DE102019107196A1

DE102019107196A1 - Wärmesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, Elektro- oder Hybridfahrzeug, Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems

Info

Publication number: DE102019107196A1
Application number: DE102019107196.8A
Authority: DE
Inventors: Felix Artmeier; Simon Eglseer; Alexander Lichtenberger; Christian ALLGAEUER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-09-24

Abstract

Es wird ein Wärmesystem (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug angegeben, mit einem Kühlkreis (6) und mit einem Kältekreis (8), wobei an den Kühlkreis (6) ein Hochvoltspeicher (12) angeschlossen ist, wobei an den Kühlkreis (6) ein Umgebungskühler (14) angeschlossen ist, zur Abfuhr von Wärme des Hochvoltspeichers (12) an die Umgebung (U), wobei stromauf des Hochvoltspeichers (12) an den Kühlkreis (6) ein Chiller (16) angeschlossen ist, zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers (12) in den Kältekreis (8), wobei an den Kältekreis (8) ein luftgekühlter Umgebungskondensator (22) angeschlossen ist, zur Abfuhr von Wärme aus dem Kältekreis (8) an die Umgebung (U). Weiter werden ein entsprechendes Elektro- oder Hybridfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems (2) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, ein solches Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems.
Ein Elektro- oder Hybridfahrzeug weist einen Antriebsstrang mit einer E-Maschine auf, welche zum Antrieb des Fahrzeugs dient. Die E-Maschine wird durch einen Hochvoltspeicher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Der Hochvoltspeicher wird dabei zweckmäßigerweise innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs gehalten, um eine optimale Nutzung zu gewährleisten. Hierzu ist der Hochvoltspeicher an ein Wärmesystem des Fahrzeugs angeschlossen, mittels welchem der Hochvoltspeicher bedarfsweise gekühlt oder beheizt wird.
Besondere Anforderungen an eine Kühlung des Hochvoltspeichers ergeben sich beim sogenannten Schnellladen, wobei unter Schnellladen insbesondere ein Laden des Hochvoltspeichers von 10% Ladung auf 80% Ladung in höchstens 20 min verstanden wird.
In der unveröffentlichten, deutschen Patentanmeldung 10 2017 220 376 wird ein Fahrzeug beschrieben, dessen Hochvoltspeicher mittels eines Chillers gekühlt wird. Die Abwärme wird vom Chiller in einen Kältekreis übertragen und steht dann für eine Wärmepumpenanwendung z.B. zur Innenraumbeheizung zur Verfügung.
In der DE 10 2015 220 623 A1 wird ebenfalls ein Wärmesystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug beschrieben. Hierbei ist es möglich, Abwärme des Hochvoltspeichers mittels eines Chillers in einen Kältekreis zu übertragen und von dort mittels eines Kondensators in einen Heizkreis, zwecks Innenraumbeheizung.
In der DE 10 2016 213 619 A1 wird ein Klimasystem beschrieben, welches in einer Ausgestaltung einen luftgekoppelten Kältekreis aufweist. Im Kältekreis ist ein Kondensator angeordnet, welcher einen Luftstrom erwärmt, welcher dann in den Innenraum eines Fahrzeugs eingeströmt wird. Über einen Rückführungskanal kann der Kondensator mit einem Verdampfer thermisch kurzgeschlossen werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Kühlung eines Hochvoltspeichers eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu verbessern und speziell in einem Schnellladebetrieb eine möglichst optimale Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Hierzu sollen ein geeignetes Wärmesystem sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmesystems angegeben werden. Weiter soll ein entsprechend verbessertes Elektro- oder Hybridfahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wärmesystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Wärmesystem sinngemäß auch für das Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie für das Verfahren und umgekehrt.
Das Wärmesystem ist ausgebildet zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches nachfolgend auch kurz als Fahrzeug bezeichnet wird. Das Fahrzeug weist zum Antrieb einen Antriebsstrang mit einer E-Maschine auf, welche hierzu von einem Hochvoltspeicher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt wird. Zum Einstellen von und Umschalten zwischen diversen Schaltzuständen und Betriebsmodi des Wärmesystems weist dieses zweckmäßigerweise ein Steuergerät auf, welches auch als Controller bezeichnet wird.
Das Wärmesystem weist einen Kühlkreis auf, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert, und einen Kältekreis, in welchem ein Kältemittel zirkuliert. Die nachfolgend beschriebenen Komponenten, welche an den Kühlkreis, an den Kältekreis oder an beide angeschlossenen sind, werden insbesondere als Teile des Wärmesystems verstanden. Der Hochvoltspeicher ist an den Kühlkreis angeschlossen, also kühlmittelgekühlt. An den Kühlkreis ist weiter ein Umgebungskühler angeschlossen, zur Abfuhr von Wärme des Hochvoltspeichers an die Umgebung. Hierzu wird der Umgebungskühler im Betrieb mit einem Luftstrom aus der Umgebung, also mit Umgebungsluft beaufschlagt. Der Umgebungskühler wird auch als Niedrigtemperaturkühler bezeichnet, kurz NT-Kühler. Stromauf des Hochvoltspeichers ist an den Kühlkreis weiter ein Chiller angeschlossen, zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers in den Kältekreis. Der Chiller wirkt also als Verdampfer. Die Menge an Wärme, welche vom Chiller dem Kühlkreis entnommen wird, ist insbesondere einstellbar mittels eines einstellbaren Expansionsventils im Kältekreis stromauf des Chillers und mittels der Antriebsleistung eines Verdichters des Kältekreises.
