DE102019201866A1 - Refrigerant circuit in a vehicle with a battery to be cooled - Google Patents

Refrigerant circuit in a vehicle with a battery to be cooled Download PDF

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Abstract

Es wird Kältemittelkreislauf (1) vorgeschlagen mit einem Verdichter (5), mit einem Kondensator (2) und getrennten Kühlkreisläufen (8, 9) mit jeweils einem Expansionsventil (6) sowie jeweils einem Verdampfer (3a, 3b) für unterschiedliche Kühlkreisläufe (8, 9), wobei die unterschiedlichen Kühlkreisläufe (8, 9) eingangsseitig vor den Expansionsventilen (6) voneinander getrennt und über einen Ausgang eines Vorverdichters (4) wieder miteinander verbunden sind und der Vorverdichter (4) einen ersten Eingang für den Massenstrom (10) eines ersten Verdampfers (3a), sowie einen zweiten Eingang für den Massenstrom (11) eines zweiten Verdampfers (3b) aufweist.A refrigerant circuit (1) is proposed with a compressor (5), with a condenser (2) and separate cooling circuits (8, 9), each with an expansion valve (6) and an evaporator (3a, 3b) for different cooling circuits (8, 9), the different cooling circuits (8, 9) being separated from one another on the inlet side in front of the expansion valves (6) and being reconnected to one another via an outlet of a pre-compressor (4) and the pre-compressor (4) having a first input for the mass flow (10) of a first evaporator (3a), and a second inlet for the mass flow (11) of a second evaporator (3b).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, mit einem Kondensator und mit mindestens einem Expansionsventil, sowie Verdampfern für unterschiedliche Teilkühlkreise.The invention relates to a refrigerant circuit with a compressor, with a condenser and with at least one expansion valve, as well as evaporators for different partial cooling circuits.

Stand der TechnikState of the art

In Fahrzeugen werden Akkumulatoren, im Folgenden als Batterien bezeichnet, als wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie eingesetzt.In vehicles, accumulators, referred to below as batteries, are used as rechargeable stores for electrical energy.

Neben der Verwendung als Starterbatterie verfügen Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen über Traktionsakkumulatoren zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs.In addition to being used as a starter battery, electric and hybrid electric vehicles have traction accumulators for the electric drive of the vehicle.

Beispielsweise kann während der Bremsvorgänge des Fahrzeugs zurückgewonnene Energie umgewandelt und gespeichert werden. Die Batterien sind im Allgemeinen sehr temperaturempfindlich und sollten beim Laden und Entladen in einem engen Temperaturbereich betrieben werden. Insbesondere sollte die beim Betreiben der Batterie entstehende und freigesetzte Wärme abgeführt werden, da es sonst zu einer starken thermischen Belastung der Batteriezellen kommt, die zu einer nachhaltigen Schädigung führen kann. Daher ist regelmäßig eine Kühlung der Batterien notwendig, um deren Überhitzung zu vermeiden.For example, energy recovered during braking of the vehicle can be converted and stored. The batteries are generally very temperature sensitive and should be operated within a narrow temperature range when charging and discharging. In particular, the heat generated and released during operation of the battery should be dissipated, otherwise the battery cells will be exposed to severe thermal stress, which can lead to lasting damage. It is therefore necessary to cool the batteries regularly to prevent them from overheating.

Aus der DE 10 2017 205 081 A1 ist eine Batteriekühlung bekannt, wobei das Kondensat einer im Fahrzeug, z. B. zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums, vorhandenen Klimaanlage zur Batteriekühlung verwendet wird. Dieses Kondensat, z. B. in Form von Kondenswasser, wird dann nicht mehr ungenutzt an die Umgebung abgegeben.From the DE 10 2017 205 081 A1 a battery cooling is known, the condensate of an in the vehicle, z. B. is used to cool the vehicle interior, existing air conditioning system for battery cooling. This condensate, e.g. B. in the form of condensation, is then no longer released into the environment unused.

