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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zur Temperierung eines Elektroaggregats und eines Fahrzeuginnenraums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen T emperiervorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, dass in einem Kältekreislauf eines Fahrzeugs, beispielsweise einem batteriebetriebenen Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, mit einem Elektroaggregat, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, das Elektroaggregat bei einem hohem Kühlbedarf über den Kältekreislauf in einem parallel zu einem Innenraumverdampfer geschalteten Elektroaggregatverdampfer temperiert wird. Ein Verdampfungsdruck und daraus folgend eine Verdampfungstemperatur im Elektroaggregatverdampfer kann aufgrund der höheren Temperaturen des Elektroaggregats höher liegen als im Innenraumverdampfer. Die beiden Verdampfungsdrücke sind jedoch systemisch miteinander gekoppelt und somit von der niedrigen Verdampfungstemperatur im Innenraumverdampfer bestimmt. Ein Verdichtersaugdruck, welcher ein Fördervolumen eines Verdichters beeinflusst, ist damit ebenfalls durch diese Verdampfungstemperatur fixiert. Das heißt, der Innenraumverdampfer und der Elektroaggregatverdampfer werden mit dem gleichen Verdampfungsdruckniveau betrieben.
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Aus der
DE 10 2014 206 770 A1 ist eine Batteriekühleinrichtung für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb bekannt. Die Batteriekühleinrichtung weist einen Kältekreis, der mehrere parallel von einem Kältemittel durchströmbare Kältemittelpfade oder eine Kältemittelpfadgruppe umfasst, die mehrere parallel von einem Kältemittel durchströmbare Kältemittelpfade umfasst, auf. In den Kältemittelpfaden ist jeweils ein Kühlelement oder ein Kühlelementabschnitt angeordnet, wobei das Kühlelement oder der Kühlelementabschnitt vom Kältemittel durchströmbar in den jeweiligen Kältemittelpfad eingebunden und im Einbauzustand mit einer zu kühlenden Batterie wärmeübertragend gekoppelt ist, so dass in der Batterie anfallende Wärme von dem Kühlelement aufgenommen und im jeweiligen Kältemittelpfad abgeführt wird. Zum Steuern des jeweiligen Kältemittelpfads oder der Kältemittelpfadgruppe sind hinsichtlich einer Durchströmung mit Kältemittel Ventileinrichtungen vorgesehen, wobei die jeweilige Ventileinrichtung stromab eines Abzweigbereichs, in dem die Kältemittelpfade oder die Kältemittelpfadgruppe von einer Kältemittelhauptleitung des Kältekreises abzweigen bzw. abzweigt, und stromauf eines Vereinigungsbereichs im jeweiligen Kältemittelpfad angeordnet ist, in dem die Kältemittelpfade oder die Kältemittelpfadgruppe an die Kältemittelhauptleitung angeschlossen sind. Der Kältekreis enthält in seiner Kältemittelhauptleitung einen Kompressor zum Komprimieren eines gasförmigen Kältemittels, das im geschlossenen Kältekreis zirkuliert. Stromab des Kompressors ist ein Kondensator vorgesehen, der an einen Kühlkreis angeschlossen ist und der dem dampfförmigen, komprimierten Kältemittel Wärme entzieht, so dass es kondensiert. Stromab des Kondensators ist eine Expansionseinrichtung angeordnet, die zu einer Kühlelementanordnung zählt und bei der es sich um ein Expansionsventil handelt. Im Kältekreis sind parallel zur Kühlelementanordnung ein Frontverdampfer und ein Heckverdampfer zugeordnet. Der Frontverdampfer ist einer Frontklimatisierungseinrichtung des jeweiligen Fahrzeugs zugeordnet, während der Heckverdampfer einer Heckklimatisierungseinrichtung des jeweiligen Fahrzeugs zugeordnet ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2008 035 216 A1 eine Kühlanordnung zum Kühlen eines temperaturempfindlichen Elektroaggregats eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Kühlanordnung umfasst einen Kondensator zum Verflüssigen eines Kältemittels in einem Kältekreislauf und einen stromabwärts des Kondensators angeordneten Verdampfer, welcher mit dem Kältemittel beaufschlagbar und welchem Wärme des Elektroaggregats zuführbar ist. Zusätzlich weist die Kühlanordnung eine Pumpeinrichtung auf, mittels welcher der Verdampfer mit einem verflüssigten Teilvolumen des Kältemittels beaufschlagbar ist.
