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Die Erfindung betrifft ein kühlmittelführendes Temperiersystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf kühlmittelführende Temperiersysteme für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge. Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge weisen einen elektrischen Antriebsstrang auf, welcher üblicherweise eine elektrische Antriebseinheit mit zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine und einen elektrischen Traktionsspeicher für die Versorgung der elektrischen Antriebseinheit aufweist. Das Temperiersystem dient dabei der Durchführung diverser Temperieraufgaben im Kraftfahrzeug, d.h. der Zufuhr oder Abfuhr von Wärme von diversen Fahrzeugkomponenten. Für einen optimalen Betrieb des Kraftfahrzeugs sind die Temperierung des Traktionsspeichers sowie die Kühlung der elektrischen Antriebseinheit von besonderer Bedeutung. Zum Temperieren, also zum Heizen und Kühlen des Hochvoltspeichers, und zum Kühlen der Antriebseinheit sind diese in der Regel in Temperierkreise des Temperiersystems eingebunden. Diese können, zum Bereitstellen der unterschiedlichen Temperieraufgaben miteinander verschaltet werden. Dazu sind üblicherweise eine Vielzahl von Temperiersystem-Komponenten, beispielsweise Ventileinrichtungen, Schläuche und Pumpen, nötig.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein komponentenreduziertes Temperiersystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Temperiersystem sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes kühlmittelführendes Temperiersystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug weist einen ersten Temperierkreiszweig, an welchen eine Umgebungskühleinheit angeschlossen ist, und einen zweiten Temperierkreiszweig, an welchen eine elektrische Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, auf. Der erste und der zweite Temperierkreiszweig sind zum Kühlen der Antriebseinheit mittels der Umgebungskühleinheit miteinander verschaltbar. Außerdem weist das Temperiersystem einen dritten Temperierkreiszweig, an welchen ein elektrischer Traktionsspeicher zur Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit angeschlossen ist, auf. Eine Steuereinrichtung des Temperiersystems ist zum Kühlen des Traktionsspeichers mittels der Umgebungskühleinheit dazu ausgelegt, den dritten Temperierkreiszweig parallel zu dem zweiten Temperierkreiszweig an den ersten Temperierkreiszweig zu schalten und während des Kühlens der Antriebseinheit eine erste Strömungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des zweiten Temperierkreiszweiges vorzugeben. Zum Heizen des Traktionsspeichers mittels einer Verlustwärme der Antriebseinheit ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den zweiten und den dritten Temperierkreiszweig zu verschalten und während des Heizens des Traktionsspeichers eine zur ersten Strömungsrichtung entgegengesetzte zweite Strömungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des zweiten Temperierkreiszweiges vorzugeben.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Temperiersystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug weist einen elektrischen Antriebsstrang auf, welcher den Traktionsspeicher und die Antriebseinheit umfasst. Der wiederaufladbare elektrische Traktionsspeicher bzw. die Traktionsbatterie kann beispielsweise als ein Hochvoltakkumulator ausgebildet sein. Die Antriebseinheit weist beispielsweise zumindest eine elektrische Antriebsmaschine bzw. Traktionsmaschine und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Inverter, auf.
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Das Temperiersystem ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Das Temperiersystem ist dabei in unterschiedlichen Temperiermodi, also unterschiedlichen Heizmodi und unterschiedlichen Kühlmodi, betreibbar. Die unterschiedlichen Temperiermodi werden von der Steuereinrichtung des Temperiersystems bereitgestellt, indem die Temperierkreiszweige zu unterschiedlichen Temperierkreisen, also Kühlkreisen und Heizkreisen, verschaltet bzw. fluidisch gekoppelt werden. Die jeweiligen Temperierkreise sind zur Zirkulation eines Kühlmittels ausgebildet und weisen hierzu insbesondere entsprechende Leitungen auf. Das Kühlmittel ist vorzugsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch. Das Temperiersystem kann zusätzlich einen Kältekreis aufweisen, welcher zur Zirkulation eines Kältemittels ausgebildet ist und fluidisch von den Temperierkreisen getrennt bzw. entkoppelt ist, jedoch thermisch mit den Temperierkreisen koppelbar ist.
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Beispielsweise sind der erste Temperierkreiszweig und der zweite Temperierkreiszweig in einem ersten Umgebungskühlmodus zum Kühlen der Antriebseinheit über die Umgebungskühleinheit zu einem ersten Kühlkreis verschaltbar. Die Umgebungskühleinheit weist zumindest einen Umgebungskühler auf, welcher zum Wärmetausch mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Die Verschaltung zu dem ersten Kühlkreis kann dabei dauerhaft oder temporär, beispielsweise über eine Ventileinrichtung, ausgebildet sein. In diesem ersten Umgebungskühlmodus wird die Verlustwärme bzw. Abwärme der Antriebseinheit mittels des in dem ersten Kühlkreis zirkulierenden Kühlmittels an die Umgebungskühleinheit transportiert, welche die Verlustwärme an die Umgebung abgibt.