Aus der DE 10 2012 004 008 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem über einen Kältekreislauf ein Innenraum des Fahrzeugs und ein elektrischer Energiespeicher temperiert werden kann. Dabei wird ein Verdampfer eingesetzt.From the DE 10 2012 004 008 A1 a method is known in which an interior of the vehicle and an electrical energy store can be temperature-controlled via a refrigeration circuit. An evaporator is used for this.

Im Stand der Technik liegen auch Konzepte vor, bei denen ein erster Verdampfer für die Kühlung einer Komponente im Fahrzeug, z.B. eines Handschuhfaches oder eben einer Batterie verwendet wird und ein zweiter Verdampfer zur Innenraumtemperierung des Fahrzeugs ausgelegt ist.There are also concepts in the prior art in which a first evaporator is used for cooling a component in the vehicle, e.g. a glove box or a battery is used and a second evaporator is designed for interior temperature control of the vehicle.

Wenn man zwei so unterschiedliche Temperieraufgaben wahrnehmen muss, ist es sinnvoll die Kühlkreisläufe, bzw. die Druckniveaus in den Kreisläufen unterschiedlich auszulegen. Allerdings möchte man auch keine zwei getrennten Kreisläufe mit getrennten Komponenten aus Platz- und Kostengründen betreiben.If you have to perform two very different temperature control tasks, it makes sense to design the cooling circuits or the pressure levels in the circuits differently. However, one does not want to operate two separate circuits with separate components for reasons of space and cost.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache, kostengünstige und umweltschonende Möglichkeit zur optimalen Kühlung einer Batterie sowie dem Betrieb der Klimaanlage in einem Fahrzeug anzugeben.The object of the invention is therefore to provide a simple, inexpensive and environmentally friendly option for optimally cooling a battery and operating the air conditioning system in a vehicle.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, mit einem Kondensator und getrennten Kühlkreisläufen mit jeweils einem Expansionsventil sowie jeweils einem Verdampfer für unterschiedliche Kühlkreise, wobei die unterschiedlichen Kühlkreise eingangsseitig vor den Expansionsventilen voneinander getrennt und über einen Ausgang eines Vorverdichters wieder miteinander verbunden sind. Dieser Vorverdichter weist einen ersten Eingang für den Massenstrom eines ersten Verdampfers, sowie einen zweiten Eingang für den Massenstrom eines zweiten Verdampfers auf.The object is achieved with a refrigerant circuit with a compressor, with a condenser and separate cooling circuits, each with an expansion valve and an evaporator for different cooling circuits, the different cooling circuits being separated from one another on the inlet side in front of the expansion valves and being reconnected via an outlet of a pre-compressor. This supercharger has a first input for the mass flow of a first evaporator and a second input for the mass flow of a second evaporator.

Durch die Trennung der Kühlkreisläufe und ihre Verbindung über einen Vorverdichter wird die Anzahl der Bauteile in den Kühlkreisläufen optimiert, da nur ein einziger Verdichter verwendet wird. Die Effizienz des Kühlkreislauf wird durch die Anpassung der Druckverhältnisse im Vorverdichter optimiert.By separating the cooling circuits and connecting them via a pre-compressor, the number of components in the cooling circuits is optimized, since only a single compressor is used. The efficiency of the cooling circuit is optimized by adjusting the pressure conditions in the pre-compressor.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind dabei mindestens zwei Kühlkreise verbunden.In an advantageous embodiment, at least two cooling circuits are connected.

Es sind kaskadierenden Kühlkreisläufe denkbar, die jeweils über einen Punkt der Trennung und eine Vorverdichtung miteinander verbunden sind.Cascading cooling circuits are conceivable, each of which is connected to one another via a point of separation and a pre-compression.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Vorverdichter eine Radialströmungsmaschine.In an advantageous embodiment, the supercharger is a radial flow machine.

Weiterhin besitzt der Vorverdichter einen Ausgang für einen kombinierten Massenstrom zum Verdichter.Furthermore, the pre-compressor has an output for a combined mass flow to the compressor.