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Die
DE 10 2017 212 479 A1 beschreibt eine Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen ersten Kältekreis zur Innenraumklimatisierung des Fahrzeugs mit einem Kältemittelverdichter, einem Kondensator oder Gaskühler und einem Klima-Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan. Mittels eines in einem Verdampferzweig angeordneten Abschaltventils ist der Klima-Verdampfer abschaltbar. Der Kältemittelkreislauf umfasst ferner einen zweiten Kältekreis mit einem zur Kopplung mit einer Hochvoltbatterie vorgesehenen Wärmeübertrager mit zugeordnetem Expansionsorgan und einen dem Kondensator oder Gaskühler stromaufwärts nachgeschalteten Kältemittelleitungsabschnitt zum Verbinden des ersten Kältekreises mit dem zweiten Kältekreis mit einer Verzweigungseinrichtung, welche ausgebildet ist, einen ersten Teilmassenstrom vom Kältemittel für den zweiten Kältekreis mit einem dem Kältemittelleitungsabschnitt folgenden Strömungsverlauf abzuzweigen. In einem Kombinationsbetrieb ist der erste Kältekreis über ein weiteres Abschaltventil mit dem zweiten Kältekreis verbunden, um die Hochvoltbatterie zu kühlen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperiervorrichtung zur Temperierung eines Elektroaggregats und eines Fahrzeuginnenraums sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Temperiervorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Temperiervorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 4 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Temperiervorrichtung zur Temperierung eines Elektroaggregats und eines Fahrzeuginnenraums mit einem Kältekreislauf umfasst einen Umgebungswärmeübertrager, einen mit dem Umgebungswärmeübertrager gekoppelten Innenraumkreislauf mit einem ausgangsseitig mit dem Umgebungswärmeübertrager gekoppelten ersten Expansionsventil, einem ausgangsseitig mit dem ersten Expansionsventil gekoppelten Innenraumverdampfer und einem ausgangsseitig mit dem Innenraumverdampfer sowie eingangsseitig mit dem Umgebungswärmeübertrager gekoppelten Kältemittelverdichter und einen mit dem Umgebungswärmeübertrager gekoppelten und parallel mit dem Innenraumkreislauf verschalteten oder verschaltbaren Elektroaggregatkreislauf mit einem ausgangsseitig mit dem Umgebungswärmeübertrager gekoppelten zweiten Expansionsventil und einem ausgangseitig mit diesem und eingangsseitig mit dem Kältemittelverdichter gekoppelten Elektroaggregatverdampfer.
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Erfindungsgemäß ist ausgangsseitig nach dem Umgebungswärmeübertrager und vor den Expansionsventilen und vor einem das zweite Expansionsventil umgehenden ersten Bypass mit einer Pumpe ein erstes Schaltelement angeordnet. Weiterhin ist ausgangsseitig nach dem Kältemittelverdichter und nach einem mit dem Elektroaggregatverdampfer und den Kältemittelverdichter umgehenden zweiten Bypass mit einem Rückschlagventil ein zweites Schaltelement angeordnet. In einem ersten Schaltzustand verschaltet das erste Schaltelement beide Expansionsventile in einem aktivierten Zustand fluidisch mit dem Umgebungswärmeübertrager und sperrt den ersten Bypass. In diesem ersten Schaltzustand verschaltet das zweite Schaltelement den Kältemittelverdichter in einem aktivierten Zustand fluidisch mit dem Umgebungswärmeübertrager und sperrt den zweiten Bypass. In einem zweiten Schaltzustand ist das zweite Expansionsventil inaktiv und das erste Schaltelement verschaltet das erste Expansionsventil in einem aktivierten Zustand fluidisch mit dem Umgebungswärmeübertrager und gibt den ersten Bypass mit der Pumpe in einem aktivierten Zustand frei. In diesem zweitem Schaltzustand verschaltet das zweite Schaltelement den Kältemittelverdichter in einem aktivierten Zustand fluidisch mit dem Umgebungswärmeübertrager und gibt den zweiten Bypass frei.
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Das Elektroaggregat, beispielsweise eine Hochvoltbatterie des Fahrzeugs, und der Fahrzeuginnenraum weisen unterschiedliche Anforderungen an eine Kühltemperatur auf. Im ersten Schaltzustand arbeiten der Elektroaggregatverdampfer und der Innenraumverdampfer auf dem gleichen Verdampfungsdruckniveau, wobei das Elektroaggregat bei hohem Kühlbedarf über den Kältekreislauf in dem parallel zum Innenraumverdampfer geschalteten Elektroaggregatverdampfer gekühlt wird.
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Der Betrieb des Kältekreislaufs im zweiten Schaltzustand ermöglicht, die beiden Verdampfungsdrücke systemisch voneinander zu entkoppeln und somit zu vermeiden, dass beide Verdampfungsdrücke von der niedrigen Verdampfungstemperatur im Innenraumverdampfer bestimmt werden. Der Verdampfungsdruck und damit die Verdampfungstemperatur im Elektroaggregatverdampfer können aufgrund der höheren Temperaturen des Elektroaggregats höher sein als im Innenraumverdampfer.