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Außerdem können der erste Temperierkreiszweig und der dritte Temperierkreiszweig in einem zweiten Umgebungskühlmodus zum Kühlen des Traktionsspeichers über die Umgebungskühleinheit zu einem zweiten Kühlkreis verschaltet werden. In dem zweiten Kühlkreis zirkuliert Kühlmittel, welches die Abwärme des Traktionsspeichers zu der Umgebungskühleinheit transportiert. In dem zweiten Umgebungskühlmodus kann zusätzlich zu dem Traktionsspeicher die Antriebseinheit gekühlt werden, indem der zweite und der dritte Temperierkreiszweig parallel zueinander an den ersten Temperierkreiszweig geschaltet werden. Somit werden der zweite und der dritte Temperierkreiszweig parallel von dem Kühlmittel durchströmt, welches über die Umgebungskühleinheit des ersten Temperierkreiszweiges gekühlt wird.
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Beispielsweise kann das Temperiersystem so ausgebildet sein, dass der Traktionsspeichers zum Kühlen nur in den zweiten Kühlkreis eingebunden ist und somit nur über die Umgebungskühleinheit gekühlt werden kann. Ein solches Temperiersystem ist besonders einfach ausgebildet und dann besonders vorteilhaft, wenn aufgrund der Ausgestaltung des Traktionsspeichers keine hohen Kühlleistungen gefordert werden. Eine solche Ausgestaltung des Traktionsspeichers kann beispielsweise durch bestimmte Batteriezellen erreicht werden, die bei höheren Betriebstemperaturen betreibbar sind. Auch ist ein solches Temperiersystem besonders vorteilhaft, wenn durch die Umgebungskühleinheit ein guter Wärmeübergang bereitgestellt werden kann, sodass eine Kühlung des Traktionsspeichers über die Umgebungskühleinheit ausreicht.
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Zum Bereitstellen eines Verlustwärme-Heizmodus zum Beheizen des Traktionsspeichers mittels der Verlustwärme der Antriebseinheit werden der zweite Temperierkreiszweig und der dritte Temperierkreiszweig unter Ausbildung eines ersten Heizkreises verschaltet bzw. fluidisch gekoppelt. In dem Heizkreis zirkuliert Kühlmittel, welches die Verlustwärme der Antriebseinheit zu dem Traktionsspeicher transportiert. Das Heizen des Traktionsspeichers mittels der Verlustwärme der Antriebseinheit ist besonders vorteilhaft, da so auf einen separaten Zuheizer in dem dritten Temperierkreiszweig verzichtet werden kann. Dabei kehrt die Steuereinrichtung die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem in den ersten Heizkreis eingebundenen zweiten Temperierkreiszweig im Vergleich zu dem in den ersten Kühlkreis eingebundenen zweiten Temperierkreiszweig um. Dazu kann vorgesehen sein, dass der erste Temperierkreiszweig eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare erste Pumpeinrichtung zum Bereitstellen der ersten Strömungsrichtung in dem zweiten Temperierkreiszweig aufweist und der dritte Temperierkreiszweig eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare zweite Pumpeinrichtung zum Bereitstellen der zweiten Strömungsrichtung in dem zweiten Temperierkreiszweig aufweist. Wenn der zweite Temperierkreiszweig also in den ersten Kühlkreis eingebunden ist, wird die erste Pumpeinrichtung aktiviert und das Kühlmittel entlang der ersten Strömungsrichtung gefördert. Wenn der zweite Temperierkreiszweig in den ersten Heizkreis eingebunden ist, wird die zweite Pumpeinrichtung aktiviert und das Kühlmittel entlang der zweiten Strömungsrichtung gefördert.
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Durch die Strömungsrichtungsumkehr in dem zweiten Temperierkreiszweig können in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Temperiermodi mit nur wenigen Temperier-Komponenten, beispielweise mit nur zwei Pumpeinrichtungen, bereitgestellt werden.