Es ist dabei vorteilhaft, dass der Vorverdichter als T-Stück für die Verbindung der Kühlkreisläufe dient.It is advantageous that the pre-compressor serves as a T-piece for connecting the cooling circuits.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt eine erste erfinderische Ausführungsform, 1 shows a first inventive embodiment,
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, 2 shows a second embodiment,
  • 3 zeigt einen Druckanpasser. 3 shows a pressure adjustor.

Um Schnellladungen für Batterien umsetzen zu können, müssen die Batterien sehr effizient gekühlt werden.In order to be able to implement quick charges for batteries, the batteries must be cooled very efficiently.

Ein Fahrzeug, das für die Schnellladung vorgesehen ist, besitzt daher zwei Verdampfer im Kühlkreislauf. Der erste Verdampfer wird dabei nur für die Batteriekühlung eingesetzt, der parallel dazu angeordneter zweite Verdampfer für die Innenraumtemperierung.A vehicle that is intended for rapid charging therefore has two evaporators in the Cooling circuit. The first evaporator is only used for battery cooling, while the second evaporator, which is arranged in parallel, is used for interior temperature control.

Um den energetischen Erfordernissen gerecht zu werden, arbeiten die beiden Verdampfer auf unterschiedlichen Druckniveaus.In order to meet the energy requirements, the two evaporators work at different pressure levels.

Beispielsweise arbeitet der erste Verdampfer für die Batteriekühlung bei einen höheren Druck p1, um die hohe Kühlleistung für den Abwärmestrom der Batterien aufbringen zu können. Der zweite Verdampfer für die Klimaanlage dagegen arbeitet bei einem etwas geringeren Druck p2.For example, the first evaporator for battery cooling works at a higher pressure p1 in order to be able to generate the high cooling capacity for the waste heat flow of the batteries. The second evaporator for the air conditioning system, on the other hand, works at a slightly lower pressure p2.

Um Bauteile zu optimieren, besitzt das Fahrzeug nur einen gemeinsamen Kältemittelverdichter für beide Kühlmittelströme, womit eine gemeinsamer Eingangsdruck am Verdichter für beide Verdampfermassenströme vorliegt.In order to optimize components, the vehicle only has one common refrigerant compressor for both coolant flows, which means that there is a common inlet pressure on the compressor for both evaporator mass flows.

Die resultierende Kühlleistung des Kältekreislaufes ist damit zu gering.The resulting cooling capacity of the cooling circuit is therefore too low.

Hubraumgrößere Kältemittelverdichter wären eine Lösung, sind allerdings nicht auf dem Markt vorhanden. Zudem wären sie größer und würden in den vorhandenen Einbauraum nicht passen.Larger displacement refrigerant compressors would be a solution, but are not available on the market. In addition, they would be larger and would not fit into the existing installation space.

Um das Problem zu lösen, wird eine Vorverdichter verwendet, der den Druck des Massenstroms aus dem zweiten Verdampfer auf das Druckniveau des ersten Verdampfers anhebt.To solve the problem, a supercharger is used which increases the pressure of the mass flow from the second evaporator to the pressure level of the first evaporator.

In den 1 und 2 sind schematisch solche Kältemittelkreise dargestellt. Dabei gehen diese Kältemittelkreise von Standardkältemittelkreisen aus.In the 1 and 2 such refrigerant circuits are shown schematically. These refrigerant circuits are based on standard refrigerant circuits.