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Die Aktivierung des zweiten Schaltzustands erfolgt insbesondere dann, wenn eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen einem in dem Kältekreislauf geführten Kältemittel und dem Elektroaggregat unterschritten ist. Das heißt, der Kältekreislauf mit dem Innenraumkreislauf und dem Elektroaggregatkreislauf ist so umschaltbar, dass ein gleichzeitiger Betrieb des Kältemittelverdichters und der Pumpe möglich ist. Bei zu hohen Kondensationstemperaturen kann dabei auf einen reinen Verdichterbetrieb mit dem Kältemittelverdichter umgestellt werden.
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Unter Verwendung der Schaltelemente wird somit im zweiten Schaltzustand eine Förderung eines Kältemittelteilmassenstroms durch den Elektroaggregatverdampfer zur Kühlung des Elektroaggregats ermöglicht. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt damit auf demselben Druckniveau wie dem des Umgebungswärmeübertragers. Bei moderaten Umgebungstemperaturen ist dabei eine Kühlung des Elektroaggregats besonders energieeffizient möglich. Gleichzeitig ist ein Betrieb des Kältemittelverdichters möglich, um den Fahrzeuginnenraum zu klimatisieren. Das Kältemittel wird hierbei vom Kältemittelverdichter nur über den Innenraumverdampfer gefördert.
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Bei zu hohen Außentemperaturen steigen das Druckniveau und damit die Temperatur im Umgebungswärmeübertrager an. Ist eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und Elektroaggregat nicht mehr gegeben, ermöglicht die Temperiervorrichtung durch Umschaltung auf den ersten Schaltzustand, dass der Kältemittelteilmassenstrom nicht mehr von der Pumpe gefördert wird, sondern über das zweite Expansionsventil entspannt und vom Kältemittelverdichter gefördert wird.
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Somit ermöglicht die Temperiervorrichtung insbesondere bei moderaten Umgebungstemperaturen eine hocheffiziente Kühlung des Elektroaggregats. Ein geförderter Kältemittelmassenstrom und somit eine mögliche Kälteleistung können gesteigert werden. Eine gleichzeitige Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums über den Kältemittelverdichter ist möglich. Bei Bedarf kann der Betrieb komplett auf den Kältemittelverdichter umgeschaltet werden. Zusätzlich ergeben sich Verbrauchsvorteile im Fahrbetrieb, da deutlich weniger Energie für die Kühlung des Elektroaggregats benötigt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Temperiervorrichtung zur Temperierung eines Elektroaggregats und eines Fahrzeuginnenraums in einem ersten Schaltzustand und
- 2 schematisch ein Blockschaltbild der Temperiervorrichtung gemäß 1 in einem zweiten Schaltzustand.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Blockschaltbild einer Temperiervorrichtung 1 zur Temperierung eines Elektroaggregats 2 und eines Fahrzeuginnenraums 3 eines Fahrzeugs in einem ersten Schaltzustand dargestellt.
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Das Fahrzeug ist beispielsweise ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, wobei das Elektroaggregat 2 beispielsweise eine Hochvoltbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, ist.
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Die Temperiervorrichtung 1 umfasst einen Kältekreislauf 4, in welchem ein Kältemittel geführt ist. Der Kältekreislauf 4 umfasst einen insbesondere als Kondensator ausgebildeten Umgebungswärmeübertrager 5.
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Weiterhin umfasst der Kältekreislauf 4 einen mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 gekoppelten Innenraumkreislauf 6 mit einem ausgangsseitig mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 gekoppelten ersten Expansionsventil 7, einem ausgangsseitig mit dem ersten Expansionsventil 7 gekoppelten Innenraumverdampfer 8 und einem ausgangsseitig mit dem Innenraumverdampfer 8 sowie eingangsseitig mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 gekoppelten elektrischen Kältemittelverdichter 9.
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Weiterhin umfasst der Kältekreislauf 4 einen mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 gekoppelten und parallel mit dem Innenraumkreislauf 6 verschalteten oder verschaltbaren Elektroaggregatkreislauf 10 mit einem ausgangsseitig mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 gekoppelten zweiten Expansionsventil 11 und einem ausgangsseitig mit diesem und eingangsseitig mit dem Kältemittelverdichter 9 gekoppelten Elektroaggregatverdampfer 12.