An den Kältekreis ist ein luftgekühlter Umgebungskondensator angeschlossen, zur Abfuhr von Wärme aus dem Kältekreis an die Umgebung. Wie schon der Umgebungskühler, wird auch der Umgebungskondensator mit einem Luftstrom aus der Umgebung beaufschlagt, sodass Wärme aus dem Kältekreis direkt und unmittelbar, d.h. ohne Umweg über den Kühlkreis, an die Umgebung abgegeben wird. Der Kältekreis ist somit luftgekoppelt.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, den Kühlkreis und den Kältekreis auf der wärmeabgebenden Seite zu trennen. Dies wird vorliegend durch die Verwendung eines luftgekühlten Kondensators, nämlich des Umgebungskondensators, in Kombination mit einem Umgebungskühler realisiert. Dies steht im Gegensatz zur eingangs genannten DE 10 2015 220 623 A1 , bei welcher die Wärme aus dem Kältekreis gerade nicht direkt an die Umgebung abgegeben wird, sondern lediglich mittelbar über den Kühlkreis an die Umgebung. Auch wird vorliegend die Wärme vom Umgebungskondensator an die Umgebung abgegeben und nicht wie in der eingangs genannten DE 10 2016 213 619 A1 an einen Luftstrom für den Innenraum. Mit anderen Worten: vorliegend wird die Umgebungsluft, welche vom Umgebungskondensator erwärmt wird, insbesondere gerade nicht dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt, sondern als Abluft verworfen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass mit dem Umgebungskühler und dem Umgebungskondensator zwei unterschiedliche Wärmesenken zur Wärmeabgabe an die Umgebung zur Verfügung, nämlich eine für den Kühlkreis und eine für den Kältekreis. Diese beiden Wärmesenken sind auch insofern voneinander getrennt und unabhängig, als dass über beide Wärmesenken jeweils Wärme an die Umgebung abführbar ist, ohne gleichzeitig die jeweils andere Wärmesenke verwenden zu müssen.
Durch Kombination beider Wärmesenken ergibt sich zudem ein deutlich vergrößertes Potential zur Wärmeabgabe, sodass auch hohe Kühlanforderungen bedienbar sind, speziell beim Schnellladen des Fahrzeugs und einer damit einhergehenden Abwärme des Hochvoltspeichers. Entsprechend ist das Wärmesystem vorzugsweise derart ausgebildet, dass zur Wärmeabfuhr in einem Schnellladebetrieb des Fahrzeugs Wärme vom Hochvoltspeicher sowohl über den Umgebungskühler als auch den Umgebungskondensator an die Umgebung abgegeben wird. Im Schnellladebetrieb wird der Hochvoltspeicher insbesondere innerhalb von 20 min von 10% Ladung auf 80% Ladung bezüglich einer Gesamtladung von 100% aufgeladen. Die hierbei verwendete, hohe Ladeleistung von z.B. 200 kW, führt zur Entstehung einer entsprechenden Abwärme des Hochvoltspeichers. Grundsätzlich ist eine Abfuhr von Wärme über entsprechende Kühlflächen möglich, speziell beim Schnellladen entsteht aber derart viel Abwärme, dass die Kühlflächen inakzeptable Ausmaße annehmen würden. Vorliegend wird nun die Abwärme besonders effektiv sowohl mittels des Umgebungskühlers als auch mittels des Chillers und des Umgebungskondensators an die Umgebung abgegeben.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Wärmesystem mittels einem oder mehrerer Stellglieder derart einstellbar, dass im Kühlkreis der Chiller stromab des Umgebungskühlers angeordnet ist und der Hochvoltspeicher stromab des Chillers, zur zweistufigen Kühlung von Kühlmittel, bevor dieses den Hochvoltspeicher erreicht. Die Stellglieder werden insbesondere mittels des Steuergeräts geeignet einstellt, sodass das Wärmesystem zwischen verschiedenen Schaltzuständen umgeschaltet wird. Die Stellglieder sind insbesondere Ventile. Wesentlich ist hierbei, dass im Kühlkreis eine Serienschaltung aus Umgebungskühler, Chiller und Hochvoltspeicher eingestellt ist, sodass das Kühlmittel im Kühlkreis zuerst den Umgebungskühler durchläuft und dort sozusagen vorgekühlt wird, anschließend den Chiller durchläuft, um dort mit Hilfe des Kältekreises weiter abgekühlt zu werden, und schließlich auf besonders niedrigem Temperaturniveau zum Hochvoltspeicher gelangt, um diesen dann entsprechend effektiv zu kühlen. Stromab des Hochvoltspeichers strömt das Kühlmittel dann wieder zum Umgebungskühler, sodass auf diese Weise ein Kreislauf ausgebildet ist. Diese Serienschaltung wird insbesondere im Schnellladebetrieb eingestellt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Umgebungskondensator und der Umgebungskühler jeweils Teile eines Kühlmoduls des Fahrzeugs, in welchem der Umgebungskondensator bezüglich eines Luftstroms aus der Umgebung stromab des Umgebungskühlers angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird vorteilhaft ausgenutzt, dass der Umgebungskondensator typischerweise ein höheres Temperaturniveau aufweist als der Umgebungskühler, sodass an denselben Luftstrom Wärme zweistufig abgegeben wird, indem der wärmere Umgebungskondensator stromab des kühleren Umgebungskühlers angeordnet ist. Dies ist besonders geeignet zur zweistufigen Kühlung des Kühlmittels beim Schnellladen.
Das Kühlmodul ist insbesondere frontseitig im Fahrzeug verbaut und wird somit frontseitig mit Umgebungsluft beaufschlagt. Das Kühlmodul weist zusätzlich zweckmäßigerweise einen Lüfter auf, zur Förderung der Umgebungsluft durch das Kühlmodul. Der Lüfter ist insbesondere stromab des Umgebungskondensators angeordnet. Weiter weist das Kühlmodul zweckmäßigerweise eine oder mehrere Luftklappen auf, welche stromauf des Umgebungskühlers angeordnet sind und zur Steuerung der Zufuhr von Umgebungsluft in das Kühlmodul dienen.
