DE102019109796A1 - Wärmestrommanagementvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung - Google Patents

Wärmestrommanagementvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung Download PDF

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Martin Hötzel
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmestrommanagementvorrichtung (1) für Kraftfahrzeuge, aufweisend einen Kältemittelkreislauf, einen Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und einen Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf einen Verdichter (2), einen indirekten Kondensator (3), ein Expansionsorgan (4), einen Umgebungswärmeübertrager (5), mindestens einen Verdampfer (10, 11) mit zugeordnetem Expansionsorgan (7, 8) und einen Chiller (12) mit zugeordnetem Expansionsorgan (9) aufweist, der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf eine Kühlmittelpumpe (22), den Chiller (12), einen E-Motorwärmeübertrager (29) und einen Antriebsstrang-Kühlmittelradiator (32) aufweist, der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf eine Kühlmittelpumpe (17), den indirekten Kondensator (3) und einen Heizungswärmeübertrager (19) aufweist, wobei der Kältemittelkreislauf und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf direkt über den Chiller (12) thermisch miteinander gekoppelt ausgeführt sind und wobei der Kältemittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf direkt über den indirekten Kondensator (3) thermisch miteinander gekoppelt ausgeführt sind und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf nur indirekt über den Kältemittelkreislauf miteinander thermisch gekoppelt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmestrommanagementvorrichtung als Bestandteil eines Klimatisierungssystems für hocheffiziente Fahrzeuge mit geringem Abwärmeanfall.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wärmestrom-Management-System für Elektrofahrzeuge (EV), Fahrzeuge mit Hybridantrieb (HEV), Plug-in-Hybrid (PHEV) oder Brennstoffzellenfahrzeuge, welche zumindest teilweise elektromotorisch angetrieben werden und die mit Hochvoltbatterien beziehungsweise Akkumulatoren ausgestattet sind.
  • Im Stand der Technik ist bekannt, dass Elektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit sowohl Elektroantrieb als auch verbrennungsmotorischem Antrieb, sogenannte Hybride, Brennstoffzellenfahrzeuge und hocheffiziente verbrennungsmotorisch angetriebene Fahrzeuge nicht genug Abwärme erzeugen, um die Fahrzeugkabine im Winter den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen.
  • Eine kostengünstige und bauraumsparende Lösung für dieses Problem stellt ein elektrischer Heizer dar, der beispielsweise als PTC-Heizer in Kombination mit einer herkömmlichen Kälteanlage betrieben wird. Die Kälteanlage kühlt die in die Fahrzeugkabine einströmende Luft und der elektrische Heizer erwärmt diese entsprechend.
  • Eine andere, effizientere Lösung dieses Problems stellt ein Klimatisierungssystem mit Wärmepumpenfunktion dar, welches allerdings deutlich mehr Bauraum beansprucht, als die vorangehend genannte Lösung mit einem elektrischen Heizer.
  • Die Wärmepumpensysteme von Fahrzeugen, insbesondere von Personenkraftfahrzeugen, haben wesentliche gemeinsame Merkmale:
  • Im Kühlbetrieb wird die zur Verdampfung des Kältemittels benötigte Wärme aus der Zuluft zur Passagierkabine oder aus einem Kühlmittelkreis aufgenommen. Der Kühlmittelkreislauf wird beispielsweise benutzt, um elektrische Komponenten zu kühlen. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind das beispielsweise die Traktionsbatterie, der Inverter oder der Wandler.
  • Im Kondensator/Gaskühler des als Kälteanlage geschalteten Kältemittelkreislaufes wird die aufgenommene Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben.
  • Im Heizbetrieb wird die zur Verdampfung des Kältemittels notwendige Wärme aus einer Abwärmequelle aufgenommen. Im (Innenraum-) Kondensator/Gaskühler des als Wärmepumpe geschalteten Kältemittelkreislaufes wird die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau über die Zuluft an die Fahrzeugkabine zur Beheizung abgegeben.
  • Normalerweise wird in Wärmepumpensystemen die Umgebungsluft als eine der Hauptwärmequellen genutzt. Das Kältemittel wird verdampft, indem Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen wird. Dies erfolgt entweder direkt in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager oder indirekt in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärm eübertrager.
  • Die Leistung und Effizienz eines Wärmepumpensystems ist in großem Maße davon abhängig, wie viel Wärme auf welchem Temperaturniveau zur Verdampfung des Kältemittels zur Verfügung steht. Bei kalten Umgebungstemperaturen ist die Wärmeaufnahme aus der Umgebung zusätzlich beschränkt, um die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers zu vermeiden. Üblicherweise ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der in den Umgebungswärmeübertrager eintretenden Luft und der Temperatur des Kältemittels begrenzt. Über diese Temperaturdifferenz wird die maximal aufgenommene Wärme aus der Umgebungsluft begrenzt.
  • Durch Vereisung des Umgebungswärmeübertragers wird der Wärmeübergang zwischen Luft und Kältemittel schlechter, daraus folgt eine Reduzierung der aus der Umgebung aufgenommenen Leistung und somit eine Verschlechterung der Effizienz des gesamten Wärmepumpensystems.
  • Durch die Notwendigkeit der Vereisungsvermeidung des Umgebungswärmeübertragers ist es bei sehr kalten Umgebungstemperaturen nicht möglich, die Fahrzeugkabine ausreichend zu beheizen, wenn nur die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt wird. Daher wird ein zusätzlicher, als Verdampfer arbeitender Wärmeübertrager, der sogenannte Chiller, niederdruckseitig in den Kältemittelkreislauf eingebunden. Der Chiller erlaubt eine weitere Wärmeaufnahme aus dem Wasser/-Glykol-Kühlkreislauf. Der Wasser/-Glykol-Kühlkreislauf kühlt beispielsweise die Komponenten des elektrischen Antriebsstranges und unter Umständen aber auch die Batteriezellen der Hochvoltbatterie. Dieser Wasser/-Glykol-Kühlkreislauf erlaubt mittels Niedertemperaturwärmeübertrager auch die Abgabe der Abwärme direkt an die Umgebung, ohne den Kältemittelkreislauf zwingend betreiben zu müssen. Aufgrund der Vielzahl der üblicherweise für so ein System nötigen Komponenten erhöht sich allerdings die Systemkomplexität und somit auch die Systemkosten pro Fahrzeug.
  • Nach dem Stand der Technik besteht somit eine vergleichsweise günstige Lösung des Problems mit relativ geringem apparativem Aufwand in der Kombination einer Kälteanlage mit einem Hochvolt-PTC Zuheizer. Diese Systeme weisen jedoch nachteilig einen hohen Energieverbrauch bei gleichzeitig relativ geringen Ausblastemperaturen der Luft für die Beheizung der Fahrzeugkabine vor allem in kalten Regionen auf. Der elektrische Zuheizer ist nicht energieeffizient und verkürzt darüber hinaus die Reichweite bei batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen. Auch wird der elektrische Zuheizer nur selten gebraucht.
  • Aus der US 2017/0197488 A1 geht eine Batterietemperaturkontrollvorrichtung für Fahrzeuge und eine Klimaanlage mit einer solchen hervor. Dabei sind ein Kältemittelkreislauf und mehrere Kühlmittelkreisläufe vorgesehen, um die Batterie und den Innenraum des Fahrzeuges gleichzeitig beheizen zu können. Dazu ist auch ein zusätzlicher elektrischer Heizer vorgesehen und in den Batteriekühlkreislauf integriert.
  • Wärmepumpensysteme hingegen sind komplex aufgrund der Vielzahl der zusätzlichen Komponenten, wie Wärmeübertrager, Kältemittelventile und Expansionsorgane.
  • Wärmepumpensysteme mit Außenwärmeübertrager, auch Umgebungswärmeübertrager genannt, sind oft derart ausgeführt, dass im Vergleich zum reinen Kühlmodus eine Strömungsrichtungsumkehr für die Umschaltung zum Heizmodus nötig ist. Diese Umschaltung kann nur bei deaktiviertem Kältemittelkompressor durchgeführt werden. Dies kann unter Umständen zum ungewollten Absinken oder Ansteigen der Ausblastemperatur der Luft in den Innenraum der Fahrzeugkabine beim Wechsel der Betriebsmodi führen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmestrommanagementvorrichtung mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktionalität zur Verfügung zu stellen, der für den Heizfall sowie für den Kühlfall bei stationären Bedingungen effizient Wärme beziehungsweise Kälte für die Passagierkabine des Fahrzeuges bereitstellen kann.
  • Die Aufgabe wird durch eine Wärmestrommanagementvorrichtung und durch ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Wärmestrommanagementvorrichtung für Kraftfahrzeuge gelöst, welche als Grundkomponenten einen Kältemittelkreislauf, einen Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und einen Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf aufweist. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen indirekten Kondensator, ein Expansionsorgan und einen zugehörigen Umgebungswärmeübertrager auf, wobei der Umgebungswärmeübertrager nach Drosselung des Kältemittels als Verdampfer im Wärmepumpenmodus betreibbar ist. Weiterhin ist mindestens ein Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan für die Klimatisierung der Luft für die Fahrzeugkabine und ein Chiller mit zugeordnetem Expansionsorgan zur Kühlung des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes vorgesehen.
  • Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf weist eine Kühlmittelpumpe, den Chiller, einen E-Motorwärmeübertrager und einen Antriebsstrang-Kühlmittelradiator auf. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf weist eine Kühlmittelpumpe, den indirekten Kondensator und einen Heizungswärmeübertrager auf, wobei der Heizungswärmeübertrager in einem Klimagerät angeordnet ist.