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Ferner ist ausgangsseitig nach dem Umgebungswärmeübertrager 5 und vor den Expansionsventilen 7, 11 ein das zweite Expansionsventil 11 umgehender erster Bypass 13 vorgesehen, welcher mit einem Ausgang des Umgebungswärmeübertragers 5 und mit einem Eingang des Elektroaggregatverdampfers 12 gekoppelt ist. In dem ersten Bypass 13 ist eine Pumpe 14 verschaltet.
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Zur Verschaltung der Expansionsventile 7, 11 und des ersten Bypasses 13 mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 ist ein erstes Schaltelement 15 vorgesehen, welches beispielsweise als Schaltventil ausgebildet ist.
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Zusätzlich ist ausgangsseitig nach dem Elektroaggregatverdampfer 12 und eingangsseitig vor dem Umgebungswärmeübertrager 5 ein den Kältemittelverdichter 9 umgehender zweiter Bypass 16 mit einem Rückschlagventil 17 ausgebildet.
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Zur Verschaltung des Kältemittelverdichters 9 und des zweiten Bypasses 16 mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 ist ein zweites Schaltelement 18 vorgesehen, welches ebenfalls beispielsweise als Schaltventil ausgebildet ist.
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In dem dargestellten ersten Schaltzustand des Kältekreislaufs 4 sind beide Expansionsventile 7, 11 aktiviert sowie der erste Bypass 13 und der zweite Bypass 16 mittels der Schaltelemente 15, 18 gesperrt, dargestellt durch die unterbrochene Liniendarstellung.
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Bei zu hohen Außentemperaturen steigt ein Druckniveau p1 und damit eine Temperatur im Umgebungswärmeübertrager 5 an. Ist dann eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und dem Elektroaggregat 2 nicht mehr gegeben, wird der dargestellte erste Schaltzustand aktiviert. Hierbei wird ein zur Kühlung des Elektroaggregats 2 vorgesehener Kältemittelteilmassenstrom über das zweite Expansionsventil 11 entspannt und vom Kältemittelverdichter 9 gefördert. Auch ein zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums 3, beispielsweise einer Fahrzeugkabine, vorgesehener Kältemittelteilmassenstrom wird über das erste Expansionsventil 7 entspannt und vom Kältemittelverdichter 9 gefördert. Hierbei erfolgt der Betrieb im Innenraumkreislauf 6 und im Elektroaggregatkreislauf 10 im gleichen Druckniveau p2, welches geringer als das Druckniveau p1 des Umgebungswärmeübertragers 5 ist.
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2 zeigt ein Blockschaltbild der Temperiervorrichtung 1 gemäß 1 in einem zweiten Schaltzustand, in welchem das zweite Expansionsventil 11 inaktiv ist.
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Das erste Schaltelement 15 ist derart geschaltet, dass dieses das aktivierte erste Expansionsventil 7 fluidisch mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 verschaltet. Weiterhin ist das erste Schaltelement 15 derart geschaltet, dass der erste Bypass 13 freigegeben ist.
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Das zweite Schaltelement 18 ist derart geschaltet, dass dieses den aktivierten Kältemittelverdichter 9 mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 fluidisch verschaltet und den zweiten Bypass 16 freigibt.
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Weiterhin ist die Pumpe 14 aktiviert, so dass ein zur Kühlung des Elektroaggregats 2 vorgesehener Kältemittelteilmassenstrom mittels der Pumpe 14 durch den Elektroaggregatverdampfer 12 gefördert wird. Eine Verdampfung des Kältemittels erfolgt damit auf dem gleichen Druckniveau p1 wie dem des Umgebungswärmeübertragers 5. Gleichzeitig erfolgt mittels des Kältemittelverdichters 9 und des Innenraumkreislaufs 6 eine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums 3, wobei ein zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums 3 vorgesehener Kältemittelteilmassenstrom nur über den Innenraumverdampfer 8 gefördert wird.
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Der zweite Schaltzustand wird insbesondere bei moderaten Umgebungstemperaturen aktiviert, wenn eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und dem Elektroaggregat 2 gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperiervorrichtung
- 2
- Elektroaggregat
- 3
- Fahrzeuginnenraum
- 4
- Kältekreislauf
- 5
- Umgebungswärmeübertrager
- 6
- Innenraumkreislauf
- 7
- Expansionsventil
- 8
- Innenraumverdampfer
- 9
- Kältemittelverdichter
- 10
- Elektroaggregatkreislauf
- 11
- Expansionsventil
- 12
- Elektroaggregatverdampfer
- 13
- Bypass
- 14
- Pumpe
- 15
- Schaltelement
- 16
- Bypass
- 17
- Rückschlagventil
- 18
- Schaltelement
- p1
- Druckniveau
- p2
- Druckniveau
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206770 A1 [0004]
- DE 102008035216 A1 [0005]
- DE 102017212479 A1 [0006]