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Der dritte Temperierkreiszweig weist insbesondere eine von der Steuereinrichtung steuerbare erste Ventileinrichtung auf, über welche der dritte Temperierkreiszweig an den ersten Temperierkreiszweig und/oder den zweiten Temperierkreiszweig anschließbar ist. Im Falle, dass der erste und der zweite Temperierkreiszweig dauerhaft verschaltet sind, ist die erste Ventileinrichtung eine Zweiwege-Ventileinrichtung, mittels welcher der dritte Temperierkreiszweig parallel zu dem zweiten Temperierkreiszweig an den ersten Temperierkreiszweig geschaltet werden kann. Für den Fall, dass der erste und der zweite Temperierkreiszweig entkoppelt werden können, kann die erste Ventileinrichtung als eine Dreiwege-Ventileinrichtung ausgebildet sein. Die erste Ventileinrichtung ist insbesondere stromauf des Kühlmittels vor dem Traktionsspeicher angeordnet, sodass der dritte Temperierkreiszweig eingangsseitig, also stromauf des Traktionsspeichers, mit dem ersten und/oder dem zweiten Temperierkreiszweig verschaltbar ist. Ausgangsseitig, also stromab des Traktionsspeichers, kann der dritte Temperierkreiszweig dauerhaft mit dem ersten und dem zweiten Temperierkreiszweig verschaltet sein. Vorzugsweise ist die erste Ventileinrichtung als eine Proportionalventileinrichtung ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, über die Proportionalventileinrichtung einen Kühlmittelfluss über den dritten Temperierkreiszweig zu steuern. Mittels der Proportionalventileinrichtung kann insbesondere im zweiten Umgebungskühlmodus das Kühlmittel beliebig auf den zweiten und den dritten Temperierkreiszweig aufgeteilt werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zum Beheizen des Traktionsspeichers mit der Verlustwärme der Antriebseinheit dazu ausgelegt ist, zumindest eine Komponente der Antriebseinheit zum Erhöhen einer von der Antriebseinheit bereitgestellten Heizleistung in einem verlustwärmeerhöhenden Betriebsmodus zu betreiben. Die Steuereinrichtung kann also eine Verlustwärme der zumindest einen Komponente, beispielsweise der zumindest einen Antriebsmaschine und/oder der Leistungselektronik, bewusst erhöhen, indem sie die zumindest eine Komponente in dem ineffizienten, verlustwärmeerhöhenden Betriebsmodus betreibt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das kühlmittelführende Temperiersystem einen vierten Temperierkreiszweig auf, an welchen einen Chiller zum Kühlen des Traktionsspeichers angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung ist also dazu ausgelegt, einen Chiller-Kühlmodus zum Kühlen des Traktionsspeichers bereitzustellen. Insbesondere wird der Chiller-Kühlmodus während eines Schnellladevorgangs des Traktionsspeichers mit einer Ladeleistung von mehr als 35 kW, insbesondere von mehr als 100 kW, oder während der Fahrt des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Durch den Chiller kann gegebenenfalls eine höhere Kühlleistung bereitgestellt werden als durch die Umgebungskühleinheit. Das Vorsehen des Chillers ist also dann besonders vorteilhaft, wenn Betriebsmodi des Traktionsspeichers auftreten, welche eine hohe Kühlleistung fordern, und/oder eine Ausgestaltung des Traktionsspeichers eine hohe Kühlleistung erfordert und/oder der durch die Umgebungskühleinheit bereitgestellte Wärmeübergang nicht ausreichend zum alleinigen Kühlen des Traktionsspeichers über die Umgebungskühleinheit ist. Der Chiller-Kühlmodus kann auch parallel zu bzw. gemeinsam mit dem zweiten Umgebungskühlmodus bereitgestellt werden, sodass der Traktionsspeicher mit Kühlmittel gekühlt wird, welches ein Gemisch aus den Kühlmitteln des Chillers und der Umgebungskühleinheit aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform des Temperiersystems kann vorgesehen sein, dass der vierte Temperierkreiszweig parallel zu dem zweiten Temperierkreiszweig an den dritten Temperierkreiszweig anschließbar ist. Durch das Verschalten des dritten und des vierten Temperierkreiszweiges kann ein dritter Kühlkreis gebildet werden, in welchem Kühlmittel von dem Chiller zu dem Traktionsspeicher und zurück zum Chiller fließt. Zum Bereitstellen des Chiller-Kühlmodus für den Traktionsspeicher kann die Steuereinrichtung beispielsweise die zweite Pumpeinrichtung aktivieren, welche das Kühlmittel in dem dritten Kühlkreis fördert. Beispielsweise können der dritte und der vierte Temperierkreiszweig über ein Zweiwege-Ventil verschaltet werden. Alternativ dazu kann die erste Ventileinrichtung zum Verschalten des dritten Temperierkreiszweiges mit dem ersten und/oder dem zweiten Temperierkreiszweig auch ein Dreiwege-Ventil aufweisen, über welches der dritte Temperierkreiszweig auch mit dem vierten Temperierkreiszweig verschaltbar ist. Über das Dreiwege-Ventil kann das aus dem ersten oder zweiten Temperierkreis stammende Kühlmittel beliebig auf den dritten und den vierten Temperierkreiszweig aufgeteilt werden, sodass der dritte und der vierte Temperierkreiszweig, welche ausgangsseitig mit dem ersten und/oder dem zweiten Temperierkreiszweig fluidisch gekoppelt sind, parallel durchstrombar sind.