  • Der Kältemittelkreislauf und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind direkt über den Chiller thermisch miteinander gekoppelt. Direkt gekoppelt bedeutet, dass der Chiller als Fluid-Fluid-Wärmeübertrager ausgeführt ist und die beiden Fluidkreisläufe im Chiller Wärme auf den jeweils anderen Fluidkreislauf übertragen können.
  • Der Kältemittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf sind ebenso direkt über den indirekten Kondensator thermisch miteinander gekoppelt ausgeführt. Der indirekte Kondensator ist wiederum als Fluid-Fluid-Wärmeübertrager ausgeführt und der Kältemittelkreislauf kann im indirekten Kondensator Wärme auf den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf übertragen. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf im Unterschied zur direkten thermischen Kopplung nur indirekt über den Kältemittelkreislauf miteinander thermisch gekoppelt. Es ist keine direkte Wärmeübertragung mittels eines Wärmeübertragers vom Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf auf den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf oder umgekehrt möglich.
  • Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf werden bevorzugt mit einem Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträger beziehungsweise Kühlmittel betrieben.
  • Die Konzeption des Wärmestrommanagementsystems besteht somit darin, dass zwei Kühlmittelkreisläufe über einen Kältemittelkreislauf indirekt gekoppelt sind. Der Kältemittelkreislauf beinhaltet die üblichen Komponenten, wie Kältemittelkompressor, indirekter Kondensator zur Erwärmung des Wärmeträgerkreislaufes mit beispielsweise Wasser-Glykol-Gemisch, vier Expansionsorgane, ein 2/2-Wege-Schaltventil und alternativ ein gekoppeltes Ventil mit der Funktionalität eines Schalt- und eines Expansionsorganes, einen Umgebungswärmeübertrager der im Klimaanlagenbetrieb als Kondensator und im Wärmepumpenbetrieb des Kältekreislaufes als Verdampfer arbeitet. Weiterhin ist ein Rückschlagventil, ein Chiller zur Batteriekühlung und/oder Abwärmenutzung, zwei Verdampfer in den Klimageräten vorne und hinten zum Abkühlen oder Trocknen der Innenraumluft, ein weiteres Rückschlagventil, ein niederdruckseitiger Kältemittelspeicher und -trockner sowie alternativ ein interner Wärmeübertrager optional zu Kühl-Effizienzsteigerung vorgesehen.
  • Das vorgeschlagene Wärmestrommanagementsystem beinhaltet einen Kältekreis, der mit zwei unabhängigen voneinander betreibbaren Kühlmittelkreisen verbunden ist. Der erste Kühlmittelkreis, auch als Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf bezeichnet, ist mit einem wassergekühlten Kondensator auf der Hochdruckseite des Kältekreises verbunden. Das Kühlmittel dieses Kreislaufes ist funktionsgemäß somit ein Wärmeträger, was sich in der Benennung als Wärmeträgerkreislauf widerspiegelt.
  • Der zweite Kühlmittelkreis, auch Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf genannt, ist mit einem Chiller auf der Niederdruckseite des Kältekreises verbunden.
  • Auf der Kältekreisseite kann Kondensationswärme sowohl im wassergekühlten Kondensator als auch im Umgebungswärmeübertrager als Kälteanlagen-Kondensator im Frontend, dem Kühlerbereich des Fahrzeuges, abgegeben werden. Im Kühlbetrieb kann der wassergekühlte indirekte Kondensator mit einem Bypass umgangen werden, um einen etwaigen Druckverlust durch diese Komponente zu vermeiden. Es gibt ein Expansionsorgan zwischen dem wassergekühlten indirekten Kondensator und dem luftgeführten Umgebungswärmeübertrager im Frontend, um dessen Betriebsdruck zwischen Hoch- und Niederdruck regeln zu können. Durch diese Mitteldruckregelung kann entweder Wärme an die Umgebung im Kälteanlagenbetrieb kontrolliert abgegeben oder im Wärmepumpenbetrieb von dort kontrolliert aufgenommen werden. Auf der Niederdruckseite gibt es drei Verdampfer, zwei luftgetriebene Verdampfer und einen Chiller in paralleler Anordnung. Weiterhin ist ein Bypass um den AC-Kondensator, dem Umgebungswärmeübertrager, vorhanden.
  • Im ersten Wärmeträgerkreislauf, zum Beispiel einem Wasser-Glykol-Gemisch, wird Wärme aufgenommen und zum Heizregister in das Klimagerät, die HVAC, transportiert, um schließlich die Innenraumzuluft aufzuwärmen.
  • Der zweite Kühlmittelkreislauf, zum Beispiel ein Wasser-Glykol-Gemisch, beinhaltet mehrere kleinere Kreise, die zum Beispiel mittels 3/2-Wege-Ventile jeweils miteinander verbunden und getrennt werden können. Die Hauptfunktion dieser Kreise ist es, elektrische Antriebsstrangkomponenten und/oder Batterien aktiv durch Kältekreiskühlung oder passiv durch einen im Frontend als Radiator angebrachten Wärmeübertrager zu kühlen. Im Heizbetrieb ist dieser Kreis zur Wärmeaufnahme aus den elektrischen Antriebsstrangkomponenten konzipiert. Diese ehemalige Verlustleistung wird dann zum Chiller transportiert, um Verdampfungswärme bereitzustellen. Die Aufnahme und Einbeziehung der Verlustleistung zur Beheizung des Fahrzeuges erhöht die Leistung und Effizienz im Heizbetrieb.
  • Alle Expansionsorgane lassen sich auch wahlweise komplett schließen, so dass diese auch als Absperrventile eingesetzt werden können. Der Wechsel zwischen Heiz- und Kühlmodus kann hier stufenlos ohne Kältemittel-Kompressor-Abschaltung erfolgen. Eine Strömungsumkehr im Umgebungswärmeübertrager ist bei diesem System nicht nötig. Dies führt auch zu einem vereinfachten Ölmanagement, da Ölfallen im System leichter vermieden werden können. Viele Systeme aus dem Stand der Technik sind entweder deutlich komplexer und teurer oder nur auf einen Betriebspunkt optimiert.
  • Bevorzugt ist im Kältemittelkreislauf der Wärmestrommanagementvorrichtung parallel zum indirekten Kondensator ein Bypass mit einem Absperrventil angeordnet, so dass im Kälteanlagenbetrieb des Kältemittelkreislaufes bei der Kühlung der Fahrzeugkabine oder der Komponenten der indirekte Kondensator über den Bypass umgangen werden kann. Hierdurch verringert sich der Druckverlust im Kältemittelkreislauf und die Effizienz steigt.
  • Vorteilhaft sind im Kältemittelkreislauf zwei Verdampfer parallelgeschaltet angeordnet, wobei ein vorderer Verdampfer die Luft für die Fahrzeugkabine in einem Frontklimagerät und ein hinterer Verdampfer die Luft in einem Heckklimagerät kühlt.
  • Dabei sind den Verdampfern bevorzugt jeweils ein Expansionsorgan zugeordnet, so dass die Verdampfer hinsichtlich des Verdampfungstemperaturniveaus unterschiedlich geregelt werden können.
  • Vorteilhaft ist weiterhin im Kältemittelkreislauf vor dem Verdichter ein Niederdruck-Sammler für das Kältemittel angeordnet.
  • Im Kältemittelkreislauf ist weiterhin bevorzugt vor dem Umgebungswärmeübertrager ein Expansionsorgan angeordnet, so dass der Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer zur Wärmeaufnahme im Wärmepumpenmodus des Kältemittelkreislaufes nutzbar ist.
  • Ein Bypass mit Absperrventil im Kältemittelkreislauf parallel zum Umgebungswärmeübertrager und dessen zugehörigem Expansionsorgan ermöglicht vorteilhaft, diese zu umgehen.
  • Im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist vorteilhaft eine zusätzliche Kühlmittelpumpe angeordnet, so dass innerhalb des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes zwei unabhängig voneinander betreibbare Teilkreisläufe geschaltet und ausgeführt werden können.
  • Parallel zum Antriebsstrangkühlmittelradiator ist vorteilhaft im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein Bypass ausgebildet, um in bestimmten Betriebszuständen keine Wärme über den Antriebsstrangkühlmittelradiator an die Umgebungsluft abzugeben und stattdessen die Abwärme im System der Wärmestrommanagementvorrichtung zu halten und für Beheizungsaufgaben zu nutzen.
  • Im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist vorteilhaft ein Bypass vorgesehen, der mit dem E-Motorwärmeübertrager, dem Antriebsstrangkühlmittelradiator und der zusätzlichen Kühlmittelpumpe einen geschlossenen Teilkreislauf ausbildet.
  • Bevorzugt ist im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein Batteriekühler angeordnet.
  • Vorteilhaft ist im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf parallel zum Batteriekühler ein Bypass angeordnet, über welchen der Batteriekühler im Kreislauf umfahren werden kann.
  • Im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist vorteilhaft ein Bypass parallel zum Bypass angeordnet, über den ein Teilkreislauf mit dem Chiller, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe ausbildbar ist. Das parallele Vorsehen von zwei Bypässen ermöglicht, den Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in zwei separat und unabhängig voneinander betreibbare Teilkreisläufe zu schalten und zu betreiben.
  • Bevorzugt ist im Frontklimagerät neben dem Heizungswärmeübertrager eine zusätzliche Heizeinrichtung angeordnet, über welche die Beheizung der Luft für die Fahrzeugkabine zusätzlich erfolgen kann.
  • Die zusätzliche Heizeinrichtung ist dabei bevorzugt als ein PTC-Heizelement (engl. Positiv Temperature Coefficient) ausgebildet.
