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Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems.
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Es sind Wärmemanagementsysteme für elektrifizierte Kraftfahrzeuge bekannt, die eine Heizleistung für einen Insassenraum mittels einer Wärmepumpenfunktionalität bereitstellen, in der vorhandene Wärmequellen, z.B. Elektromotor und Hochvoltspeicher, genutzt werden. Dabei ist ständig erstrebenswert, das Wärmemanagementsystem effizienter zu gestalten und die zur Verfügung stehenden Wärmequellen effizienter zu nutzen, da eine Effizienzsteigerung direkt die Reichweite des Kraftfahrzeugs verbessert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Effizienz eines Wärmemanagementsystems zu steigern. Diese Aufgabe wird durch ein Wärmemanagementsystem gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 11 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, mit einem Innenraumwärmetauscher zum Heizen eines Insassenraums; einer Entlüftungsöffnung, über welche eine Luft aus dem Insassenraum abführbar ist, und einem Restwärmetauscher zum Entnehmen von Restwärmeenergie aus der über die Entlüftungsöffnung abführbaren Luft, wobei die Restwärmeenergie zumindest teilweise im Wärmemanagementsystem zum Heizen des Insassenraums bereitstellbar ist. Der sich daraus ergebende Vorteil ist, dass eine Effizienzsteigerung erreicht werden kann, da eine Restwärmeenergie, der aus dem Insassenraum abgeführten Luft, für Heizzwecke nutzbar ist. Daraus ergibt sich ein geringerer elektrischer Energiebedarf für Heizzwecke und somit eine gesteigerte Reichweite bei elektrifizierten Kraftfahrzeugen.
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Beim Innenraumwärmetauscher kann es sich insbesondere um einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher handeln, der einerseits von einer dem Insassenraum zuzuführenden Luft und andererseits, in Wärmeaustausch und fluidisch von dieser getrennt, von einem Kühlmittel eines Heizkreislaufs, insbesondere eines Heizstrangs, durchströmbar ist. Bei dem Innenraumwärmetauscher kann es sich auch um eine Abstrahlfläche (z.B. an einer Fahrzeugdachinnenseite, in/an Türverkleidungen etc.) handeln, welche von einem Kühlmittel eines Heizkreislaufs durchströmbar ist und direkt Wärmeenergie in den Insassenraum abstrahlt.
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Beim Restwärmetauscher kann es sich insbesondere um einen Luft-Luft-Wärmetauscher handeln, der einerseits von einer dem Insassenraum zuzuführenden Luft und andererseits, in Wärmeaustausch und fluidisch von dieser getrennt, von der aus dem Insassenraum abführbaren und von der Entlüftungsöffnung kommenden Luft handeln. Beispielsweise könnte ein solcher Luft-Luft-Wärmetauscher stromaufwärts der dem Insassenraum zuzuführenden Luft angeordnet sein. Ferner kann es sich bei dem Restwärmetauscher um einen Klima-Verdampfer handeln, wie er bereits in Kraftfahrzeugen vorhanden ist. Außerdem ist möglich, dass der Restwärmetauscher ein Wärmetauscher ist, welcher ausschließlich der aus der Entlüftungsöffnung abzuführenden Luft zugeordnet ist und der eine Restwärmeenergie in einen Kälte- und/oder Heizkreislauf einspeist. D.h. es handelt sich um einen zusätzlichen Wärmetauscher (zusätzlich zum Klima-Verdampfer vorhandener).