Bevorzugterweise weist der Umgebungskondensator eine Unterkühlstrecke auf und der Umgebungskühler ist derart geringer dimensioniert als der Umgebungskondensator, dass die Umgebungsluft teilweise am Umgebungskühler vorbei und somit direkt zur Unterkühlstrecke des Umgebungskondensators geführt wird. Mit anderen Worten: der Umgebungskühler weist bezüglich des Luftstroms aus der Umgebung einen geringeren Querschnitt auf als der Umgebungskondensator, sodass letzterer luftseitig teilweise freigehalten ist. Dadurch wird entlang der Unterkühlstrecke die Verwendung von vorgewärmter Luft gerade vermieden und entsprechend eine höhere Effizienz erzielt.
Bevorzugterweise ist an den Kältekreis ein weiterer Kondensator angeschlossen, nämlich parallel zum Umgebungskondensator, sodass Wärme, welche vom Chiller in den Kältekreis übertragen wird, wahlweise über den Umgebungskondensator an die Umgebung abführbar ist oder mittels des weiteren Kondensators für andere Aufgaben verwendbar ist, vorzugsweise zur Innenraumbeheizung, d.h. zur Beheizung eines Innenraums des Fahrzeugs. Im Kältekreis insbesondere stromauf der beiden Kondensatoren ist zweckmäßigerweise ein Stellglied angeordnet, mittels welchem der Kältekreis derart umschaltbar ist, dass das Kältemittel zu dem einen oder zu dem anderen Kondensator geführt wird. Bevorzugterweise ist das Stellglied ein Umschaltventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil, welches das Kältemittel immer lediglich einem der Kondensatoren zuführt. Ebenfalls geeignet ist aber auch ein Proportionalventil oder ähnliches, welches das Kältemittel auf beide Kondensatoren gleichzeitigt verteilt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher der weitere Kondensator zusammen mit dem Chiller Teil einer Wärmepumpe des Wärmesystems ist, welche ausgebildet ist, über den Umgebungskühler Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und zur Innenraumbeheizung zu verwenden. Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Trennung von Kühl- und Kältekreis auf der wärmeabgebenden Seite ist besonders vorteilhaft und ermöglicht eine besonders effektive und bedarfsgerechte Temperierung des Innenraums und des Hochvoltspeichers. Hierzu werden nachfolgend zwei Varianten beschrieben, nämlich eine wassergekoppelte Innenraumbeheizung und eine luftgekoppelte Innenraumbeheizung. Beide Varianten sind grundsätzlich auch miteinander kombinierbar.
In jedem Fall weist das Wärmesystem zweckmäßigerweise ein Klimagerät auf, zur Temperierung des Innenraums des Fahrzeugs. Genauer gesagt: zur Kühlung des Innenraums weist das Klimagerät einen Klima-Verdampfer auf, welcher an den Kältekreis angeschlossen ist, insbesondere parallel zum Chiller; zur Beheizung des Innenraums ist insbesondere der oben erwähnte weitere Kondensator ein Teil des Klimageräts und je nach Ausgestaltung dann als wasser- oder luftgekühlter Kondensator ausgebildet. Ein luftgekühlter Kondensator wird in diesem Zusammenhang auch als Heizkondensator bezeichnet. Der Begriff „wassergekühlter Kondensator“ wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit für einen Kondensator verwendet, welcher mittels des typischerweise flüssigen Kühlmittels des Kühlkreises gekühlt wird. Zweckmäßigerweise wird der Luftstrom für den Innenraum zuerst über den Klima-Verdampfer geführt und erst dann erwärmt, sodass auch eine Entfeuchtung möglich ist. In einer geeigneten Weiterbildung weist das Klimagerät zusätzlich noch einen elektrischen Zuheizer auf, zur zusätzlichen Zufuhr von Wärme, falls die Wärme von dem weiteren Kondensator nicht ausreicht oder nicht zur Verfügung steht. Im Falle eines wassergekühlten Kondensators ist der Zuheizer beispielsweise ein Durchlauferhitzer, im Falle eines luftgekühlten Kondensators beispielsweise ein Heizdraht. Der Zuheizer ist zweckmäßigerweise stromab des weiteren Kondensators angeordnet.
In einer geeigneten Ausgestaltung zur wassergekoppelten Innenraumbeheizung ist parallel zum Umgebungskondensator als der weitere Kondensator ein wassergekühlter Kondensator an den Kältekreis angeschlossen. Der wassergekühlte Kondensator ist kühlmittelseitig an einen Heizzweig des Kühlkreises angeschlossen und ist gemeinsam mit dem Chiller Teil einer Wärmepumpe, sodass Wärme aus dem Kältekreis wahlweise über den Umgebungskondensator an die Umgebung abführbar ist oder zur Innenraumbeheizung in den Heizzweig übertragbar ist.
In jedem Fall entnimmt der Chiller die Wärme zur Beheizung des Innenraums aus dem Kühlkreis. Als Wärmequelle wird hierbei je nach Umgebungsbedingungen vorteilhaft in einem Wärmepumpenbetrieb der Umgebungskühler, d.h. die Umgebung, verwendet. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird Abwärme einer Fahrzeugkomponente verwendet, welche insbesondere zur Kühlung an den Kühlkreis angeschlossen ist. Eine solche Fahrzeugkomponente ist insbesondere der Hochvoltspeicher, alternativ oder zusätzlich eine andere Komponente des Antriebsstrangs, z.B. die E-Maschine oder eine Leistungselektronik, oder eine gänzlich andere Fahrzeugkomponente. Geeignet ist auch ein elektrischer Zuheizer, welcher an den Kühlkreis angeschlossen ist und welcher z.B. zur Beheizung des Hochvoltspeichers dient.