Der Kältekreislauf des Kältemittels beginnt, indem der Verdichter 5 gasförmiges Kältemittel ansaugt und verdichtet. Aufgrund des hohen Drucks erhitzt sich das gasförmige Kältemittel und wird zur Kühlung durch den Kondensator 2 geleitet. Dieser ist normalerweise in der Fahrzeugfront verbaut und mit Zusatzlüftern ausgestattet, um auch bei einem stehenden Fahrzeug das Kältemittelgas abzukühlen. Durch diese Kühlung verflüssigt sich das Kältemittel wieder, steht aber weiterhin unter hohem Druck. Der Hochdruckmassenstrom liegt an einem Expansionsventil 6 an. Das flüssige Kältemittel passiert diese enge Bohrung, um sich im Anschluss innerhalb eines Verdampfer 3b zu entspannen und wieder in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen. Für diesen Prozess wird Wärme benötigt, die der am Verdampfer vorbeiströmenden Innenluft entzogen wird. Die nunmehr kältere Luft wird wieder in den Innenraum des Autos geleitet. Der Verdampfer 3b fungiert also als Wärmetauscher und ist normalerweise im Gebläsekasten hinter der Instrumententafel verbaut. Der Verdichter 5 saugt im Anschluss das gasförmige Kältemittel erneut an und der Kreislauf schließt sich.The refrigerant refrigerant cycle begins by the compressor 5 sucks in gaseous refrigerant and compresses it. Due to the high pressure, the gaseous refrigerant heats up and is used for cooling by the condenser 2 directed. This is usually installed in the front of the vehicle and equipped with additional fans in order to cool the refrigerant gas even when the vehicle is stationary. This cooling causes the refrigerant to liquefy again, but is still under high pressure. The high pressure mass flow is applied to an expansion valve 6 on. The liquid refrigerant passes through this narrow hole in order to be subsequently inside an evaporator 3b to relax and go back to the gaseous state. For this process, heat is required, which is extracted from the internal air flowing past the evaporator. The now colder air is directed back into the interior of the car. The evaporator 3b So it functions as a heat exchanger and is normally installed in the blower box behind the instrument panel. The compressor 5 Then sucks in the gaseous refrigerant again and the cycle closes.

Dieser Kreislauf ist sowohl in 1 als auch in 2 als innerer Kreislauf 8 dargestellt. Der Verdampfer ist ein zweiter Verdampfer 3b, der für die Klimatisierung des Innenraums verwendet wird. Mit der zusätzlichen Aufgabe, eine Batterie effizient kühlen zu wollen, wird der Kreislauf an einem Punkt 7 zur Trennung verzweigt, und der Hochdruckmassenstrom aus dem Kondensator 2 auf zwei Expansionsventile 6 geleitet.This cycle is in both 1 as well as in 2 as an inner cycle 8th shown. The evaporator is a second evaporator 3b that is used for air conditioning the interior. With the additional task of wanting to cool a battery efficiently, the cycle becomes at one point 7th branched for separation, and the high pressure mass flow from the condenser 2 on two expansion valves 6 directed.

Dadurch entsteht ein paralleler äußerer Kreislauf 9, der einen ersten Verdampfer 3a und einen Vorverdichter 4 enthält.This creates a parallel external cycle 9 having a first vaporizer 3a and a supercharger 4th contains.

Der Unterschied zwischen den beiden Anschlussmöglichkeiten in den beiden 1 und 2 besteht darin, dass in 1 der Vorverdichter 4 vor dem Eingang des zweiten Verdampfers 3b in den inneren Kreislauf 8 eingebunden ist, in der 2 dagegen der Vorverdichter 4 ausgangsseitig des zweiten Verdampfers 3b verbaut ist.The difference between the two connection options in the two 1 and 2 is that in 1 the pre-compressor 4th in front of the inlet of the second evaporator 3b in the inner cycle 8th is included in the 2 on the other hand the pre-compressor 4th on the outlet side of the second evaporator 3b is installed.

Als Vorverdichter 4 wird beispielsweise eine Radialströmungsmaschine, wie in 3 dargestellt, oder eine Flügelzellenpumpe, ein Rollkolbenverdichter oder ein Scrollverdichter verwendet. Der Massestrom 10 des ersten Verdampfers 3a wird nach dem Ejektorprinzip in den Diffusor des Vorverdichters 4 eingeleitet. Der Massenstrom 11 des zweiten Verdampfers wird zentral in den Vorverdichter eingeleitet. Die beiden Massenströme vereinigen sich in einem kombinierten, ausgangsseitigen Massenstrom 12. Dadurch wird das Kältemittel in einer gemeinsamen Leitung zum Verdichter 5 geführt und der Wirkungsgrad des Kältekreises 8 ,9 wird erhöht. Durch den geringen zu erbringenden statischen Druck des Vorverdichters kann der Wirkungsgrad des Hauptverdichters dank des kleinen Druckverhältnisses erhöht werden, da hier im Stufenprinzip eine Druckanpassung erfolgt.As a pre-compressor 4th for example, a radial flow machine as in 3 shown, or a vane pump, a rotary piston compressor or a scroll compressor is used. The mass flow 10 of the first evaporator 3a is based on the ejector principle in the diffuser of the pre-compressor 4th initiated. The mass flow 11 of the second evaporator is fed centrally into the pre-compressor. The two mass flows combine in a combined, output-side mass flow 12th . This means that the refrigerant is in a common line to the compressor 5 and the efficiency of the refrigeration circuit 8th , 9 is increased. Due to the low static pressure to be provided by the pre-compressor, the efficiency of the main compressor can be increased thanks to the small pressure ratio, since the pressure is adjusted here using the step principle.