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Alternativ dazu kann der vierte Temperierkreiszweig seriell zu der elektrischen Antriebseinheit geschaltet sein. Auch kann vorgesehen sein, dass der vierte Temperierkreiszweig parallel zu einem Bypassstück des zweiten Temperierkreiszweiges geschaltet ist, wobei die Parallelschaltung aus dem vierten Temperierkreiszweig und dem Bypassstück an die elektrische Antriebseinheit angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung ist zum Kühlen der Antriebseinheit und des Traktionsspeichers mittels des Chillers dazu ausgelegt, den vierten Temperierkreiszweig, die Antriebseinheit des zweiten Temperierkreiszweiges und den dritten Temperierkreiszweig seriell zu verschalten und die zweite Strömungsrichtung in dem zweiten Temperierkreiszweig über die Antriebseinheit bereitzustellen. Der vierte Temperierkreiszweig oder die Parallelschaltung aus dem vierten Temperierkreiszweig und dem Bypassstück befindet sich dabei insbesondere stromauf der elektrischen Antriebseinheit und stromab des Traktionsspeichers. Zum Bereitstellen des Chiller-Kühlmodus wird hier also ein fünfter Kühlkreis aus dem Abschnitt des zweiten Temperierkreiszweiges, welcher die Antriebseinheit aufweist, dem vierten Temperierkreiszweig mit dem Chiller und dem dritten Temperierkreiszweig mit dem Traktionsspeicher gebildet. In dem Chiller-Kühlmodus über den fünften Kühlkreis erfolgt eine Strömungsrichtungsumkehr in dem zweiten Temperierkreiszweig, sodass in dem fünften Kühlkreis Kühlmittel derart gefördert wird, dass das Kühlmittel von dem Chiller entlang der zweiten Strömungsrichtung zu der Antriebseinheit und von dort aus zu dem Traktionsspeicher fließt. Das optionale Bypassstück wird insbesondere zum Bereitstellen des ersten Umgebungskühlmodus in den ersten Kühlkreis zum Kühlen der Antriebseinheit über die Umgebungskühleinheit eingebunden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das kühlmittelführende Temperiersystem einen Klimakreis zum Klimatisieren einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs auf, wobei die Steuereinrichtung zum Heizen des Traktionsspeichers mittels Wärme aus dem Klimakreis dazu ausgelegt ist, den Klimakreis und den dritten Temperierkreiszweig zu verschalten. Der Klimakreis kann einen fünften Temperierkreiszweig und einen sechsten Temperierkreiszweig aufweisen. In dem fünften Temperierkreiszweig können eine Heizeinrichtung zum Heizen der Fahrgastzelle und ein Heizungswärmetauscher zum Wärmetausch mit der Fahrgastzelle angeordnet sein. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise ein elektrischer Durchlauferhitzer (EDH) sein. Der fünfte Temperierkreiszweig des Klimakreises und der dritte Temperierkreiszweig können unter Ausbildung eines zweiten Heizkreises zum Heizen des Traktionsspeichers mittels der Wärme des Klimakreises miteinander verschaltet werden. So kann von der Steuereinrichtung ein Klimakreis-Heizmodus bereitgestellt werden, bei welchem in dem zweiten Heizkreis Kühlmittel zirkuliert, welches Wärme aus dem Klimakreis in den dritten Temperierkreiszweig transportiert. Zum Fördern des Kühlmittels kann die Steuereinrichtung beispielsweise die zweite Pumpeinrichtung aktivieren. Durch das Mitnutzen der Heizeinrichtung und/oder des Heizungswärmetauschers des Klimakreises zum Heizen des Traktionsspeichers steht in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Wärmequellen zum Beheizen des Traktionsspeichers zur Verfügung. Der erste Heizkreis und der zweite Heizkreis können dabei gemeinsam zum Heizen des Traktionsspeichers verwendet werden, indem der Verlustwärme-Heizmodus und der Klimakreis-Heizmodus parallel zueinander bzw. gleichzeitig von der Steuereinrichtung bereitgestellt werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zum Kühlen der Fahrgastzelle über die Umgebungskühleinheit dazu ausgelegt ist, den Klimakreis und den ersten Temperierkreiszweig verschalten. Es kann also ein dritter Umgebungskühlmodus bereitgestellt werden, indem der Klimakreis und der erste Temperierkreiszweig zu einem vierten Kühlkreis verschaltet werden. Beispielsweise kann so die Wärme, welche der Heizungswärmetauscher aus der Fahrgastzelle aufnimmt, an die Umgebungskühleinheit abgeführt werden. Der dritte Umgebungskühlmodus kann beispielsweise als eine Standklimatisierung im Stillstand des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung zum Heizen der Fahrgastzelle über die Verlustwärme der Antriebseinheit dazu ausgelegt, den Klimakreis und den zweiten Temperierkreiszweig zu verschalten und dabei die zweite Strömungsrichtung in den zweiten Temperierkreiszweig bereitzustellen. Es kann also ein Verlustwärme-Heizmodus zum Heizen der Fahrgastzelle bereitgestellt werden, indem der Klimakreis und der zweite Temperierkreiszweig zu einem dritten Heizkreis verschaltet werden. Die Verlustwärme der Antriebseinheit kann dabei über den Heizungswärmetauscher des Klimakreises in die Fahrgastzelle zum Heizen der Fahrgastzelle transportiert werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Klimakreis einen Kondensator auf, welcher mit dem Chiller des vierten Temperierkreiszweiges eine Wärmepumpe ausbildet. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Wärmpumpe zum Transportieren von Wärme aus dem vierten Temperierkreiszweig in den Klimakreis zu aktivieren. Über die Wärmepumpe sind der vierte Temperierkreiszweig und der Klimakreis, insbesondere über den Kältekreis, thermisch koppelbar, ohne dabei fluidisch gekoppelt zu werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, zum Heizen der Fahrgastzelle mit Wärme aus dem vierten Temperierkreiszweig die Wärmepumpe zu aktivieren und die in den Klimakreis übertragene Wärme mittels des Heizungswärmetauschers des Klimakreises in die Fahrgastzelle zu transportieren.