Der Heizzweig ist ein Teil des Kühlkreises und in einer Variante als Heizkreis ausgebildet, welcher über einen Vorlauf und einen Rücklauf an den übrigen Kühlkreis angebunden ist. Zur Innenraumbeheizung ist an den Heizzweig stromab des wassergekühlten Kondensators ein Heizungswärmetauscher angeschlossen, sodass dieser Wärme vom Kondensator aufnimmt und an einen Luftstrom für den Innenraum abgibt. Der Heizzweig ist geeigneterweise mittels eines entsprechenden Stellglieds absperrbar gegenüber dem restlichen Kühlkreis. Der Heizzweig und der Umgebungswärmetauscher sind vorzugsweise in Serie zueinander geschaltet, sodass überschüssige Wärme aus dem Heizzweig an die Umgebung abführbar ist und sodass bei geöffnetem Heizzweig allgemein die Wärme aus dem Kältekreis auch über den Kühlkreis an die Umgebung abführbar ist.
In einer geeigneten Ausgestaltung zur luftgekoppelten Innenraumbeheizung ist parallel zum Umgebungskondensator an den Kältekreis ein luftgekühlter Heizkondensator angeschlossen, welcher zusammen mit dem Chiller Teil einer Wärmepumpe ist, zur Innenraumbeheizung mit Umgebungswärme. Der Luftstrom für den Innenraum wird hier direkt mit Wärme aus dem Kältekreis erwärmt und nicht wie im wassergekoppelten Fall mittelbar über den Kühlkreis. Der Heizkondensator übernimmt insbesondere die Position und Funktion des obigen Heizungswärmetauschers im Luftstrom für den Innenraum. Auf einen Heizzweig wird vorzugsweise verzichtet. Für die Wärmepumpe gilt jedoch das bereits Gesagte auch für den Fall der luftgekoppelten Innenraumbeheizung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist stromab sowohl des Umgebungskondensators als auch des Heizkondensators zusätzlich ein wassergekühlter Kondensator als dritter Kondensator an den Kältekreis angeschlossen und zusätzlich auch an den Kühlkreis angeschlossen. Der wassergekühlte Kondensator dient dann zur Abfuhr überschüssiger Wärme aus dem Kältekreis in den Kühlkreis und von dort über den Umgebungskühler an die Umgebung. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn zur Innenraumbeheizung das Kältemittel nicht über den Umgebungskondensator geführt wird, sondern über den Heizkondensator, und dieser aber nicht sämtliche Wärme zur Erwärmung des Luftstroms für den Innenraum benötigt. Die überschüssige Wärme wird dann entsprechend über den wassergekühlten Kondensator stromab des Heizkondensators in den Kühlkreis übertragen und dann von dort über den Umgebungskühler an die Umgebung abgegeben.
Vorzugsweise ist unabhängig von der gewählten Anordnung eines wassergekühlten Kondensators parallel oder in Serie zum Umgebungskondensator der wassergekühlte Kondensator geeigneterweise kühlmittelseitig absperrbar. In einer geeigneten Ausgestaltung ist hierzu stromauf oder alternativ stromab des wassergekühlten Kondensators im Kühlkreis ein Stellglied angeordnet, insbesondere ein Absperrventil. Sofern die Wärme im Kältekreis über den Umgebungskondensator direkt an die Umgebung abgegeben wird, wird der wassergekühlte Kondensator stromab des Umgebungskondensators dann zweckmäßigerweise kühlmittelseitig abgesperrt.
Bevorzugterweise weist der Kältekreis einen Kältemittelsammler auf. Durch Verwendung des Kältemittelsammlers wird eine besonders stabile Unterkühlung im Kältekreis erzielt. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Kältemittelsammler hochdruckseitig angeschlossen ist, nämlich allgemein stromab des Verdichters und stromauf jeglicher Expansionsventile und speziell stromab des Umgebungskondensators und stromauf des Chillers. Geeignet ist grundsätzlich als Alternative auch eine niederdruckseitige Anordnung stromab des Chillers und stromauf des Verdichters, die hochdruckseitige Anordnung ist jedoch besonders bauraumsparend, da der Kältemittelsammler hier geringer dimensionierbar ist, und führt auch zu einem geringeren Druckverlust im Kältekreis. In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung mit einem wassergekühlten Kondensator, ist der Kältemittelsammler in diesen integriert, nämlich nach einer Kondensationsstrecke des Kondensators.
Um im Kältekreis eine Unterfüllung des Chillers und insbesondere auch des Klima-Verdampfers zu vermeiden, ist stromab des Umgebungskondensators im Kältekreis vorzugsweise ein Rückschlagventil angeordnet. Sofern ein weiterer Kondensator parallel zum Umgebungskondensator geschaltet ist, ist stromab dieses weiteren Kondensators zweckmäßigerweise ebenfalls ein Rückschlagventil angeordnet. Das jeweilige Rückschlagventil verhindert dann einen Kältemittelrückfluss in den jeweiligen Kondensator und somit eine ungewollte Entleerung des Kältekreises stromab der Kondensatoren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Wärmesystem derart umschaltbar ausgebildet, dass zur Kühlung des Hochvoltspeichers dessen Abwärme über den Umgebungskühler an die Umgebung abgegeben wird, falls eine HVS-Temperatur des Hochvoltspeichers größer ist als die Außentemperatur, und über den Chiller in den Kältekreis abgegeben wird, falls die HVS-Temperatur geringer oder gleich der Außentemperatur ist. Das tatsächliche Umschalten erfolgt im Betrieb insbesondere mittels des Steuergeräts. Der genannten Ausgestaltung liegt insbesondere die Beobachtung zugrunde, dass bei einer zu geringen Außentemperatur, d.h. bei zu geringer Temperatur der Umgebungsluft, das Temperaturgefälle zwischen Hochvoltspeicher und Umgebung nicht mehr ausreicht, um eine Wärmeabgabe über den Umgebungskühler zu realisieren. In diesem Fall wird dann unter Zuhilfenahme des Kältekreises Wärme über den Umgebungskondensator abgegeben. Sofern die Außentemperatur dies zulässt, sind beide Möglichkeiten der Wärmeabfuhr auch kombinierbar und werden zweckmäßigerweise auch kombiniert, wie oben bereits speziell im Zusammenhang mit dem Schnellladebetrieb beschrieben wurde.