  • Zur Steuer- und Regelung ist die Wärmestrommanagementvorrichtung bevorzugt mit einer Steuer- und Regeleinrichtung ausgestattet, wobei im Kältemittelkreislauf nach dem Verdichter, nach dem Umgebungswärmeübertrager und nach dem Chiller jeweils ein Druck-Temperatur-Sensor angeordnet ist und im Kältemittelkreislauf nach dem Verdampfer ein Temperatursensor angeordnet ist und im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf vor den Kühlmittelpumpen und nach dem Chiller jeweils ein Temperatursensor angeordnet ist und im Luftstrom nach dem Verdampfer, nach der Heizeinrichtung, nach dem Verdampfer und vor dem Umgebungswärmeübertrager ein Temperatursensor angeordnet ist.
  • Eine vorteilhafte Ergänzung der Wärmestrommanagementvorrichtung besteht darin, dass im Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf ein Wärmeträgerkühlradiator über ein 3-Wege-Ventil parallel zum Heizungswärmeübertrager angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante der Wärmestrommanagementvorrichtung besteht darin, dass im Kältemittelkreislauf nach dem Verdichter ein Heizungskondensator in einer über ein 3-Wege-Ventil absperrbaren Leitungsschleife seriell zum Umgebungswärmeübertrager schaltbar angeordnet ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung gelöst.
  • Dabei sind die Verfahren zum Betreiben der Wärmestrommanagementvorrichtung auf Temperaturbereiche der Außentemperaturen bezogen. Die Temperaturbereiche beginnen bei A mit dem Temperaturbereich sehr kalte Umgebungstemperaturen von circa -20°C bis -8°C über den anschließenden Temperaturbereich B, kalte Umgebungstemperaturen bis circa 5°C, über den Temperaturbereich C mit niedrigen Umgebungstemperaturen bis circa 17°C hin zum Temperaturbereich D mit milden Umgebungstemperaturen bis circa 30°C und schließlich zum Temperaturbereich E, der hohe Umgebungstemperaturen über 30°C beinhaltet.
  • Vorteilhaft wird die Wärmestrommanagementvorrichtung im Temperaturbereich E bei hohen Umgebungstemperaturen zur Kabinen- und aktiven Batteriekühlung derart geschaltet, dass der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in zwei Teilkreisläufen betrieben wird, wobei der erste Teilkreislauf aus dem Chiller, dem Bypass, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe geschaltet ist und der zweite Teilkreislauf aus dem Antriebsstrangkühlmittelradiator, der Kühlmittelpumpe, dem Bypass und dem E-Motorwärmeübertrager geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, dem Bypass mit geöffnetem Absperrventil, dem Umgebungswärmeübertrager und den parallel geschalteten Chiller, vorderer Verdampfer und hinterer Verdampfer geschaltet ist.
  • Vorteilhaft wird die Wärmestrommanagementvorrichtung im Temperaturbereich E bei hohen Umgebungstemperaturen zur Kabinenkühlung derart geschaltet, dass der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem erstem Teilkreislauf aus dem Chiller, dem Bypass, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe gebildet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, dem Bypass mit geöffnetem Absperrventil, dem Umgebungswärmeübertrager und den parallel geschalteten vorderem Verdampfer und hinterem Verdampfer geschaltet ist.
  • Vorteilhaft wird die Wärmestrommanagementvorrichtung im Temperaturbereich E bei hohen Umgebungstemperaturen zur aktiven Batteriekühlung derart geschaltet, dass der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in zwei Teilkreisläufen betrieben wird, wobei der erste Teilkreislauf aus dem Chiller, dem Bypass, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe geschaltet ist und der zweite Teilkreislauf aus dem Antriebsstrangkühlmittelradiator, der Kühlmittelpumpe, dem Bypass und dem E-Motorwärmeübertrager geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, dem Bypass mit geöffnetem Absperrventil, dem Umgebungswärmeübertrager und dem Chiller geschaltet ist.
  • Vorteilhaft wird die Wärmestrommanagementvorrichtung im Temperaturbereich D bei milden Umgebungstemperaturen zum sogenannten Reheat und zur passiven Batteriekühlung derart geschaltet, dass der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf aus dem Chiller, dem E-Motorwärmeübertrager, dem Antriebsstrangkühlmittelradiator, der Kühlmittelpumpe, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und dem Heizungswärmeübertrager geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, dem indirekten Kondensator, dem Umgebungswärmeübertrager und dem vorderen Verdampfer geschaltet ist.
  • Vorteilhaft wird die Wärmestrommanagementvorrichtung im Temperaturbereich C bei niedrigen Umgebungstemperaturen zum effizienten Reheat derart geschaltet, dass der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf aus dem Chiller, dem E-Motorwärmeübertrager, dem Bypass, der Kühlmittelpumpe, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und dem Heizungswärmeübertrager geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, dem indirekten Kondensator, dem Expansionsorgan, dem Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer zur Wärmeaufnahme und dem vorderen Verdampfer geschaltet ist.
  • Im Temperaturbereich C bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird vorteilhaft zum effizienten Reheat und zur gleichzeitigen aktiven Batterie- und Antriebsstrangkühlung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf aus dem Chiller, dem E-Motorwärmeübertrager, dem Bypass, der Kühlmittelpumpe, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe geschaltet. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf wird mit der Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und dem Heizungswärmeübertrager geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf wird mit dem Verdichter, dem indirekten Kondensator, dem Expansionsorgan, dem Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer zur Wärmeaufnahme und den parallel geschalteten Chiller und vorderen Verdampfer geschaltet.
  • Im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen wird vorteilhaft zur Kabinenheizung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem E-Motorwärmeübertrager, dem Bypass, der Kühlmittelpumpe und dem Bypass geschaltet. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf wird mit der Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und dem Heizungswärmeübertrager geschaltet und der Kältemittelkreislauf wird mit dem Verdichter, dem indirekten Kondensator, dem Expansionsorgan, dem Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer zur Wärmeaufnahme und dem Chiller geschaltet.
  • Wiederum im Temperaturbereich A und B wird vorteilhaft bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zur Kabinenheizung mit Abwärme der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem Chiller, dem E-Motorwärmeübertrager, dem Bypass, der Kühlmittelpumpe, dem Bypass und der Kühlmittelpumpe geschaltet. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf wird mit der Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und dem Heizungswärmeübertrager geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf wird mit dem Verdichter, dem indirekten Kondensator, dem Expansionsorgan, dem Bypass mit Absperrventil, dem Expansionsorgan und dem Chiller geschaltet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Betriebsweise der Wärmestrommanagementvorrichtung besteht im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zur Kabinenheizung mit Abwärme und Umgebungswärme darin, dass der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem Chiller, dem E-Motorwärmeübertrager, dem Bypass, der Kühlmittelpumpe, einem weiteren Bypass und der Kühlmittelpumpe geschaltet ist. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf wird mit der Kühlmittelpumpe, dem indirekten Kondensator und dem Heizungswärmeübertrager geschaltet und der Kältemittelkreislauf wird mit dem Verdichter, dem indirekten Kondensator, dem Expansionsorgan, dem Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer zur Wärmeaufnahme, dem Expansionsorgan und dem zugehörigen Chiller geschaltet.
  • Im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen wird zur Batterievorkonditionierung mit Abwärme der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem Chiller, dem E-Motorwärmeübertrager, dem Bypass, der Kühlmittelpumpe, dem Batteriekühler und der Kühlmittelpumpe geschaltet.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
    • 1: Schaltbild Wärmestrommanagementvorrichtung,
    • 2: Schaltbild Wärmestrommanagementvorrichtung mit Sensoren,
    • 3: Schaltung bei Fahrzeugkabinen- und aktiver Batteriekühlung,
    • 4: Schaltung bei Fahrzeugkabinenkühlung,
    • 5: Schaltung bei aktiver Batteriekühlung,
    • 6: Schaltung bei Reheat und passiver Batteriekühlung,
    • 7: Schaltung bei effizientem Reheat und Einzelwärmequelle,
    • 8: Schaltung bei effizientem Reheat und Doppelwärmequelle,
    • 9: Schaltung bei Fahrzeugkabinenheizung und Umgebungswärmequelle,
    • 10: Schaltung bei Fahrzeugkabinenheizung und Abwärmequelle,
    • 11: Schaltung bei Fahrzeugkabinenheizung und Umgebungswärmequelle sowie Abwärmequelle,
    • 12: Schaltung bei Batteriekonditionierung mit Abwärmequelle,
    • 13: Schaltbild mit erweiterter Radiatorkapazität,
    • 14: Schaltbild mit internem Kondensator und
    • 15: Diagramm Temperaturbereiche und Betriebsmodus.
  • In 1 ist das vollständige Fließschschema der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 mit allen Kreisläufen, Teilkreisläufen und Vorrichtungskomponenten dargestellt. Die Wärmestrommanagementvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus drei thermisch miteinander gekoppelten aber unabhängig voneinander betreibbaren Kreisläufen, wobei ein Kreislauf wiederum in zwei Teilkreisläufe aufteilbar ist, die auch selbständig und unabhängig voneinander betreibbar sind.
  • Die Wärmestrommanagementvorrichtung 1 besitzt einen Kältemittelkreislauf, der zunächst die üblichen Grundkomponenten aufweist. Das sind insbesondere der Verdichter 2 sowie der Umgebungswärmeübertrager 5 als Kondensator/Gaskühler sowie als Verdampfer die Wärmeübertrager vorderer Verdampfer 10 und hinterer Verdampfer 11 mit den jeweils zugehörigen Expansionsorganen 7 und 8. Als zusätzlicher Verdampfer im Kältemittelkreislauf ist der Chiller 12 mit dem zugehörigen Expansionsorgan 9 zur Kühlung des zweiten Kreislaufes, des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes, vorgesehen. Im Kältemittelkreislauf werden die Kältemitteldampfausgänge der parallel geschalteten Verdampfer 10, 11, 12 vereint, wobei eine Rückschlagklappe 16 zwischen der Verbindung der Kältemitteldampfleitungen vom Chiller 12 mit den Kältemitteldampfleitungen der Verdampfer 10 und 11 angeordnet ist. Dadurch kann der Chiller 12 im Kältemittelkreislauf allein als Verdampfer betrieben werden, ohne dass Kältemittel in die nicht betriebenen Verdampfer 10 und 11 gelangen kann.