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Beispielsweise ist die Steuereinrichtung zum Transportieren einer durch die Umgebungskühleinheit bereitgestellten Wärme in den vierten Temperierkreiszweig dazu ausgelegt, den ersten und den vierten Temperierkreiszweig zu verschalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung zum Transportieren einer durch die Antriebseinheit bereitgestellten Wärme in den vierten Temperierkreiszweig den vierten und den zweiten Temperierkreiszweig. Auch kann die Steuereinrichtung zum Transportieren einer durch den Traktionsspeicher bereitgestellten Wärme den dritten und den vierten Temperierkreiszweig verschalten. Die Wärme wird also über das Kühlmittel in den vierten Temperierkreisabschnitt zu dem Chiller transportiert, welcher die Wärme an den Kondensator des Klimakreises übermittelt. Die Wärmepumpenbetriebsmodi können dabei parallel zu bzw. gemeinsam mit dem Verlustwärme-Heizmodus des Traktionsspeichers über die Antriebsmaschine bereitgestellt werden, indem das aus dem ersten und dem zweiten Temperierkreiszweig stammende Kühlmittel auf den dritten und den vierten Temperierkreiszweig aufgeteilt wird.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Temperiersystem vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Temperiersystems für ein Kraftfahrzeug mit unterschiedlichen Temperiermodi;
- 2 die erste Ausführungsform des Temperiersystems mit weiteren Temperiermodi; und
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Temperiersystems.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Temperiersystems 1 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Temperiersystem 1 weist einen ersten Temperierkreiszweig A1, einen zweiten Temperierkreiszweig A2 und einen dritten Temperierkreiszweig A3 auf. An den ersten Temperierkreiszweig A1 ist eine Umgebungskühleinheit 2 angeschlossen, welche hier einen Umgebungskühler 3 sowie einen Lüfter 4 aufweist. An den zweiten Temperierkreiszweig A2 ist eine elektrische Antriebseinheit 5 des Kraftfahrzeugs angeschlossen, welche hier eine elektrische Antriebsmaschine 6 sowie eine Leistungselektronik 7 aufweist. An den dritten Temperierkreiszweig A3 ist ein Traktionsspeicher 8 angeschlossen, welcher beispielsweise als ein Hochvoltspeicher ausgebildet ist und elektrische Energie für die Antriebseinheit 5 bereitstellt. Der erste Temperierkreiszweig A1 und der zweite Temperierkreiszweig A2 sind hierzu einem ersten Kühlkreis K1 zum Kühlen der Antriebseinheit 5 verschaltet, in welchem ein Kühlmittel zum Abführen der Verlustwärme der Antriebseinheit 5 an die Umgebungskühleinheit 2 zirkuliert. Zum Fördern des Kühlmittels ist an den ersten Temperierkreiszweig A1 eine erste Pumpeinrichtung P1 angeschlossen.
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Der dritte Temperierkreiszweig A3 ist über eine erste Ventileinrichtung V1 an den ersten Temperierkreiszweig A1 und den zweiten Temperierkreiszweig A2 schaltbar. Die erste Ventileinrichtung V1 ist von einer Steuereinrichtung 9 des Temperiersystems 1 steuerbar. Die erste Ventileinrichtung V1 ist hier zwischen einen ersten Knotenpunkt Z1 des Temperiersystems 1, an welchem die Temperierkreiszweige A1, A2, A3 miteinander verschaltet sind, und den Traktionsspeicher 8 geschaltet. Auch an einem zweiten Knotenpunkt Z2 des Temperiersystems 1 sind die Temperierkreiszweige A1, A2, A3 miteinander verschaltet.
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Die Steuereinrichtung 9 kann mehrere Temperiermodi zum Temperieren diverser Komponenten des Temperiersystems 1 bereitstellen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 9 mehrere Umgebungskühlmodi bereitstellen. Zum Bereitstellen eines ersten Umgebungskühlmodus zum Kühlen der Antriebseinheit 5 entkoppelt die Steuereinrichtung 9 den dritten Temperierkreiszweig A3 und der ersten Knotenpunkt Z1 durch Schließen der ersten Ventileinrichtung V1 fluidisch und aktiviert die erste Pumpeinrichtung P1 des ersten Temperierkreiszweiges A1. Außerdem ist hier eine zweite Ventileinrichtung V2 in dem ersten Temperierkreiszweig A1 angeordnet, über welche der erste Temperierkreiszweig A1 und der zweite Knotenpunkt Z2 fluidisch gekoppelt werden. Das Kühlmittel fließt also ausgehend von der Umgebungskühleinheit 2 in dem ersten Temperierkreiszweig A1 zu dem den ersten Knotenpunkt Z1, von dort aus in dem zweiten Temperierkreiszweig A2 über die Antriebseinheit 5 zu dem zweiten Knotenpunkt Z2, und von dort aus in dem ersten Temperierkreiszweig A1 zurück zu der Umgebungskühleinheit 2.