Die HVS-Temperatur ist z.B. eine Zelltemperatur des Hochvoltspeichers. Die HVS-Temperatur und die Außentemperatur werden mittels entsprechender Sensoren gemessen und insbesondere an das Steuergerät übermittelt, sodass dieses in Reaktion hierauf das Wärmesystem geeignet einstellt.
Zur Effizienzsteigerung des Kältekreises weist dieser in einer geeigneten Ausgestaltung einen oder mehrere innere Wärmetauscher auf, welche jeweils sowohl niederdruckseitig als auch hochdruckseitig angeschlossen sind, zur entsprechenden Wärmeübertragung. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind zwei innere Wärmetauscher angeordnet, je einer für den Chiller und den Klima-Verdampfer, und zwar derart, dass die beiden inneren Wärmetauscher zueinander parallel geschaltet sind. Eine Ausgestaltung mit nur einem inneren Wärmtauscher für Chiller und Klima-Verdampfer zugleich oder völlig ohne inneren Wärmetauscher ist aber auch möglich und geeignet.
Das erfindungsgemäße Elektro- oder Hybridfahrzeug weist ein Wärmesystem wie beschrieben auf. Das Wärmesystem und alle dessen Komponenten sind dann Teile des Fahrzeugs.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems wie oben beschrieben wird der Hochvoltspeicher gekühlt, indem dessen Abwärme mittels des Chillers in den Kältekreis übertragen wird und von dort mittels des Umgebungskondensators direkt an die Umgebung abgegeben wird. Weiterbildungen und Vorteile ergeben sich entsprechend. Das Steuergerät des Wärmesystems ist entsprechend derart ausgebildet, die diversen Verfahrensschritte auszuführen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

1 ein Wärmesystem,
2 einen Kühlkreis des Wärmesystems,
3 ein Klimagerät des Wärmesystems,
4 einen Kältekreis des Wärmesystems,
5 eine Variante des Kältekreises,
6 eine weitere Variante des Kältekreises.

In 1 ist stark schematisiert ein Wärmesystem 2 gezeigt, für ein nicht näher dargestelltes Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches nachfolgend auch kurz als Fahrzeug bezeichnet wird. Zum Einstellen von und Umschalten zwischen diversen Schaltzuständen und Betriebsmodi des Wärmesystems 2 weist dieses ein Steuergerät 4 auf. Das Wärmesystem 2 weist einen Kühlkreis 6 auf, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert, und einen Kältekreis 8, in welchem ein Kältemittel zirkuliert. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kühlkreises 6 ist in 2 gezeigt, diverse Varianten für den Kältekreis 8 sind in den 4, 5 und 6 gezeigt. 1 zeigt nun den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlkreis 6, dem Kältekreis 8, einer Umgebung U des Fahrzeugs und eines Innenraums 10 des Fahrzeugs. Die am Wärmtausch beteiligten Komponenten sind hier als Pfeile dargestellt, optionale Komponenten sind als gestrichene Pfeile gekennzeichnet.
Vorliegend weist das Fahrzeug einen kühlmittelgekühlten Hochvoltspeicher 12 auf, welcher entsprechend an den Kühlkreis angeschlossen ist. An den Kühlkreis ist weiter ein Umgebungskühler 14 angeschlossen, zur Abfuhr von Wärme des Hochvoltspeichers 12 an die Umgebung U. Hierzu wird der Umgebungskühler 14 im Betrieb mit einem Luftstrom aus der Umgebung U, also mit Umgebungsluft L beaufschlagt. Stromauf des Hochvoltspeichers 12 ist an den Kühlkreis 6 ein Chiller 16 angeschlossen, zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers 12 in den Kältekreis 8. Die Menge an Wärme, welche vom Chiller 16 dem Kühlkreis 6 entnommen wird, ist mittels eines Expansionsventils 18 im Kältekreis 8 stromauf des Chillers 16 und mittels der Antriebsleistung eines Verdichters 20 des Kältekreises 8 einstellbar. An den Kältekreis 8 ist ein luftgekühlter Umgebungskondensator 22 angeschlossen, zur Abfuhr von Wärme aus dem Kältekreis 8 an die Umgebung U, und wird ebenfalls mit Umgebungsluft L beaufschlagt, sodass Wärme aus dem Kältekreis 8 direkt und unmittelbar an die Umgebung U abgegeben wird.
Wie besonders aus 1 erkennbar ist, sind der Kühlkreis 6 und der Kältekreis 8 auf der wärmeabgebenden Seite voneinander getrennt, nämlich aufgrund der Verwendung des Umgebungskondensators 22, in Kombination mit dem Umgebungskühler 14. Mit dem Umgebungskühler 14 und dem Umgebungskondensator 22 stehen somit zwei unterschiedliche Wärmesenken zur Wärmeabgabe an die Umgebung U zur Verfügung, nämlich eine für den Kühlkreis 6 und eine für den Kältekreis 8. Beide Wärmesenken sind auch insofern voneinander unabhängig, als dass über beide jeweils Wärme an die Umgebung U abführbar ist, ohne gleichzeitig die jeweils andere Wärmesenke verwenden zu müssen. Damit ist das Wärmesystem 2 zur Bedienung besonders hoher Kühlanforderungen geeignet, welche speziell beim Schnellladen des Fahrzeugs am Hochvoltspeicher 12 auftreten. Entsprechend ist das Wärmesystem 2 vorliegend derart ausgebildet, dass zur Wärmeabfuhr in einem Schnellladebetrieb des Fahrzeugs Wärme vom Hochvoltspeicher 12 sowohl über den Umgebungskühler 14 als auch den Umgebungskondensator 22 an die Umgebung U abgegeben wird.