  • In die Niederdruckseite der Anlage ist schließlich ein Niederdruck-Sammler 13 dem Verdichter 2 vorgeschaltet ehe der Kreislauf sich schließt. Der Kältemittelkreislauf weist als Besonderheit einen indirekten Kondensator 3 zwischen dem Verdichter 2 und dem Umgebungswärmeübertrager 5 auf, welcher über einen Bypass 34 mit zugehörigem Absperrventil 14 jedoch überbrückbar ausgebildet ist. Der indirekte Kondensator 3 beheizt den zweiten Kreislauf der Wärmestrommanagementvorrichtung 1, den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf, und versorgt damit den Heizungswärmeübertrager 19 mit Wärme zur Beheizung der Luft für die Fahrzeugkabine über ein Frontklimagerät 35. Im Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf ist dazu weiterhin eine Kühlmittelpumpe 17 zur Förderung des Wärmeträgers vorgesehen. Als Wärmeträger dient ein Wasser-Glykol-Gemisch, welches auch gleichzeitig als Kühlmittel für den Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf verwendet werden kann. Im Kältemittelkreislauf ist weiterhin als Besonderheit ein Bypass 6 mit einem Absperrventil vorgesehen, welcher parallel zum Umgebungswärmeübertrager 5 angeordnet ist. Dem Umgebungswärmeübertrager 5 zugeordnet und damit in Kältemittelströmungsrichtung vorgeschaltet ist im Kältemittelkreislauf weiterhin ein Expansionsorgan 4, durch welches der Umgebungswärmeübertrager 5 nach entsprechender Drosselung des Kältemittels in Wärmepumpenschaltung des Kältemittelkreislaufes als Verdampfer zur Aufnahme von Umgebungswärme aus der Umgebungsluft 33 genutzt werden kann. Der absperrbare Bypass 6 weist ein Absperrventil auf und ermöglicht, den Kältemittelkreislauf unter Umgehung des Umgebungswärmeübertragers 5 zu betreiben. Um einen ungewollten Kältemittelrückstrom in den Umgebungswärmeübertrager 5 beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes über den Bypass 6 zu vermeiden ist entsprechend eine Rückschlagklappe 15 vorgesehen. Die Verdampfer 10 und 11 versorgen das Frontklimagerät 35 und das Heckklimagerät 36 jeweils mit Kälte im Kälteanlagenbetrieb beziehungsweise im Reheat-Betrieb. Das Frontklimagerät 35 konditioniert die Luft für die Fahrzeugkabine im Frontbereich. Dazu ist das Frontklimagerät neben dem Verdampfer 10 auch mit dem Heizungswärmeübertrager 19 sowie mit einer zusätzlichen in Luftströmungsrichtung nachgeschalteten Heizeinrichtung 20 ausgestattet. Die Heizeinrichtung 20 ist als Hochvolt-PTC-Heizer ausgeführt und ermöglicht so eine energieeffiziente elektrische zusätzliche Beheizung der Luft für die Fahrzeugkabine.
  • Der dritte Kreislauf der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 ist der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf welcher den Antriebsstrang mit dem E-Motorwärmeübertrager 29 mit Kühlmittel versorgt. Weiterhin ist in den Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf auch der Batteriekühler 25 eingebunden, welcher die Batterien beziehungsweise Akkumulatoren von batteriegetriebenen Fahrzeugen kühlt beziehungsweise konditioniert.
  • In dem Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind diverse Bypässe 21, 23, 30 sowie 31 über 3-Wege-Ventile 27, 24, 26 und 18 integriert. Weiterhin ist ein Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 vorgesehen, der gemeinsam mit dem Umgebungswärmeübertrager 5 durch Umgebungsluft 33 durchströmt und von der Umgebungsluft 33 gekühlt wird. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist in zwei Teilkreisläufe schaltbar, wobei jeder Teilkreislauf eine Kühlmittelpumpe 28 oder 22 aufweist. Die Schaltungsvarianten des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes werden bei der Darstellung der einzelnen Betriebsmodi erläutert.
  • In 2 ist das vorangehend beschriebene Schaltbild der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 um die Darstellung von Sensoren zur Steuerung und Regelung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 ergänzt. Dabei sind im Kältemittelkreislauf drei kombinierte Kältemitteldruck- und Temperatursensoren 39 angeordnet. Ein Kältemitteldruck- und Temperatursensor 39 sitzt zwischen dem Verdichter 2 und dem indirekten Kondensator 3, ein weiterer Kältemitteldruck- und Temperatursensor 39 ist hinter dem Umgebungswärmeübertrager 5 im Kältemittelkreislauf und ein dritter Kältemitteldruck- und Temperatursensor 39 ist nach dem Chiller 12 im Kältemittelkreislauf angeordnet. Weiterhin ist im Kältemittelkreislauf ein Kältemitteltemperatursensor 38 hinter dem vorderen Verdampfer 10 angeordnet. Im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind drei Temperatursensoren vorgesehen. Ein Kühlmitteltemperatursensor 40 ist vor der Kühlmittelpumpe 28 angeordnet. Ein weiterer Kühlmitteltemperatursensor 40 ist vor der Kühlmittelpumpe 22 angeordnet und der dritte Kühlmitteltemperatursensor 40 ist nach dem Chiller 12 im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf angeordnet.
  • Weiterhin sind vier Lufttemperatursensoren 37 in der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 platziert. Der erste Lufttemperatursensor 37 befindet sich in Luftströmungsrichtung nach dem vorderen Verdampfer 10 im Frontklimagerät 35, der zweite Lufttemperatursensor 37 befindet sich am Luftausgang des Frontklimagerätes 35, der dritte Lufttemperatursensor 37 befindet sich nach dem hinteren Verdampfer 11 des Heckklimagerätes 36 und schließlich ist ein vierter Lufttemperatursensor 37 vor dem Eintritt der Umgebungsluft 33 in den Umgebungswärmeübertrager 5 angeordnet.
  • In den nachfolgenden 3 bis 12 sind verschiedene Betriebsmodi der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 als Schaltbild dargestellt. Um die Übersichtlichkeit und Nachvollziehbarkeit zu erhöhen, wurden die Schaltzustände der Expansionsorgane dabei grafisch unterscheidbar gemacht. Ein Expansionsorgan in der Darstellung als ausgefüllter schwarzer Kreis ist ein vollständig geschlossenes Expansionsorgan, welches kein Kältemittel durchlässt. Ein Expansionsorgan in der Darstellung als Kreis mit Kreuz befindet sich in Drosselstellung und ein Expansionsorgan in der Darstellung als leerer Kreis ist vollständig geöffnet und ohne Drosselfunktion.
  • Die aktiven, durchströmten Leitungen für Kältemittel und Kühlmittelbeziehungsweise Wärmeträgerflüssigkeit sind ebenfalls in den Betriebsmodi dargestellt. Aktive durchströmte Kältemittelleitungen sind als dicke Volllinie dargestellt. Aktive durchströmte Wärmeträgerleitungen des Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislaufes sind als Doppellinie mit engem Abstand und aktive durchströmte Kühlmittelleitungen des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes sind als Doppellinie mit weitem Abstand dargestellt. In dem betreffenden Betriebsmodus nicht durchströmte inaktive Leitungen sind als dünne Volllinie dargestellt.
  • In 3 ist die Schaltung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 bei Fahrzeugkabinen- und aktiver Batteriekühlung dargestellt. Dieser Modus ist aktiv, wenn die Umgebungstemperaturen gemäß Temperaturbereich E über 30 Grad Celsius betragen. Eine Übersicht der Temperaturbereiche und Betriebsmodi ist in 15 dargestellt. Im Betriebsmodus der Fahrzeugkabinen- und aktiven Batteriekühlung wird der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 nicht betrieben, so dass der Kältemittelkreislauf im Bypass 34 bei geöffnetem Absperrventil 14 unter Umgehung des indirekten Kondensators 3 nach dem Verdichter 2 geschaltet wird. Das Kältemittelgas strömt vom Verdichter 2 über den Bypass 34 durch das vollständig geöffnete Expansionsorgan 4 zum Umgebungswärmeübertrager 5 und kondensiert dort durch Kühlung mit Umgebungsluft 33. Das flüssige, heiße Kältemittel gelangt nun über die Rückschlagklappe 15 zu den drei als Verdampfer arbeitenden parallel geschalteten Wärmeübertragern 10, 11, 12, wobei der vordere Verdampfer 10 mit zugeordnetem Expansionsorgan 7 die Fahrzeugkabine im Frontbereich in dem Frontklimagerät 35 kühlt und der hintere Verdampfer 11 mit zugeordnetem Expansionsorgan 8 die Luft im Heckklimagerät 36 kühlt. Der Chiller 12 mit zugeordnetem Expansionsorgan 9 kühlt das Kühlmittel im ersten Teilkreislauf des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes mit dem Batteriekühler 25. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist gemäß dem dargestellten Betriebsmodus in zwei Teilkreisläufe unterteilt. Der erste Teilkreislauf, der Batteriekühlkreislauf, ist geschaltet mit dem Chiller 12, dem 3-Wege-Ventil 26 hin zum Bypass 30 über das 3-Wege-Ventil 24 zum Batteriekühler 25 und über die Kühlmittelpumpe 22 zurück zum Chiller 12. Der zweite Teilkreislauf des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes, der Motorkühlkreislauf, verläuft ausgehend von der Kühlmittelpumpe 28 über das 3-Wege-Ventil 27 durch den Bypass 23 zum E-Motorwärmeübertrager 29 über das 3-Wege-Ventil 18 und über den Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 zurück zur Kühlmittelpumpe 28. Im Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 wird die Abwärme des Antriebsstranges, die im E-Motorwärmeübertrager 29 von dem Kühlmittelkreislauf aufgenommen wurde, an die Umgebungsluft 33 abgegeben. Der E-Motorwärmeübertrager 29 steht stellvertretend für über diesen Kühlmittelkreislauf zu kühlende Komponenten, wie den Elektromotor, die Leistungselektronik oder den DC-DC-Lader beispielsweise.