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In einem zweiten Umgebungskühlmodus wird alternativ oder zusätzlich zu der Antriebseinheit 5 der Traktionsspeicher 8 gekühlt, indem die Steuereinrichtung 9 den ersten Temperierkreiszweig A1 und den dritten Temperierkreiszweig A2 zu einem zweiten Kühlkreis K2 verschaltet. Dazu koppelt die Steuereinrichtung 9 den dritten Temperierkreiszweig A3 und der ersten Knotenpunkt Z1 über die erste Ventileinrichtung V1 fluidisch und aktiviert die erste Pumpeinrichtung P1 und/oder eine zweite Pumpeinrichtung P2 in dem dritten Temperierkreiszweig. Das Kühlmittel fließt nun in dem ersten Temperierkreiszweig A1 ausgehend von der Umgebungskühleinheit 2 zu dem ersten Knotenpunkt Z1, kann sich dort auf den zweiten Temperierkreiszweig A2 und den dritten Temperierkreiszweig A3 aufteilen, fließt durch den zweiten Temperierkreiszweig A2 und den dritten Temperierkreiszweig A3 zu dem zweiten Knotenpunkt Z2 und von dort aus wieder in dem ersten Temperierkreiszweig A1 zurück zur Umgebungskühleinheit 2. Die erste Ventileinrichtung V1 ist insbesondere eine Proportionalventileinrichtung, sodass eine Aufteilung des Kühlmittels auf den zweiten Temperierkreiszweig A2 und den dritten Temperierkreiszweig A3 einstellbar ist.
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In den Umgebungskühlmodi ist der erste Knotenpunkt Z1 stromab der Umgebungskühleinheit 2 und stromauf der Antriebseinheit 5 sowie stromauf des Traktionsspeichers 8 angeordnet und der zweite Knotenpunkt Z1 ist stromauf der Umgebungskühleinheit 2 und stromab der Antriebseinheit 5 sowie stromab des Traktionsspeichers 8 angeordnet. Das Kühlmittel fließt also in dem zweiten Temperierkreiszweig A2 entlang einer ersten Strömungsrichtung von dem ersten Knotenpunkt Z1 über die Antriebseinheit 5 in Richtung des zweiten Knotenpunkts Z2.
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Außerdem ist die Steuereinrichtung 9 dazu ausgelegt, einen Verlustwärme-Heizmodus für den Traktionsspeicher 8 bereitzustellen. Dazu verschaltet sie den zweiten Temperierkreiszweig A2 und den dritten Temperierkreiszweig A2 über die erste Ventileinrichtung V1 zu einem ersten Heizkreis H1. Die zweite Ventileinrichtung V2 kann von der Steuereinrichtung 9 zum Entkoppeln des ersten Temperierkreiszweiges A1 von dem zweiten Knotenpunkt Z2 geöffnet werden. Außerdem aktiviert die Steuereinrichtung 9 die zweite Pumpeinrichtung P2 in dem dritten Temperierkreiszweig A3 zum Fördern des Kühlmittels in dem ersten Heizkreis H1. Dabei fließt das Kühlmittel, welches eine Verlustwärme der Antriebseinheit 5 transportiert, von der Antriebseinheit 5 innerhalb des zweiten Temperierkreiszweiges A2 zu dem ersten Knotenpunkt Z1, von dort aus innerhalb des dritten Temperierkreiszweiges A3 über den Traktionsspeicher 8 zu dem zweiten Knotenpunkt Z2 und von dort aus zurück innerhalb des zweiten Temperierkreiszweiges A2 zu der Antriebseinheit 5. Das Kühlmittel fließt also innerhalb des zweiten Temperierkreiszweiges A2 in einer zur ersten Strömungsrichtung entgegengesetzten zweiten Strömungsrichtung, sodass in dem ersten Heizkreis H1 der erste Knotenpunkt Z1 stromab der Antriebseinheit 5 und stromauf des Traktionsspeichers 8 angeordnet ist und der zweite Knotenpunkt Z2 stromab des Traktionsspeichers 8 und stromauf der Antriebseinheit 5 angeordnet ist. In dem dritten Temperierkreiszweig A3 ist hier ein erstes Rückschlagventil RS1 angeordnet, sodass der dritte Temperierkreiszweig A3 nur in einer Richtung durchströmbar ist. Mittels der ersten Ventileinrichtung V1 und den zwei Pumpeinrichtungen P1, P2 können durch die Steuereinrichtung 9 eine Vielzahl von Temperiermodi bereitgestellt werden. Die Antriebseinheit 5 kann außerdem von der Steuereinrichtung 9 in einem verlustwärmeerhöhenden Betriebsmodus betrieben werden, sodass eine zum Heizen des Traktionsspeichers 8 zur Verfügung stehende Heizleistung erhöht werden kann.