Durch den in 2 gezeigten Kühlkreis 6 ist das Wärmesystem 2 derart einstellbar, dass der Chiller 16 stromab des Umgebungskühlers 14 angeordnet ist und der Hochvoltspeicher 12 stromab des Chillers 14, zur zweistufigen Kühlung von Kühlmittel, bevor dieses den Hochvoltspeicher 12 erreicht. Hierzu sind drei Stellglieder S1, S2, S3, hier 3/2-Wegeventile, im Kühlkreis 6 an bestimmten Stellen angeordnet. Mittels dieser Stellglieder S1, S2, S3 ist eine Serienschaltung aus Umgebungskühler 14, Chiller 16 und Hochvoltspeicher 12 einstellbar, sodass das Kühlmittel im Kühlkreis 6 zuerst den Umgebungskühler 14 durchläuft und dort sozusagen vorgekühlt wird, anschließend den Chiller 16 durchläuft, um dort mit Hilfe des Kältekreises 8 weiter abgekühlt zu werden, und schließlich auf besonders niedrigem Temperaturniveaus zum Hochvoltspeicher 12 gelangt, um diesen dann entsprechend effektiv zu kühlen. Stromab des Hochvoltspeichers 12 strömt das Kühlmittel dann wieder zum Umgebungskühler 14, sodass auf diese Weise ein Kreislauf ausgebildet ist.
Zusätzlich ist mittels der Stellglieder S1, S2, S3 das Wärmesystem 2 auch derart umschaltbar ausgebildet, dass zur Kühlung des Hochvoltspeichers 12 dessen Abwärme über den Umgebungskühler 14 an die Umgebung U abgegeben wird, falls eine HVS-Temperatur des Hochvoltspeichers 12 größer ist als die Außentemperatur. Falls umgekehrt die HVS-Temperatur geringer oder gleich der Außentemperatur ist, wird die Abwärme über den Chiller 16 in den Kältekreis 8 abgegeben.
Wie aus 2 weiter erkennbar ist, sind der Umgebungskondensator 22 und der Umgebungskühler 14 jeweils Teile eines Kühlmoduls 24, in welchem der Umgebungskondensator 22 bezüglich der Umgebungsluft L stromab des Umgebungskühlers 14 angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird ausgenutzt, dass der Umgebungskondensator 22 typischerweise ein höheres Temperaturniveau aufweist als der Umgebungskühler 14, sodass an denselben Luftstrom Wärme zweistufig abgegeben wird. Das Kühlmodul 24 ist vorliegend frontseitig im Fahrzeug verbaut und wird somit frontseitig mit Umgebungsluft L beaufschlagt. Das Kühlmodul 24 weist zusätzlich stromab des Umgebungskondensators 22 einen Lüfter 26 auf, zur Förderung der Umgebungsluft L. Weiter weist das Kühlmodul 24 eine oder mehrere Luftklappen 28 auf, welche stromauf des Umgebungskühlers 14 angeordnet sind und zur Steuerung der Zufuhr von Umgebungsluft U dienen.
In 3 ist ein beispielhaftes Klimagerät 30 des Wärmesystems 2 gezeigt, zur Temperierung des Innenraums 10 des Fahrzeugs. Zur Kühlung des Innenraums 10 weist das Klimagerät 30 einen Klima-Verdampfer 32 auf, welcher an den Kältekreis 8 angeschlossen ist, nämlich parallel zum Chiller 16. Zur Beheizung des Innenraums 10 ist in einer Variante ein luftgekühlter Heizkondensator 34 angeordnet, welcher an den Kältekreis 8 angeschlossen ist und aus diesem direkt Wärme zur Innenraumbeheizung entnimmt. Alternativ ist der Heizkondensator 34 durch einen Heizungswärmetauscher 36 ersetzt. Der Luftstrom I für den Innenraum 10 wird wir in 3 gezeigt zuerst über den Klima-Verdampfer 32 geführt und erst dann erwärmt, sodass auch eine Entfeuchtung möglich ist. Vorliegend weist das Klimagerät 30 zusätzlich noch einen elektrischen Zuheizer 38 auf, zur zusätzlichen Zufuhr von Wärme.
Die 4, 5 und 6 zeigen drei Ausführungsbeispiele für den Kältekreis 8, mit unterschiedlichen Kombinationen von Kondensatoren, wobei allen Beispielen gemein ist, dass ein luftgekühlter Umgebungskondensator 22 verwendet wird. In dieser Hinsicht zeigt 4 ein Minimalbeispiel und die 5 und 6 zeigen zwei Varianten für eine Weiterbildung des Kältekreises 8 der 4. In diesen Weiterbildungen ist allgemein an den Kältekreis 8 ein weiterer Kondensator 34, 40 angeschlossen, nämlich parallel zum Umgebungskondensator 22, sodass Wärme, welche vom Chiller 16 in den Kältekreis 8 übertragen wird, wahlweise über den Umgebungskondensator 22 an die Umgebung abführbar ist oder mittels des weiteren Kondensators 34, 40 für andere Aufgaben verwendbar ist, vorliegend zur Innenraumbeheizung. Stromauf dieser Kondensatoren 22, 34, 40 ist im Kältekreis 8 ein Stellglied S4 angeordnet, mittels welchem der Kältekreis 8 umschaltbar ist, sodass das Kältemittel zu dem einen oder zu dem anderen Kondensator 22, 34, 40 geführt wird.
Vorliegend ist der weitere Kondensator 34, 40, welcher parallel zum Umgebungskondensator 22 geschaltet ist, zusammen mit dem Chiller 16 ein Teil einer Wärmepumpe des Wärmesystems 2, welche ausgebildet ist, über den Umgebungskühler 14 Wärme aus der Umgebung U aufzunehmen und zur Innenraumbeheizung zu verwenden. Die 5 und 6 zeigen hierzu zwei Varianten, nämlich in 5 eine wassergekoppelte Innenraumbeheizung und in 6 eine luftgekoppelte Innenraumbeheizung. Beide Varianten sind grundsätzlich auch miteinander kombinierbar.