  • Der Kältemittelkreislauf wird nach der Verdampfung des Kältemittels in den Verdampfern 10, 11, 12 über den Niederdruck-Sammler 13 zum Verdichter 2 hin geschlossen .
  • Dieser Betriebsmodus ist vorteilhaft, um neben der aktiven Klimatisierung der Fahrzeugkabine mittels des als Kälteanlage geschalteten Kältemittelkreislaufes die Batterie parallel zur Fahrzeugkabine auch aktiv mit der Kälteanlage zu kühlen. Der Antriebsstrang wird hingegen nicht durch den Kältemittelkreislauf in der Kälteanlagenschaltung, sondern ausschließlich durch die Umgebungsluft 33 passiv gekühlt.
  • In 4 ist die Schaltung bei Fahrzeugkabinenkühlung und gegebenenfalls zusätzlicher Luftkühlung des zweiten Teilkreislaufes des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes geschaltet. Dieser Modus ist alternativ geschaltet, wenn die Umgebungstemperaturen gemäß Temperaturbereich E über 30 Grad Celsius betragen. Der Kältemittelkreislauf ist ähnlich wie im vorangehend beschriebenen Modus geschaltet. Lediglich der dritte Verdampfer, der Chiller 12, wird durch das vollständig geschlossene Expansionsorgan 9 nicht mit Kältemittel versorgt. Der gesamte erste Teilkreislauf des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes wird nicht betrieben. Der zweite Teilkreislauf jedoch gibt auch in diesem Modus die Abwärme des Antriebsstranges vom E-Motorwärmeübertrager 29 über das 3-Wege-Ventil 18 und über den Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 an die Umgebungsluft 33 ab.
  • Der hier beschriebene Modus entspricht dem einer klassischen Fahrzeug-Klimaanlage. Die dem Innenraum des Fahrzeuges zuzuführende Luft, welche auch Umluftanteile enthalten kann, wird heruntergekühlt und getrocknet, um die Innenraumtemperatur des Fahrzeuges herabzusetzen.
  • Im Modus Kabinenkühlung werden nur die Innenraumverdampfer 10 und 11 mit Kältemittel versorgt. Hierbei sorgt das vor dem Verdampfer angeordnete Expansionsorgan für die Entspannung des Kältemittels und für die benötigte Massenstrombegrenzung, je nach Bedarf.
  • In 5 ist der Modus aktive Batteriekühlung dargestellt. In diesem Betriebsmodus sind die beiden Verdampfer 10 und 11 durch vollständig geschlossene Expansionsorgane 7 und 8 vom Kältemittelkreislauf abgesperrt, so dass das flüssige Kältemittel vollständig über das Expansionsorgan 9 entspannt und im Chiller 12 verdampft wird. Damit steht die maximale aktive Kälteleistung des Kältemittelkreislaufes für die Kühlung der Batterie mittels dem Batteriekühler 25 in dem ersten Teilkreislauf des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes zur Verfügung. Parallel zu diesem ersten Teil ist auch der zweite Teilkreislauf des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes geschaltet und die Abwärme des Antriebsstranges wird über den Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 an die Umgebungsluft 33 abgegeben. Auf eine Fahrzeugkabinenkühlung wird insbesondere in kritischen Situationen hinsichtlich der Batterietemperatur verzichtet, um beispielsweise eine maximale Effizienz der Batterienutzung und weiterhin den Schutz der Batterie in kritischen thermischen Situationen zu gewährleisten. Dieser Modus wird zum Beispiel beim Ladebetrieb des Systems an der Ladesäule angewandt.
  • In 6 ist die Schaltung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 im Betriebsmodus Reheat und passive Batteriekühlung dargestellt. Unter dem Modus Reheat wird verstanden, dass die Luft, die der Fahrzeugkabine über das Frontklimagerät 35 zugeleitet wird, zunächst im vorderen Verdampfer 10 abgekühlt und entfeuchtet und nachfolgend im Heizungswärmeübertrager 19 auf die gewünschte Austrittstemperatur aus dem Frontklimagerät 35 erwärmt wird. Dieser Modus ist bei milden Umgebungstemperaturen im Temperaturbereich D erforderlich, um beispielsweise in bestimmten Situationen ein Beschlagen der Windschutzscheibe zu vermeiden. Der Temperaturbereich D erstreckt sich circa von 17 bis 30 Grad Celsius. Die Wärmestrommanagementvorrichtung 1 wird dann mit dem Kältemittelkreislauf derart betrieben, dass das Kältemittel nach der Verdichtung im Verdichter 2 den indirekten Kondensator 3 durchströmt, wo zunächst eine Enthitzung nach der Verdichtung des Kältemittels stattfindet. Dabei ist das Absperrventil 14 geschlossen und der Bypass 24 inaktiv. Die Wärme bei relativ hoher Temperatur wird im indirektem Kondensator 3 auf den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf übertragen und der Wärmeträger, ein Wasser-Glykol-Gemisch, wird mittels der Kühlmittelpumpe 17 über den indirekten Kondensator 3 zum Heizungswärmeübertrager 19 transportiert, wo die Fahrzeugkabinenluft nach Abkühlung und Entfeuchtung im vorderen Verdampfer 10 dann auf die entsprechende gewünschte Temperatur im Frontklimagerät 35 angehoben wird. Die Batterie und der Antriebsstrang werden im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf zwar über den Chiller 12 geführt, welcher jedoch nicht in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist und der somit keine Wärme aufnimmt. Das Kühlmittel wird vom Chiller 12 durch das 3-Wege-Ventil 26 über den E-Motorwärmeübertrager 29 durch das 3-Wege-Ventil 18 zum Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 transportiert, wo die Abwärme der Batterie und des Antriebsstranges an die Umgebungsluft 33 abgegeben werden. Vom Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 strömt das Kühlmittel über die Kühlmittelpumpe 28 über die 3-Wege-Ventile 27, 24 und den Batteriekühler 25 sowie die Kühlmittelpumpe 22 weiter zum Chiller 12, wo der Kreislauf sich schließt.
  • Der Kältemittelkreislauf versorgt im dargestellten Ausführungsmodus gemäß 6 nur den vorderen Verdampfer 10 mit flüssigem Kältemittel, der hintere Verdampfer 11 für das Heckklimagerät 36 und der Chiller 12 sind durch geschlossene Expansionsorgane 9 und 8 jeweils vom Kältemittelkreislauf ausgeschlossen .
  • Die bei der Trocknung der Luft durch Verdampfung des Kältemittels entnommene Wärme wird über die Kondensation im internen Kondensator 3 wieder genutzt, um die Luft wieder auf die Zieltemperatur zu erhitzen.
  • Je nach Außentemperatur kann hierbei der im Front-End des Fahrzeuges angebrachte Umgebungswärmeübertrager 5 in seinem Druckniveau geregelt werden. Komponenten des elektrischen Antriebsstranges, sowie die Fahrbatterie werden passiv per Kühlmittelkreis und Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 gekühlt.
  • 7 zeigt die Schaltung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 im Modus bei effizientem Reheat mit Einzelwärmequelle. Dabei ist der Kältekreislauf mit dem Verdichter 2, dem indirekten Kondensator 3 sowie dem Expansionsorgan 4 mit Drosselfunktion dargestellt. Der Umgebungswärmeübertrager 5 arbeitet nach vorangegangener Drosselung des Kältemittels als Verdampfer im Wärmepumpenmodus des Kältemittelkreises und nimmt von der Umgebungsluft 33 Umgebungswärme zur Verdampfung des Kältemittels auf. Das Kältemittel gelangt zum vorderen Verdampfer 10 und wird zuvor im Expansionsorgan 7 nochmals gedrosselt. Der vordere Verdampfer 10 entfeuchtet somit im Wesentlichen die Luft im Frontklimagerät 35, welche nachfolgend im Heizungswärmeübertrager 19 auf die entsprechend gewünschte Austrittstemperatur erwärmt wird. Der Kältemitteldampf aus dem vorderen Verdampfer 10 wird über den Niederdruck-Sammler 13 dem Verdichter 2 zugeführt, der Kältemittelkreislauf ist geschlossen. Die Kondensation des Kältemittels erfolgt im indirekten Kondensator 3 und die Kondensationswärme wird im Heizstrang-Wärmeträgerkreislauf mittels der Kühlmittelpumpe 17 zum Heizungswärmeübertrager 19 geführt, wo, wie beschrieben, der Luftstrom des Frontklimagerätes 35 entsprechend damit erwärmt wird. Die dargestellte Schaltung findet Anwendung im Temperaturbereich C bei niedrigen Umgebungstemperaturen, welche zwischen 5 und 17 Grad Celsius liegen. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf wird dabei ohne eine weitere äußere Wärmequelle betrieben. Das Kühlmittel zirkuliert durch den E-Motorwärmeübertrager 29 hindurch über das 3-Wege-Ventil 18 und den Bypass 21, die Kühlmittelpumpe 28, die 3-Wege-Ventile 27, 24 und über den Batteriekühler 25 sowie die Kühlmittelpumpe 22 und den Chiller 12 zum E-Motorwärmeübertrager 29. Der Chiller 12 wird in diesem Modus nicht von Kältemittel durchströmt. Somit wird die Abwärme des Antriebsstranges für die Heizung der Batterie genutzt, ohne dass eine zusätzliche Wärmequelle einbezogen wird.