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Das Temperiersystem 1 weist außerdem einen vierten Temperierkreiszweig A4 auf, an welchen ein Chiller 10 angeschlossen ist und welcher hier an den dritten Temperierkreiszweig A3 anschließbar ist. Dazu ist die erste Ventileinrichtung V1 hier als ein Dreiwege-Ventil ausgebildet. Alternativ dazu könnte die erste Ventileinrichtung V1 auch zwei Zweiwege-Ventile aufweisen, von welchen ein erstes Zweiwege-Ventil in dem dritten Temperierkreiszweig A3 und ein zweites Zweiwege-Ventil in dem vierten Temperierkreiszweig A4 angeordnet ist. Die Steuereinrichtung 9 ist dazu ausgelegt, einen Chiller-Kühlmodus bereitzustellen, indem sie den dritten Temperierkreiszweig A3 und den vierten Temperierkreiszweig A4 mittels der ersten Ventileinrichtung V1 zu einem dritten Kühlkreis K3 verschaltet und die zweite Pumpeinrichtung P2 aktiviert. Dadurch zirkuliert Kühlmittel in dem dritten Kühlkreis K3 und wird über den Chiller 10 zum Abführen der Wärme des Traktionsspeichers 8 gekühlt. Im Falle, dass der Traktionsspeicher 8 stark gekühlt werden soll, kann die Steuereinrichtung 9 den Chiller-Kühlmodus und den zweiten Umgebungskühlmodus gleichzeitig bereitstellen, sodass der Traktionsspeicher 8 über den Chiller 10 und die Umgebungskühleinheit 2 gekühlt wird. Dazu wird mittels der ersten Ventileinrichtung V1 kühles Kühlmittel aus dem ersten Temperierkreiszweig A1 und dem vierten Temperierkreiszweig A4 gemischt und dem dritten Temperierkreiszweig A3 zugeführt. Die starke Kühlung des Traktionsspeichers 8 kann beispielsweise während der Fahrt des Kraftfahrzeugs oder während des Schnellladens des Traktionsspeichers 8 mit hohen Ladeleistungen bereitgestellt werden.
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Das Temperiersystem 1 weist außerdem einen Klimakreis 11 auf, welcher einen fünften Temperierkreiszweig A5 und einen sechsten Temperierkreiszweig A6 aufweist. Bei Aktivierung einer dritten Pumpeinrichtung P3 des Klimakreises 11 kann Kühlmittel zum Temperieren einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs in dem Klimakreis 11 zirkulieren. An den fünften Temperierkreiszweig A5 sind eine Heizeinrichtung 12 zum Beheizen einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs, ein Heizungswärmetauscher 13 zum Temperieren der Fahrgastzelle sowie ein zweites Rückschlagventil RS2 angeschlossen. An den sechsten Temperierkreiszweig A6 sind ein Kondensator 14 sowie ein optionales drittes Rückschlagventil RS3 angeschlossen. Der Klimakreis 11 ist über die zweite Ventileinrichtung V2, welche ebenfalls als ein Dreiwege-Ventil ausgebildet ist, an den ersten Temperierkreiszweig A1 und den dritten Temperierkreiszweig A3 anschließbar.
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Die Steuereinrichtung 9 kann einen Heizeinrichtungs-Heizmodus für den Traktionsspeicher 8 bereitstellen, indem sie den dritten Temperierkreiszweig A3 und den fünften Temperierkreiszweig A5 zu einem zweiten Heizkreis H2 zusammenschließt. Der zweite Heizkreis H2 ist der Übersichtlichkeit halber in 2 dargestellt, welcher das Temperiersystem 1 gemäß 1 zeigt. Dazu wird der dritte Temperierkreiszweig A3 über die erste Ventileinrichtung V1 mit dem ersten Knotenpunkt Z1 fluidisch gekoppelt und der fünfte Temperierkreiszweig A5 über die zweite Ventileinrichtung V2 mit dem zweiten Knotenpunkt Z2 fluidisch gekoppelt. Außerdem wird die zweite Pumpeinrichtung P2 aktiviert. Dabei fließt Kühlmittel, welches eine Wärme der Heizeinrichtung 12 und/oder des Heizungswärmetauschers 13 transportiert, in dem fünften Temperierkreiszweig A5 zu dem ersten Knotenpunkt Z1 und von dort aus innerhalb des dritten Temperierkreiszweiges A3 über den Traktionsspeicher 8 zu dem zweiten Knotenpunkt Z2. Von dort aus fließt das Kühlmittel über die zweite Ventileinrichtung V2 zurück in den fünften Temperierkreiszweig A5.
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Außerdem kann die Steuereinrichtung 9 zum Kühlen der Fahrgastzelle über die Umgebungskühleinheit 2 den Klimakreis 11 und den ersten Temperierkreiszweig A1 zu einen vierten Kühlkreis K4 verschalten. So kann beispielsweise Wärme, welche über den Heizungswärmetauscher 13 aus der Fahrgastzelle abgeführt wurde, über die Umgebungskühleinheit 2 an die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgeführt werden.