Bei der wassergekoppelten Innenraumbeheizung gemäß 5 ist parallel zum Umgebungskondensator 22 als weiterer Kondensator ein wassergekühlter Kondensator 40 an den Kältekreis 8 angeschlossen, welcher zusätzlich an einen nicht näher gezeigten Heizzweig des Kühlkreises 6 angeschlossen ist und welcher gemeinsam mit dem Chiller 16 Teil der Wärmepumpe ist, sodass Wärme aus dem Kältekreis 8 wahlweise über den Umgebungskondensator 22 an die Umgebung U abführbar ist oder zur Innenraumbeheizung in den Heizzweig übertragbar ist. Bezugnehmen auf 2 ist der Heizzweig beispielsweise derjenige Zweig des gezeigten Kühlkreises 6, auf welchem der wassergekühlte Kondensator 40 angeordnet ist. In einer ebenfalls nicht gezeigten Variante ist der Heizzweig als Heizkreis ausgebildet, welcher über einen Vorlauf und einen Rücklauf an den übrigen Kühlkreis 6 angebunden ist. An den Heizzweig ist der Heizungswärmetauscher 36 stromab des wassergekühlten Kondensators 40 angeschlossen, sodass dieser Wärme in den Heizzweig abgibt, welche vom Heizungswärmetauscher 36 dann aufgenommen wird und an den Luftstrom I für den Innenraum 10 abgegeben wird. Wie 2 zeigt, sind zudem der wassergekühlte Kondensator 40, allgemein der Heizzweig, und der Umgebungswärmetauscher in Serie zueinander geschaltet, sodass überschüssige Wärme aus an die Umgebung U abführbar ist.
Bei der luftgekoppelten Innenraumbeheizung gemäß 6 ist parallel zum Umgebungskondensator 22 an den Kältekreis 8 der zuvor bereits genannte luftgekühlte Heizkondensator 34 angeschlossen, welcher zusammen mit dem Chiller 16 dann ein Teil der Wärmepumpe ist. Der Luftstrom I für den Innenraum 10 wird hier direkt mit Wärme aus dem Kältekreis 8 erwärmt und nicht wie im wassergekoppelten Fall mittelbar über den Kühlkreis 6. Auf einen Heizzweig wird hierbei verzichtet. Zusätzlich ist im gezeigten Ausführungsbeispiel stromab sowohl des Umgebungskondensators 22 als auch des Heizkondensators 34 ein wassergekühlter Kondensator 40 an den Kältekreis 8 angeschlossen. Dieser ist grundsätzlich optional, dient aber vorliegend zur Abfuhr überschüssiger Wärme aus dem Kältekreis 8 in den Kühlkreis 6 und von dort über den Umgebungskühler 14 an die Umgebung U. Dies ist speziell dann nützlich, wenn zur Innenraumbeheizung das Kältemittel nicht über den Umgebungskondensator 22 geführt wird, sondern über den Heizkondensator 34, und dieser aber nicht sämtliche Wärme zur Erwärmung des Luftstroms I für den Innenraum 10 benötigt. Die überschüssige Wärme wird dann entsprechend über den wassergekühlten Kondensator 40 in den Kühlkreis 6 übertragen und von an die Umgebung U abgegeben.
In jedem Fall nimmt der Chiller 16 in den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 die Wärme zur Beheizung des Innenraums 10 dem Kühlkreis 6. Als Wärmequellen werden hierbei je nach Umgebungsbedingungen in einem Wärmepumpenbetrieb der Umgebungskühler 14 oder eine Fahrzeugkomponente 12, 42 verwendet, welche zur Kühlung an den Kühlkreis 6 angeschlossen ist. Eine solche Fahrzeugkomponenten 12, 42 ist zum Einen der Hochvoltspeicher 12 und vorliegend eine andere Komponente 42 des Antriebsstrangs, z.B. die E-Maschine oder eine Leistungselektronik.
Unabhängig von der gewählten Anordnung eines wassergekühlten Kondensators 40 parallel oder in Serie zum Umgebungskondensator 22 ist der wassergekühlte Kondensator 40 kühlmittelseitig absperrbar, wie in 2 gezeigt ist. Hierzu ist stromauf des wassergekühlten Kondensators 40 ein Stellglied S5 angeordnet, hier ein Absperrventil.
Der Kältekreis 8 weist zudem in allen gezeigten Varianten einen Kältemittelsammler 44 auf. Dieser ist vorliegend hochdruckseitig angeschlossen, nämlich allgemein stromab des Verdichters 20 und stromauf jeglicher Expansionsventile 18 und speziell stromab des Umgebungskondensators 22 und stromauf des Chillers 16. In einer nicht gezeigten Variante ist der Kältemittelsammler 44 dagegen niederdruckseitig angeordnet, nämlich stromab des Chillers 16 und stromauf des Verdichters 20. In 6 ist zudem eine Ausgestaltung gezeigt, bei welcher der Kältemittelsammler 44 in den wassergekühlten Kondensator 40 integriert ist.
Weiter ist in allen gezeigten Varianten stromab des Umgebungskondensators 22 im Kältekreis 8 ein Rückschlagventil 46 angeordnet. In den Beispielen der 5 und 6 ist auch stromab des zum Umgebungskondensators 22 parallelen weiteren Kondensators 34, 40 ein Rückschlagventil 46 angeordnet.