  • In 7 wird im Vergleich zum Modus gemäß 6 der Umgebungswärmeübertrager 5 als Wärmequelle im Bereich zwischen Mitteldruck und Niederdruck betrieben, um die benötigte Energie aufnehmen zu können.
  • In 8 ist eine Schaltung bei effizientem Reheat und Doppelwärmequelle dargestellt. Dieser Modus findet Anwendung im Temperaturbereich C bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Im Unterschied zum Modus nach 7 wird im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf der Batteriekühler 25 nicht betrieben und nicht durchströmt, wohingegen jedoch der Chiller 12 durch Öffnen des Expansionsorgans 9 als Verdampfer betrieben wird. Der Antriebsstrang wird somit aktiv über den E-Motorwärmeübertrager 29 gekühlt und die vom Kältemittelkreislauf aufgenommene Wärme kann über den indirekten Kondensator 3 vom Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf aufgenommen und über den Heizungswärmeübertrager 19 an die Luft für die Kabinenerwärmung abgegeben werden.
  • Im Unterschied zum vorangehend beschriebenen Modus gemäß 7 ist nun der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf derart geschaltet, dass neben der Umgebungswärme auch die Abwärme der elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel des Elektromotors, der Leistungselektronik und des DC-DC Ladegerätes, zur Beheizung der Fahrzeugkabine genutzt wird. Dieser Wärmepumpenmodus ist sehr effizient und erhöht durch geringen Stromverbrauch die Reichweite des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges (EV HEV PHEV).
  • In 9 ist die Schaltung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 bei Fahrzeugkabinenheizung im Wärmepumpenmodus unter Nutzung von Umgebungswärm dargestellt, welche bei kalten und sehr kalten Umgebungstemperaturen in den Temperaturbereichen A und B zwischen minus 20 Grad Celsius und plus 5 Grad Celsius bevorzugt zur Anwendung kommt. Dabei ist der zweite Teilkreislauf des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes mit dem E-Motorwärmeübertrager 29, dem Bypass 21, der Kühlmittelpumpe 28 und dem Bypass 23 geschaltet, so dass keine zusätzliche Wärmequelle zur Temperierung des Antriebsstranges eingesetzt wird. Der Kältemittelkreislauf umfasst den Verdichter 2, den indirekten Kondensator 3 zur Kondensation des Kältemittels und Wärmeauskopplung sowie das Expansionsorgan 4 in Drosselstellung. Das flüssige entspannte Kältemittel gelangt in den Umgebungswärmeübertrager 5, der entsprechend in Wärmepumpenschaltung des Kältemittelkreislaufes bei den genannten Einsatzbedingungen als Verdampfer arbeitet. In diesem Modus werden die Verdampfer 10, 11 des Kältemittelkreislaufes im Frontklimagerät 35 und im Heckklimagerät 36 nicht mit Kältemittel versorgt. Der Chiller 12 wird ungedrosselt durchströmt, so dass Wärme in dieser Schaltung ausschließlich im Umgebungswärmeübertrager 5 aus der Umgebungsluft 33 aufgenommen wird. Die Drosselung und die vollständige Verdampfung des Kältemittels erfolgt im Expansionsorgan 4 und im Umgebungswärmeübertrager 5.
  • Der vorangehend beschriebene Modus entspricht dem Wärmepumpenmodus. Die in den Innenraum des Fahrzeuges eingeblasene Luft wird nicht heruntergekühlt und nicht getrocknet. Stattdessen erwärmt der Heizungswärmeübertrager 19 die Innenraumluft. Um die Wärme dafür bereitzustellen komprimiert der Verdichter 2 gasförmiges Kältemittel auf ein Hochdruckniveau. Dieses wird durch den indirekten Kondensator 3 geführt, der als Kältemittelkondensator fungiert und ein warmes Glykol-Wasser-Gemisch bereitstellt. Im Frontklimagerät 35 gibt die Temperaturklappe den Weg für die Luft durch den Heizungswärmeübertrager 19 frei. Das Kältemittel kondensiert auf Hochdruckniveau und gibt dabei Wärme an den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf ab. Danach gelangt das verflüssigte Kältemittel auf Hochdruckniveau zum je nach Betriebsmodus und je nach Bedarf eingestellten Expansionsorgan 4. Von dort gelangt es auf Niederdruckniveau zum Umgebungswärmeübertrager 5. Hier wird das Kältemittel nun von der flüssigen in die gasförmige Phase mittels Verdampfung ohne Richtungsumkehr des Kältemittelkreislaufes gebracht. Die Wärme wird vollständig aus der Umgebung aufgenommen. Über das Rückschlagventil 15 gelangt nun das Kältemittel zu den weiteren Komponenten.
  • Je nach Außentemperaturbedingungen oder Lufttemperaturen im Innenraum beziehungsweise Kühlbedarf der elektrischen Komponenten können nun die folgenden Expansionsorgane 7, 8, 9 den Massenstrom auf die weiteren Verdampfer 10, 11 beziehungsweis auf den Chiller 12 verteilen.
  • Im speziellen Modus gemäß 9 gelangt das Kältemittel nur durch den Chiller 12, der seinerseits aber Wasser-Glykol-seitig abgesperrt und nicht durchströmt wird. Demnach fungiert der Chiller hier nur als Rohrleitung ohne Verdampferfunktion. Danach gelangt das Kältemittel zum Niederdruck-Sammler 13 und von dort in den Verdichter 2.
  • Das Rückschlagventil 16 sorgt einer möglichen Kältemittelverlagerung in die Verdampfer 10, 11 vor.
  • Der Wärmepumpenmodus ist sehr effizient und erhöht die rein elektrische Reichweite des Fahrzeuges (EV HEV PHEV). Eine Heizeinrichtung 20, als Hochvoltheizer HV-PTC ausgeführt, kann die Erwärmung der Luft im Klimagerät noch weiter unterstützen.
  • In 10 ist die Schaltung bei Fahrzeugkabinenheizung unter Nutzung der Abwärmequelle, wiederum bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zwischen minus 20 Grad Celsius und 5 Grad Celsius, dargestellt.
  • Der Kältemittelkreislauf ist vom Verdichter 2 über den indirekten Kondensator 3 bei geschlossenen Expansionsorgan 4 über den Bypass 6 mit Absperrventil bei Drosselung durch das Expansionsorgan 9 und Verdampfung im Chiller 12 sowie Akkumulation im Niederdruck-Sammler 13 geschaltet. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf nutzt die Kondensationswärme aus dem indirekten Kondensator 3, wobei der Wärmeträger mittels der Kühlmittelpumpe 17 zum Heizungswärmeübertrager 19 transportiert wird. Die Verdampfer 10, 11 der Klimageräte 35, 36 sind nicht aktiv, da die Luft auch ausreichend trocken ist in diesem Temperaturbereich. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf kühlt über den E-Motorwärmeübertrager 29 den Antriebsstrang. Der Kreislauf ist über den Bypass 21, die Kühlmittelpumpe 28 sowie den Bypass 31 und die Kühlmittelpumpe 22 zum Chiller 12 geschlossen und die Abwärme des Antriebsstranges wird über den Chiller 12 dem indirekten Kondensator 3 an den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf abgegeben.
  • Im Gegensatz zum vorherigen Modus gemäß 9 wird hier keine Umgebungswärme aufgenommen, sondern allein der Chiller 12 als Verdampfer zur Wärmeaufnahme für den Kältemittelkreislauf genutzt. Die Abwärme aus dem elektrischen Antriebsstrang reicht hierbei aus, um den Wärmekomfort im Innenraum zu realisieren.
  • In 11 ist die Schaltung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 bei Fahrzeugkabinenheizung unter Nutzung der Umgebungswärme sowie unter Nutzung der Abwärme des Antriebsstranges dargestellt. In dieser Betriebsweise wird im Kältemittelkreislauf bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zwischen minus 20 Grad Celsius und 5 Grad Celsius im Temperaturbereich A und B nach der Kompression des Kältemitteldampfes im Verdichter 2, Kondensation im indirekten Kondensator 3 und Drosselung des Kältemittels im Expansionsorgan 4 der Umgebungswärmeübertrager 5 als Verdampfer zur Energieaufnahme aus der Umgebungsluft 33 genutzt. Im weiteren Verlauf des Kältemittelkreislaufes wird auch der Chiller 12 nach Drosselung des Kältemittels im Expansionsorgan 9 als Verdampfer zur Wärmeaufnahme der Abwärme aus dem Antriebsstrang genutzt. Der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf wird über den Chiller 12, den E-Motorwärmeübertrager 29 sowie über den Bypass 21 und die Kühlmittelpumpe 28 und den Bypass 31 zum Chiller 12 hin betrieben. Im Gegensatz zum Modus gemäß 10 wird nun sowohl Umgebungswärme aus dem Umgebungswärmeübertrager 5 als auch über den Chiller 12 Abwärme aus dem elektrischen Antriebstrang entnommen. Die Batterie wird in diesem Modus nicht gekühlt.
  • In 12 ist die Schaltung der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 bei Batteriekonditionierung mittels der Abwärme aus dem Antriebsstrang in der Anwendung bei sehr kalten bis kalten Umgebungstemperaturen gemäß Temperaturbereich A und B zwischen minus 20 Grad Celsius und 5 Grad Celsius gezeigt. Dabei werden der Kältemittelkreislauf und auch der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf nicht betrieben. Lediglich der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf wird vom E-Motorwärmeübertrager 29 über den Bypass 21, die Kühlmittelpumpe 28 und den Batteriekühler 25 sowie die Kühlmittelpumpe 22 und den Chiller 12 im Kreislauf betrieben. Da jedoch der Kältemittelkreislauf nicht betrieben wird, kühlt der Chiller 12 den Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in dieser Betriebsweise nicht, sondern wird wir nur passiv ohne Wärmeübertragung durchströmt.