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Auch kann die Steuereinrichtung 9 Wärmepumpen-Temperiermodi bereitstellen. Dazu kann die Steuereinrichtung 9 eine aus dem Chiller 10 und dem Kondensator 14 gebildete Wärmepumpe 15 aktivieren. Dadurch kann Wärme über den Chiller 10 aus dem vierten Temperierkreiszweig A4 in den Klimakreis 11, beispielsweise zum Heizen der Fahrgastzelle, transportiert werden. Die Wärme kann beispielsweise von der Antriebseinheit 5 in Form von Verlustwärme bereitgestellt werden und zu dem Chiller 10 transportiert werden. Dazu kann ein Verlustwärme-Wärmepumpenmodus WP1 bereitgestellt werden, indem in dem zweiten Temperierkreiszweig A2 von der Steuereinrichtung 9 wieder die Strömungsrichtungsumkehr des Kühlmittels bereitgestellt wird, sodass das die Verlustwärme der Antriebseinheit 5 transportierende Kühlmittel über die erste Ventileinrichtung V1 in den vierten Temperierkreiszweig A4 zu dem Chiller 10 transportiert wird. Außerdem kann in einem Umgebungs-Wärmepumpenmodus WP2 Wärme aus der Umgebung über die Umgebungskühleinheit 2 aufgenommen werden und mittels des Kühlmittels über den ersten Temperierkreiszweig A1 und den vierten Temperierkreiszweig A4 zu dem Chiller 10 transportiert werden. Das aus dem zweiten Temperierkreiszweig A2 stammende Kühlmittel kann über die erste Ventileinrichtung V1 auch zum Bereitstellen des Verlustwärme-Wärmepumpenmodus WP1 und des Verlustwärme-Heizmodus für den Traktionsspeicher 8 auf den dritten Temperierkreiszweig A3 und den vierten Temperierkreiszweig A4 aufgeteilt werden. Der Verlustwärme-Wärmepumpenmodus WP1 und der Verlustwärme-Heizmodus können also parallel zueinander bzw. gleichzeitig bereitgestellt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Temperiersystems 1. Das Temperiersystem 1 gemäß 3 unterscheidet sich von dem Temperiersystem 1 gemäß 1 und 2 unter anderem dadurch, dass die zweite Ventileinrichtung V2 durch drei Zweiwege-Ventile gebildet ist, der sechste Temperierkreiszweig A6 kein Rückschlagventil aufweist, die erste Ventileinrichtung V1 durch ein Zweiwege-Ventil gebildet ist und der vierte Temperierkreiszweig A4 mit dem Chiller 10 parallel zu einem Bypassstück 16 des zweiten Temperierkreiszweiges A2 geschaltet ist. Wenn nun die Steuereinrichtung 9 den Chiller-Kühlmodus für den Traktionsspeicher 8 bereitstellt, so wird ein fünfter Kühlkreis K5 gebildet, welcher den vierten Temperierkreiszweig A4, den dritten Temperierkreiszweig A3 und die Abschnitte des zweiten Temperierkreiszweiges A2 ohne das Bypassstück 16 umfasst. Dazu wird wiederum die Strömungsrichtung in dem zweiten Temperierkreiszweig A2 umgekehrt und das Kühlmittel fließt ausgehend vom Chiller 10 über die Antriebseinheit 5 in dem zweiten Temperierkreiszweig A2 zu dem ersten Knotenpunkt Z1 und von dort aus über die geöffnete Ventileinrichtung V1 und den Traktionsspeicher 8 in dem dritten Temperierkreiszweig A3 zu dem zweiten Knotenpunkt Z2. Von dem zweiten Knotenpunkt Z2 aus fließt das Kühlmittel in dem vierten Temperierkreiszweig A4 zurück zum Chiller 10. Hier wird in dem Chiller-Kühlmodus zusätzlich die elektrische Antriebseinheit 5 gekühlt. Beim Heizen des Traktionsspeichers 8 mittels der Verlustwärme der Antriebseinheit 5 wird wiederum der erste Heizkreis H1 gebildet, indem das Bypassstück 16 des zweiten Temperierkreiszweiges A2 verwendet wird. Auch beim Kühlen der Antriebseinheit 5 mittels der Umgebungskühleinheit 2 wird das Bypassstück 16 verwendet, um den ersten Kühlkreis K1 zu bilden. Das Temperiersystem 1 gemäß 3 ist zum Bereitstellen der unterschiedlichen Temperiermodi einfacher ausgebildet, als das Temperiersystem 1 gemäß 1 und 3. Beispielsweise können kürzere Leitungslängen in dem vierten Temperierkreiszweig A4 gemäß 3 verwendet werden als in dem vierten Temperierkreiszweig gemäß 1 und 2. Außerdem ist die erste Ventileinrichtung V1 gemäß 3 einfacher ausgebildet als die erste Ventileinrichtung V1 gemäß 1 und 2.