Die Radialströmungsmaschine weist zwei Eingangsstutzen und einen Ausgangsstutzen auf und kann somit an einer geeigneten Einbaustelle als T-Stück zwischen den beiden Kühlkreisläufen 8,9 dienen.The radial flow machine has two inlet connections and one outlet connection and can thus serve as a T-piece between the two cooling circuits 8, 9 at a suitable installation point.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
22
Kondensatorcapacitor
3a3a
erster Verdampferfirst evaporator
3b3b
zweiter Verdampfersecond evaporator
44th
DruckanpasserPressure adjusters
55
Kompressorcompressor
6 6
Expansion-VentileExpansion valves
77th
PunktPoint
88th
innerer Kreislaufinner cycle
99
äußerer Kreislaufexternal circuit
1010
Massenstrom des ersten VerdampfersMass flow rate of the first evaporator
1111
Massenstrom des zweiten VerdampfersMass flow of the second evaporator
1212th
kombinierter Massenstromcombined mass flow
1313th
Gehäusecasing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102017205081 A1 [0005]DE 102017205081 A1 [0005]
  • DE 102012004008 A1 [0006]DE 102012004008 A1 [0006]

Claims (4)

Kältemittelkreislauf (1) mit einem Verdichter (5), mit einem Kondensator (2) und getrennten Kühlkreisläufen (8, 9) mit jeweils einem Expansionsventil (6) sowie jeweils einem Verdampfer (3a, 3b) für unterschiedliche Kühlkreisläufe (8, 9), wobei die unterschiedlichen Kühlkreisläufe (8, 9) eingangsseitig vor den Expansionsventilen (6) voneinander getrennt und über einen Ausgang eines Vorverdichters (4) wieder miteinander verbunden sind und der Vorverdichter (4) einen ersten Eingang für den Massenstrom (10) eines ersten Verdampfers (3a), sowie einen zweiten Eingang für den Massenstrom (11) eines zweiten Verdampfers (3b) aufweistRefrigerant circuit (1) with a compressor (5), with a condenser (2) and separate cooling circuits (8, 9) each with an expansion valve (6) and an evaporator (3a, 3b) for different cooling circuits (8, 9), the different cooling circuits (8, 9) being separated from one another on the inlet side in front of the expansion valves (6) and being reconnected to one another via an outlet of a pre-compressor (4) and the pre-compressor (4) having a first input for the mass flow (10) of a first evaporator ( 3a), as well as a second inlet for the mass flow (11) of a second evaporator (3b) Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichter (4) eine Radialströmungsmaschine, eine Flügelzellenpumpe, ein Rollkolbenverdichter oder ein Scrollverdichter ist.Refrigerant circuit after Claim 1 , characterized in that the pre-compressor (4) is a radial flow machine, a vane pump, a rotary piston compressor or a scroll compressor. Kältemittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichter (4) einen Ausgang für einen kombinierten Massenstrom (12) zum Verdichter (5) aufweist.Refrigerant circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the pre-compressor (4) has an outlet for a combined mass flow (12) to the compressor (5). Kältemittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichter (4) als T-Stück für die Verbindung der Kühlkreisläufe (8, 9) dient.Refrigerant circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the pre-compressor (4) serves as a T-piece for connecting the cooling circuits (8, 9).
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US20110113804A1 (en) * 2009-11-18 2011-05-19 Simwon Chin Heat pump
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