  • Der dargestellte Modus dient der Batterievorkonditionierung, hier der Batterievorwärmung, zum Beispiel im Stillstand während des Ladens der Batterie. Elektrische Energie wird in einer Heizeinrichtung innerhalb des Antriebsstranges in Wärme umgewandelt und mittels des Antriebsstrang-Kühlmittelkreislaufes zur Fahrbatterie transferiert.
  • Dieser Modus dient weder dem Aufheizen noch Abkühlen der Innenraumluft.
  • Sollte in einem der vorangegangenen Modi aufgrund einer Fehlfunktion oder aufgrund von Überlastung des Heizmodus der Umgebungswärmeübertrager 5 oberflächlich vereisen, so verliert das Gesamtsystem an Heizleistung. Um dies wieder rückgängig zu machen kann der Kältemittelkreislauf zeitweise im Abtaumodus betrieben werden. Dabei wird der Umgebungswärmeübertrager 5 trotz Heizbedarf des Innenraumes auf ein hohes Druckniveau gebracht. Dort wird mittels Kondensation des Kältemittels im Umgebungswärmeübertrager 5 so viel Wärme an diesen abgegeben, dass die äußerlich ausgebildete Eisschicht abgetaut wird.
  • Die nun folgenden Varianten der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 gemäß 13 und 14 beinhalten die bisher gezeigten Modi und sind durch die Variation in den Komponenten um weitere Modi erweitert.
  • In 13 ist ein Schaltbild mit einer erweiterten Radiatorkapazität dargestellt. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf wird erweitert durch einen Wärmeträgerkühlradiator 41. Dieser wird parallel zum Heizungswärmeübertrager 19 geschaltet, wozu ein 3-Wege-Ventil 42 hinter dem indirekten Kondensator 3 im Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf vorgesehen ist. Somit kann entweder der Wärmeträgerkühlradiator 41 oder der Heizungswärmeübertrager 19 oder beide anteilig betrieben werden.
  • In erster Linie kann jedoch der Wärmeträgerkühlradiator 41 in einem Kühl-Modus zu gesteigerter Kühlleistung und Effizienz beitragen.
  • Eine nicht dargestellte Variante besteht darin, dass ein innerer Wärmeübertrager (IHX), auch Unterkühlungsgegenströmer genannt, in den Kältemittelkreislauf integriert wird. Dies führt zur Reduktion der nötigen Verdichterleistung im Kälteanlagenbetrieb. Weiterhin wird hier die relative Kühlleistung des Innenraumverdampfers im Vergleich zum Chiller zugunsten des Innenraumkomforts ohne baulicher Veränderung des Klimagerätes bewirkt. Der innere Wärmeübertrager erhöht also nochmals den Wirkungsgrad und verlängert weiterhin die rein elektrische Reichweite eine PHEV, HEV, EV durch Reduktion des Leistungsbedarfes des elektrischen Verdichters des Kältemittelkreislaufes.
  • In 14 ist ein Schaltbild mit internem Kondensator dargestellt, welcher auch als Heizungs-Kondensator 43 bezeichnet und über ein 3-Wege-Ventil 44 sowie eine Rückschlagklappe 45 in den Kältemittelkreislauf der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 integriert ist. Der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf ist bei dieser Schaltung ersetzt durch die sich bildende Kältemittelschleife nach dem Verdichter 2 über das 3-Wege-Ventil 44 hin zum Heizungs-Kondensator 43 und über die Rückschlagklappe 45 zum vorangehend beschriebenen Kältemittelkreislauf gemäß 1.
  • Im Heizbetrieb ist die Effizienz durch Wegfall des Aufwandes und der Übertragungsverluste durch den Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf gesteigert.
  • In 15 ist schließlich ein Diagramm mit einer Übersicht über die Temperaturbereiche und die Betriebsmodi der Wärmestrommanagementvorrichtung 1 gezeigt. Dabei sind die Temperaturbereiche beginnend bei A mit dem Temperaturbereich sehr kalte Umgebungstemperaturen von -20°C bis -8°C über den anschließenden Temperaturbereich B, kalte Umgebungstemperaturen bis 5°C, über den Temperaturbereich C mit niedrigen Umgebungstemperaturen bis 17°C hin zum Temperaturbereich D mit milden Umgebungstemperaturen bis 30°C und schließlich zum Temperaturbereich E, der hohe Umgebungstemperaturen von über 30°C entlang einer Temperaturskala dargestellt. Den Temperaturbereichen zuzuordnen ist die Kabinenkonditionierung mit dem Kabinenmodus Heizung F in einem Temperaturbereich zwischen minus 20 Grad Celsius und 5 Grad Celsius. Weiterhin ist der Kabinenmodus Reheat G entsprechend im Temperaturbereich 5 Grad Celsius bis 30 Grad Celsius und der Kabinenbetriebsmodus Kühlung H im Temperaturbereich von über 30 Grad Celsius aufwärts dargestellt. Schließlich werden auch die Batteriebetriebsmodi eingestuft. Der Batteriebetriebsmodus Heizung K wird von minus 20 bis 0 Grad Celsius angewendet. Der Batteriebetriebsmodus Passivkühlung L liegt zwischen 0 Grad Celsius und circa 25 Grad Celsius und der Batteriebetriebsmodus Aktivkühlung M liegt ab 25 Grad Celsius aufwärts.
  • Der Kältemittelkreislauf kann je nach Bedarf zwischen Hochdruck und Niederdruck auf einem Mitteldruckniveau stufenlos geregelt werden, je nachdem ob Wärme in den Kältemittelkreislauf aufgenommen oder abgegeben werden soll. Dies kann feinfühlig geregelt werden, ohne dass zum Beispiel die Temperatur der Innenraumluft merklich absinkt.
  • Die beschriebene und dargestellte Wärmestrommanagementvorrichtung 1, insbesondere in der Wärmepumpenverschaltung, bietet im Vergleich zu bestehenden Wärmepumpen ein enormes Potential an möglichen Betriebsmodi bei vergleichsweise geringem Bedarf an Komponenten, wie Wärmeübertragern und Expansionsorganen. Daher erhöht die Wärmestrommanagementvorrichtung 1 bei vergleichsweise geringem monetären Aufwand die potentielle rein elektrische Reichweite von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie beispielsweise PHEV, HEV und EV deutlich. Dennoch ist das System sehr gut regelbar und kann daher in allen Betriebsmodi und bei allen möglichen Außenbedingungen und Bedarfsfällen optimal operieren, so dass der rein elektrische Verbrauch im Betrieb beim Kunden optimal gestaltet werden kann. Des Weiteren wird gegebenenfalls ein Hochvolt-Wasser-Zuheizer eingesetzt, um wahlweise den Innenraumkomfort zu unterstützen oder die Hochvoltbatterie zu erwärmen. Beides ist bei geringen Außentemperaturen unter Umständen notwendig.
  • Die technischen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bestehen in einem hohen Grad der Abwärmenutzung, wobei die Heizleistung deutlich höher ist, da die Saugdichte durch den höheren Saugdruck höher und somit der Kältemittelmassenstrom größer ist. Ökonomisch ist das System von Vorteil gegenüber Systemen mit elektrischem Zuheizer, da sich Einsparungen gegenüber weitaus komplexeren Kältekreisverschaltungen ergeben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmestrommanagementvorrichtung
    2
    Verdichter
    3
    indirekter Kondensator
    4
    Expansionsorgan
    5
    Umgebungswärmeübertrager
    6
    Bypass mit Absperrventil
    7
    Expansionsorgan
    8
    Expansionsorgan
    9
    Expansionsorgan
    10
    Vorderer Verdampfer
    11
    Hinterer Verdampfer
    12
    Chiller
    13
    Niederdruck-Sammler
    14
    Absperrventil
    15
    Rückschlagklappe
    16
    Rückschlagklappe
    17
    Kühlmittelpumpe
    18
    3-Wege-Ventil
    19
    Heizungswärmeübertrager
    20
    Heizeinrichtung
    21
    Bypass
    22
    Kühlmittelpumpe
    23
    Bypass
    24
    3-Wege-Ventil
    25
    Batteriekühler
    26
    3-Wege-Ventil
    27
    3-Wege-Ventil
    28
    Kühlmittelpumpe
    29
    E-Motorwärmeübertrager
    30
    Bypass
    31
    Bypass
    32
    Antriebsstrangkühlmittelradiator
    33
    Umgebungsluft
    34
    Bypass
    35
    Frontklimagerät
    36
    Heckklimagerät
    37
    Lufttemperatursensor
    38
    Kältemitteltemperatursensor
    39
    Kältemitteldruck- und Temperatursensor
    40
    Kühlmitteltemperatursensor
    41
    Wärmeträgerkühlradiator
    42
    3-Wege-Ventil
    43
    Heizungs-Kondensator
    44
    3-Wege-Ventil
    45
    Rückschlagklappe
    A
    Temperaturbereich sehr kalte Umgebungstemperaturen
    B
    Temperaturbereich kalte Umgebungstemperaturen
    C
    Temperaturbereich niedrige Umgebungstemperaturen
    D
    Temperaturbereich milde Umgebungstemperaturen
    E
    Temperaturbereich hohe Umgebungstemperaturen
    F
    Kabinenbetriebsmodus Heizung
    G
    Kabinenbetriebsmodus Reheat
    H
    Kabinenbetriebsmodus Kühlung
    K
    Batteriebetriebsmodus Heizung
    L
    Batteriebetriebsmodus Passivkühlung
    M
    Batteriebetriebsmodus Aktivkühlung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017/0197488 A1 [0015]

Claims (28)

  1. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) für Kraftfahrzeuge, aufweisend einen Kältemittelkreislauf, einen Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und einen Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf, wobei - der Kältemittelkreislauf einen Verdichter (2), einen indirekten Kondensator (3), ein Expansionsorgan (4), einen Umgebungswärmeübertrager (5), mindestens einen Verdampfer (10, 11) mit zugeordnetem Expansionsorgan (7, 8) und einen Chiller (12) mit zugeordnetem Expansionsorgan (9) aufweist, - der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf eine Kühlmittelpumpe (22), den Chiller (12), einen E-Motorwärmeübertrager (29) und einen Antriebsstrang-Kühlmittelradiator (32) aufweist, - der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf eine Kühlmittelpumpe (17), den indirekten Kondensator (3) und einen Heizungswärmeübertrager (19) aufweist, - wobei der Kältemittelkreislauf und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf direkt über den Chiller (12) thermisch miteinander gekoppelt ausgeführt sind und - wobei der Kältemittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf direkt über den indirekten Kondensator (3) thermisch miteinander gekoppelt ausgeführt sind - und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf nur indirekt über den Kältemittelkreislauf miteinander thermisch gekoppelt sind.