Zur Effizienzsteigerung des Kältekreises 8 weist dieser weiter in allen gezeigten Varianten mehrere innere Wärmetauscher 48 auf, welche jeweils sowohl niederdruckseitig als auch hochdruckseitig angeschlossen sind, zur entsprechenden Wärmeübertragung. Vorliegend sind zwei innere Wärmetauscher 48 angeordnet, je einer für den Chiller 16 und den Klima-Verdampfer 32, und zwar derart, dass die beiden inneren Wärmetauscher 48 zueinander parallel geschaltet sind. In einer nicht gezeigten Variante ist nur ein innerer Wärmtauscher 48 für Chiller 16 und Klima-Verdampfer 32 zugleich vorhanden. In einer weiteren, nicht gezeigten Variante weist der Kältekreis 8 dagegen keinen inneren Wärmetauscher 48 auf.
Bezugszeichenliste

2: Wärmesystem
4: Steuergerät
6: Kühlkreis
8: Kältekreis
10: Innenraum
12: Hochvoltspeicher
14: Umgebungskühler
16: Chiller
18: Expansionsventil
20: Verdichter
22: Umgebungskondensator
24: Kühlmodul
26: Lüfter
28: Luftklappen
30: Klimagerät
32: Klima-Verdampfer
34: Heizkondensator
36: Heizungswärmetauscher
38: Zuheizer
40: wassergekühlter Kondensator
42: Fahrzeugkomponente, andere Komponente
44: Kältemittelsammler
46: Rückschlagventil
48: innerer Wärmetauscher
I: Luftstrom (für den Innenraum)
L: Umgebungsluft
S1, S2, S3, S4, S5: Stellglied
U: Umgebung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017220376 [0004]
DE 102015220623 A1 [0005, 0012]
DE 102016213619 A1 [0006, 0012]

Claims

Wärmesystem (2) für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Kühlkreis (6) und mit einem Kältekreis (8), - wobei an den Kühlkreis (6) ein Hochvoltspeicher (12) angeschlossen ist, - wobei an den Kühlkreis (6) ein Umgebungskühler (14) angeschlossen ist, zur Abfuhr von Wärme des Hochvoltspeichers (12) an die Umgebung (U), - wobei stromauf des Hochvoltspeichers (12) an den Kühlkreis (6) ein Chiller (16) angeschlossen ist, zur Abfuhr von Abwärme des Hochvoltspeichers (12) in den Kältekreis (8), - wobei an den Kältekreis (8) ein luftgekühlter Umgebungskondensator (22) angeschlossen ist, zur Abfuhr von Wärme aus dem Kältekreis (8) an die Umgebung (U).
Wärmesystem (2) nach Anspruch 1, welches derart ausgebildet ist, dass zur Wärmeabfuhr in einem Schnellladebetrieb des Fahrzeugs Wärme vom Hochvoltspeicher (12) sowohl über den Umgebungskühler (14) als auch den Umgebungskondensator (22) an die Umgebung (U) abgegeben wird.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei dieses mittels einem oder mehrerer Stellglieder (S1, S2, S3) derart einstellbar ist, dass im Kühlkreis (6) der Chiller (16) stromab des Umgebungskühlers (14) angeordnet ist und der Hochvoltspeicher (12) stromab des Chillers (16), zur zweistufigen Kühlung von Kühlmittel, bevor dieses den Hochvoltspeicher (12) erreicht.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Umgebungskondensator (22) und der Umgebungskühler (14) Teile eines Kühlmoduls (24) sind, in welchem der Umgebungskondensator (22) bezüglich eines Luftstroms (L) aus der Umgebung (U) stromab des Umgebungskühlers (14) angeordnet ist.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei parallel zum Umgebungskondensator (22) ein wassergekühlter Kondensator (40) an den Kältekreis (8) angeschlossen ist, welcher zusätzlich an einen Heizzweig des Kühlkreises (6) angeschlossen ist und welcher gemeinsam mit dem Chiller (16) Teil einer Wärmepumpe ist, sodass Wärme aus dem Kältekreis (8) wahlweise über den Umgebungskondensator (22) an die Umgebung (U) abführbar ist oder zur Innenraumbeheizung in den Heizzweig übertragbar ist.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei parallel zum Umgebungskondensator (22) an den Kältekreis (8) ein luftgekühlter Heizkondensator (34) angeschlossen ist, welcher zusammen mit dem Chiller (16) Teil einer Wärmepumpe ist, zur Innenraumbeheizung mit Umgebungswärme.
Wärmesystem (2) nach Anspruch 6, wobei stromab sowohl des Umgebungskondensators (22) als auch des Heizkondensators (34) ein wassergekühlter Kondensator (40) an den Kältekreis (8) angeschlossen ist, zur Abfuhr überschüssiger Wärme aus dem Kältekreis (8) in den Kühlkreis (6) und von dort über den Umgebungskühler (14) an die Umgebung (U).
Wärmesystem (2) nach Anspruch 5 oder 7, wobei der wassergekühlte Kondensator (40) kühlmittelseitig absperrbar ist.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kältekreis (8) einen Kältemittelsammler (44) aufweist, welcher hochdruckseitig angeschlossen ist, nämlich stromab des Umgebungskondensators (22) und stromauf des Chillers (16).
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei stromab des Umgebungskondensators (22) im Kältekreis (8) ein Rückschlagventil (46) angeordnet ist.
Wärmesystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches derart umschaltbar ausgebildet ist, dass zur Kühlung des Hochvoltspeichers (12) dessen Abwärme über den Umgebungskühler (14) an die Umgebung (U) abgegeben wird, falls eine HVS-Temperatur des Hochvoltspeichers (12) größer ist als die Außentemperatur, und über den Chiller (16) in den Kältekreis (8) abgegeben wird, falls die HVS-Temperatur geringer oder gleich der Außentemperatur ist.
Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem Wärmesystem (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Hochvoltspeicher (12) gekühlt wird, indem dessen Abwärme mittels des Chillers (16) in den Kältekreis (8) übertragen wird und von dort mittels des Umgebungskondensators (22) direkt an die Umgebung (U) abgegeben wird.