeit die serielle oder parallele Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 an einer anderen Position in dem Kühlmittelkreislauf 2 anzuordnen, nämlich stromabwärts jener wärmeerzeugenden Komponente 2.10, 2.11 oder 2.12, die eine niedrigere Temperatur aufweist als das die serielle oder parallele Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 verlassende Kühlmittel.
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So zeigt 4 eine zur 1 alternative Anordnung der seriellen Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22. Dort ist der erste Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 stromabwärts der wärmeerzeugenden Komponente 2.12 direkt nachgeschaltet und der zweite Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.22 stromabwärts dem ersten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 stromabwärts nachgeschaltet, d. h. dem Wärmeübertrager 1.3 stromaufwärts direkt vorgeschaltet. Stromabwärts ist dem Wärmeübertrager 1.3 zunächst die wärmeerzeugende Komponente 2.10, derselben stromabwärts die wärmeerzeugende Komponente 2.11 und dieser wiederum die wärmeerzeugende Komponente 2.12 stromabwärts nachgeschaltet.
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Die 5 zeigt eine zu 2 alternative Anordnung der parallelen Verschaltung der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22. Dort sind die beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 jeweils stromabwärts der wärmeerzeugenden Komponente 2.12 angeordnet, d. h. dem Wärmeübertrager 1.3 stromaufwärts jeweils direkt vorgeschaltet. Stromabwärts ist dem Wärmeübertrager 1.3 zunächst die wärmeerzeugende Komponente 2.10, derselben stromabwärts die wärmeerzeugende Komponente 2.11 und dieser wiederum die wärmeerzeugende Komponente 2.12 stromabwärts nachgeschaltet.
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In diesen in den 4 und 5 dargestellten Positionen der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 ist es nicht mehr möglich, dass das diese Wärmeübertrager verlassende Kühlmittel von einer der wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 oder 2.12 abgekühlt wird.
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Im AC-Betrieb, also zum Kühlen des Fahrgastraums, bspw. im Sommer, wird ebenso zumindest ein Teil der Zuluft (Teilumluftbetrieb) als erster Teilluftstrom L21 und zweiter Teilluftstrom L22 eines Zuluftstroms Zuluftstroms L2 über die Entlüftungsöffnungen 4.1 und 4.2 an die Fahrzeugumgebung abgegeben. Auch in diesem Fall werden die Teilluftströme L21 und L22 des Zuluftstroms L2 über die als Wärmerückgewinnungseinheiten ausgeführten Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 geführt und dabei erwärmt, bevor diese als Abluftströme L31, und L32 über die Entlüftungsöffnungen 4.1 und 4.2 in die Fahrzeugumgebung abgeführt werden. Dies bedeutet, dass Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 2 mittels der beiden Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager 2.21 und 2.22 auf die Teilluftströme L21 und L22 des Komponenten, L2 übertragen wird. Damit wird das Kühlmittel, bspw. Kühlwasser, abgekühlt und steht infolgedessen den wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12, also den elektrischen Komponenten, für die Bauteilkühlung zur Verfügung. Dies bedeutet eine passive Kühlung dieser wärmeerzeugenden Komponenten \ 2.10, 2.11 und 2.12 ohne eine aktive Kühlung mittels des Kältemittelkreislaufs 1. Falls diese passive Kühlung für die wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 nicht ausreichend ist, wird zusätzlich in dem Kühlmittelkreislauf 2 ein Wasserkühler eingesetzt, mit welchem die Abwärmen dieser wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 an die Fahrzeugumgebung abgegeben werden.
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Damit kann das aktive Kühlen der wärmeerzeugenden Komponenten 2.10, 2.11 und 2.12 mittels des Kältemittelkreislaufs 1 in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs 2 hinausgezögert werden. Dies führt zu einer reduzierten elektrischen Leistungsaufnahme der Kälteanlage 10, da für die Kühlung der wärmeabgebenden Komponenten 2.10, 2.11, 2.12 keine elektrische Leistung aus dem Kältemittelkreislauf 1 erforderlich ist. Dies hat eine höhere Reichweite des Elektrofahrzeugs zur Folge.
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Die Nutzung der Teilluftströme L21 und L22 des Zuluftstroms L2 als Wärmequelle oder als Wärmesenke erfolgt nicht nur in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 2, sondern hängt auch von weiteren Randbedingungen ab, die mittels weiterer Parameter, wie Außentemperatur, Feuchte, Solleinstellung am Klimabedienteil usw. erfasst werden. Diese Kühlmitteltemperatur kann mittels eines Temperatursensors. erfasst und einem Klimasteuergerät zugeführt werden, welches die Klimaanlage 10 entsprechend steuert.
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Zusammenfassend ist daher festzustellen, dass durch die Energierückgewinnung aus den Teilluftströmen L21 und L22 des Teilluftstromes L2 der Energieverbrauch durch die Innenraumklimatisierung gesenkt wird und gleichzeitig der Klimakomfort aufrechterhalten und die Effizienz der Kälteanlage 10 als Gesamtsystem erhöht werden. Diese Effizienzsteigerung ist vor allem bei kalten Umgebungsbedingungen wirksam und führt zu einer Erhöhung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelkreislauf
- 1.0
- Klimagerät
- 1.1
- Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs 1
- 1.2
- Kondensator des Kältemittelkreislaufs 1 für den AC-Betrieb
- 1.3
- Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs 1 für die Wärmepumpenfunktion
- 1.30
- Heizungswärmeübertrager
- 1.4
- Verdampfer des Kältemittelkreislaufs 1
- 1.5
- Expansionsorgan
- 1.6
- Expansionsorgan
- 1.7
- elektrisches Heizelement
- 2
- Kühlmittelkreislauf
- 2.10
- wärmeerzeugende Komponente eines Fahrzeugs
- 2.100
- Bypass-Leitung
- 2.11
- wärmeerzeugende Komponente eines Fahrzeugs
- 2.110
- Bypass-Leitung
- 2.12
- wärmeerzeugende Komponente eines Fahrzeugs
- 2.120
- Bypass-Leitung
- 2.21
- erster Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs 2
- 2.22
- zweiter Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs 2
- 2.3
- Pumpe des Kühlmittelkreislaufs 2
- 3
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 4.1
- erste Entlüftungsöffnung eines Fahrzeuginnenraums
- 4.2
- zweite Entlüftungsöffnung eines Fahrzeuginnenraums
- L1
- Luftstrom
- L2
- Zuluftstrom
- L21
- erster Teilluftstrom des Zuluftstroms L2
- L22
- zweiter Teilluftstrom des Zuluftstroms L2
- L31
- erster Abluftstrom
- L32
- zweiter Abluftstrom
- WP
- Wärmepumpe