  2. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf parallel zum indirekten Kondensator (3) ein Bypass (34) mit einem Absperrventil (14) angeordnet ist.
  3. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf zwei Verdampfer (10, 11) parallel geschaltet vorgesehen sind, wobei ein vorderer Verdampfer (10) in einem Frontklimagerät (35) und ein hinterer Verdampfer (11) in einem Heckklimagerät (36) angeordnet sind.
  4. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf den Verdampfern (10, 11) separate Expansionsorgane (7, 8) zugeordnet sind.
  5. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf vor dem Verdichter (2) ein Niederdruck-Sammler (13) für Kältemittel angeordnet ist.
  6. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf vor dem Umgebungswärmeübertrager (5) ein Expansionsorgan (4) angeordnet ist.
  7. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf ein Bypass mit Absperrventil (6) parallel zum Umgebungswärmeübertrager (5) und dem Expansionsorgan (4) angeordnet ist.
  8. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf eine zusätzliche Kühlmittelpumpe (28) angeordnet ist.
  9. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein Bypass (21) parallel zum Antriebsstrangkühlmittelradiator (32) angeordnet ist.
  10. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein Bypass (23) parallel zum Bypass (30) angeordnet ist, über den ein Teilkreislauf mit dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Antriebsstrangkühlmittelradiator (32) und der zusätzlichen Kühlmittelpumpe (28) ausbildbar ist.
  11. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein Batteriekühler (25) angeordnet ist.
  12. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf parallel zum Batteriekühler (25) ein Bypass (31) angeordnet ist.
  13. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein Bypass (30) parallel zum Bypass (23) angeordnet ist über den ein Teilkreislauf mit dem Chiller (12), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) ausbildbar ist und der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in zwei separat und unabhängig voneinander betreibbaren Teilkreisläufen betreibbar ausgebildet ist.
  14. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Frontklimagerät (35) neben dem Heizungswärmeübertrager (19) eine zusätzliche Heizeinrichtung (20) angeordnet ist.
  15. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Heizeinrichtung (20) ein PTC-Heizelement im Frontklimagerät (35) angeordnet ist.
  16. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Regeleinrichtung ausgebildet ist, wobei im Kältemittelkreislauf nach dem Verdichter (2), nach dem Umgebungswärmeübertrager (5) und nach dem Chiller (12) jeweils ein Kältemitteldruck- und Temperatursensor (39) angeordnet ist und im Kältemittelkreislauf nach dem Verdampfer (10) ein Kältemitteltemperatursensor (38) angeordnet ist und im Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf vor der Kühlmittelpumpe (28), vor der Kühlmittelpumpe (22) und nach dem Chiller (12) jeweils ein Kühlmitteltemperatursensor (40) angeordnet ist und im Luftstrom nach dem vorderen Verdampfer (10), nach der Heizeinrichtung (20), nach dem hinteren Verdampfer (11) und vor dem Umgebungswärmeübertrager (5) ein Lufttemperatursensor (37) angeordnet ist.
  17. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf ein Wärmeträgerkühlradiator (41) über ein 3-Wege-Ventil (42) parallel zum Heizungswärmeübertrager (19) angeordnet ist.
  18. Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf nach dem Verdichter (2) ein Heizungskondensator (43) in einer über ein 3-Wege-Ventil (44) absperrbaren Leitungsschleife seriell zum Umgebungswärmeübertrager (5) schaltbar angeordnet ist.
  19. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich E bei hohen Umgebungstemperaturen zur Kabinen- und aktiven Batteriekühlung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in zwei Teilkreisläufen betrieben wird, wobei der erste Teilkreislauf aus dem Chiller (12), dem Bypass (30), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der zweite Teilkreislauf aus dem Antriebsstrangkühlmittelradiator (32), der Kühlmittelpumpe (28), dem Bypass (23) und dem E-Motorwärmeübertrager (29) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem Bypass (34) mit geöffnetem Absperrventil (14), dem Umgebungswärmeübertrager (5) und den parallel geschalteten Chiller (12), vorderer Verdampfer (10) und hinterer Verdampfer (11) geschaltet ist.
  20. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich E bei hohen Umgebungstemperaturen zur Kabinenkühlung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem erstem Teilkreislauf aus dem Chiller (12), dem Bypass (30), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem Bypass (34) mit geöffnetem Absperrventil (14), dem Umgebungswärmeübertrager (5) und den parallel geschalteten vorderem Verdampfer (10) und hinterem Verdampfer (11) geschaltet ist.
  21. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich E bei hohen Umgebungstemperaturen zur aktiven Batteriekühlung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in zwei Teilkreisläufen betrieben wird, wobei der erste Teilkreislauf aus dem Chiller (12), dem Bypass (30), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der zweite Teilkreislauf aus dem Antriebsstrangkühlmittelradiator (32), der Kühlmittelpumpe (28), dem Bypass (23) und dem E-Motorwärmeübertrager (29) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem Bypass (34) mit geöffnetem Absperrventil (14), dem Umgebungswärmeübertrager (5) und dem Chiller (12) geschaltet ist.
  22. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich D bei milden Umgebungstemperaturen zum Reheat und zur passiven Batteriekühlung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf aus dem Chiller (12), dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Antriebsstrangkühlmittelradiator (32), der Kühlmittelpumpe (28), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe (17), dem indirekten Kondensator (3) und dem Heizungswärmeübertrager (19) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem indirekten Kondensator (3), dem Umgebungswärmeübertrager (5) und dem vorderen Verdampfer (10) geschaltet ist.
  23. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich C bei niedrigen Umgebungstemperaturen zum effizienten Reheat der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf aus dem Chiller (12), dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Bypass (21), der Kühlmittelpumpe (28), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe (17), dem indirekten Kondensator (3) und dem Heizungswärmeübertrager (19) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem indirekten Kondensator (3), dem Expansionsorgan (4), dem Umgebungswärmeübertrager (5) als Verdampfer zur Wärmeaufnahme und dem vorderen Verdampfer (10) geschaltet ist.
  24. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich C bei niedrigen Umgebungstemperaturen zum effizienten Reheat und zur aktiven Batterie- und Antriebsstrangkühlung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf aus dem Chiller (12), dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Bypass (21), der Kühlmittelpumpe (28), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe (17), dem indirekten Kondensator (3) und dem Heizungswärmeübertrager (19) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem indirekten Kondensator (3), dem Expansionsorgan (4), dem Umgebungswärmeübertrager (5) als Verdampfer zur Wärmeaufnahme und den parallel geschalteten Chiller (12) und vorderen Verdampfer (10) geschaltet ist.
  25. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zur Kabinenheizung der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Bypass (21), der Kühlmittelpumpe (28) und dem Bypass (23) geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe (17), dem indirekten Kondensator (3) und dem Heizungswärmeübertrager (19) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem indirekten Kondensator (3), dem Expansionsorgan (4), dem Umgebungswärmeübertrager (5) als Verdampfer zur Wärmeaufnahme und dem Chiller (12) geschaltet ist.
  26. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zur Kabinenheizung mit Abwärme der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem Chiller (12), dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Bypass (21), der Kühlmittelpumpe (28), dem Bypass (31) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe (17), dem indirekten Kondensator (3) und dem Heizungswärmeübertrager (19) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem indirekten Kondensator (3), dem Expansionsorgan (4), dem Bypass mit Absperrventil (6), dem Expansionsorgan (9) und dem Chiller (12) geschaltet ist.
  27. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zur Kabinenheizung mit Abwärme und Umgebungswärme der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem Chiller (12), dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Bypass (21), der Kühlmittelpumpe (28), dem Bypass (31) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist und der Heizungsstrang-Wärmeträgerkreislauf mit der Kühlmittelpumpe (17), dem indirekten Kondensator (3) und dem Heizungswärmeübertrager (19) geschaltet ist und der Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter (2), dem indirekten Kondensator (3), dem Expansionsorgan (4), dem Umgebungswärmeübertrager (5) als Verdampfer zur Wärmeaufnahme, dem Expansionsorgan (9) und dem Chiller (12) geschaltet ist.
  28. Verfahren zum Betreiben einer Wärmestrommanagementvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich A und B bei sehr kalten und kalten Umgebungstemperaturen zur Batterievorkonditionierung mit Abwärme der Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf mit dem Chiller (12), dem E-Motorwärmeübertrager (29), dem Bypass (21), der Kühlmittelpumpe (28), dem Batteriekühler (25) und der Kühlmittelpumpe (22) geschaltet ist.
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