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, wobei der Innenraumwärmetauscher in einer Luftführung stromaufwärts (bzgl. der dem Insassenraum zuzuführenden Luft) zumindest einer Lufteinlassöffnung angeordnet ist, über welche Luft in den Insassenraum zuführbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, bei dem der Restwärmetauscher ein Klima-Verdampfer eines Kältekreislaufs ist, über den die Restwärmeenergie zumindest teilweise in einen Heizstrang transportierbar ist, in dem der Innenraumwärmetauscher angeordnet ist. Dadurch kann ein zusätzlicher Wärmetauscher vermieden werden, was zusätzlich Kosten verursachen würde. Stattdessen kann die Restwärmeenergie mittels des bereits vorhandenen Klima-Verdampfers realisiert werden, der im Stand der Technik im Heizbetriebszustand ungenutzt ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, ferner aufweisend einen Luftrückführkanal, der von der Entlüftungsöffnung zum Klima-Verdampfer führt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, wobei das Wärmemanagementsystem für einen Klimatisierungsbetrieb angepasst ist, in dem eine dem Insassenraum zuzuführende Luft durch den Klima-Verdampfer leitbar und kühlbar ist, und für einen Heizbetrieb angepasst ist, in dem eine dem Insassenraum zuzuführende Luft an dem Klima-Verdampfer vorbei leitbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, wobei der Klima-Verdampfer und der Innenraumwärmetauscher innerhalb eines Mischkastens angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, mit zumindest einer Luftleiteinrichtung, mit der eine dem Insassenraum zuzuführende Luft wahlweise durch den Klima-Verdampfer oder an dem Klima-Verdampfer vorbei durch den Innenraumwärmetauscher führbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, wobei der Restwärmetauscher ein Luft-Luft-Wärmetauscher ist, der einerseits von der von der Entlüftungsöffnung kommenden Luft und andererseits von einer in den Insassenraum zuführbaren Luft durchströmbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wärmemanagementsystem bereitgestellt, ferner aufweisend einen Luftrückführkanal, der von der Entlüftungsöffnung zum Restwärmetauscher führt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Wärmemanagementsystem.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems für ein Kraftfahrzeug bereit, mit den Schritten: Führen von Luft aus einem Insassenraum über eine Entlüftungsöffnung zu einem Restwärmetauscher; Entnehmen von Restwärmeenergie aus der Luft mittels des Restwärmetauschers, und zumindest teilweise Nutzung der Restwärmeenergie zum Heizen des Insassenraums. Mit diesem Ausführungsbeispiel lassen sich die gleichen Vorteile erreichen, wie bereits im Zusammenhang mit dem Wärmemanagementsystem beschrieben.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren bereitgestellt, wobei der Restwärmetauscher ein Klima-Verdampfer eines Kältekreislaufs ist, ferner mit dem Verfahrensschritt des zumindest teilweisen Transportierens der Restwärmeenergie über den Kältekreislauf und einen Heizstrang in einen Innenraumwärmetauscher.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 zeigt schematisch einen Kältekreislauf des Wärmemanagementsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4 zeigt schematisch eine Luftführung des Wärmemanagementsystems und deutet deren Interaktion mit einem Insassenraum an.
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1 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Wärmemanagementsystem ist vorzugsweise in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, beispielsweise einem Elektrofahrzeug, insbesondere einem rein elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug, installiert. Das Wärmemanagementsystem weist einen Motor-Kühlkreis 1 auf, in dem Elektromotoren 2 und 3 sowie Leistungselektronik-Komponenten angeordnet sind. Die Elektromotoren 2 und 3 sind Traktionsmotoren zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, wobei selbstverständlich auch nur ein einziger oder mehr als zwei solcher Elektromotoren vorgesehen sein können. Die Leistungselektronik-Komponenten umfassen beispielsweise jeweilige, den Elektromotoren 2, 3 zugeordnete Inverter 4 und 5, einen Gleichstromwandler 6, eine Batteriesteuerung 7 sowie ein On-Board-Ladegerät 8. Genauer sind der Elektromotor 2 und der Inverter 4 im Motor-Kühlkreis 1 in Reihe geschaltet, der Elektromotor 3 und der Inverter 5 im Motor-Kühlkreis 1 in Reihe geschaltet sowie die Leistungselektronik-Komponenten 6 bis 8 im Motor-Kühlkreis 1 in Reihe geschaltet. Diese drei Reihenschaltungen sind wiederum im Motor-Kühlkreis 1 parallel zueinander. Stromab dieser Parallelschaltung sind darüber hinaus ein Rückschlagventil 9, ein Kühler-Heizstrang-Ventil 10, ein HT-Kühler 11 sowie eine Kühler-Pumpe 12 angeordnet sind. In dem Motor-Kühlkreis 1 ist ein Kühlmittel zirkulierbar, beispielsweise ein mit Additiven versetztes Wasser. Mittels des Kühler-Heizstrang-Ventils 10 kann eine Durchströmung des HT-Kühlers 11 zugelassen oder unterbunden werden, wobei auch Zwischenstellungen des Kühler-Heizstrang-Ventils 10 möglich sind. Beispielsweise durchströmt im Betrieb des Motor-Kühlkreises 1, bei geöffnetem Kühler-Heizstrang-Ventil 10 und aktivierter Kühler-Pumpe 12, das Kühlmittel den Motor-Kühlkreis 1 in der Richtung, welche von dem Rückschlagventil 9 vorgegeben ist.
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Parallel zu den Elektromotoren 2, 3 sowie den Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 ist ein Heizstrang 13 vorgesehen. Genauer zweigt zwischen der Kühler-Pumpe 12 und den im Motor-Kühlkreis 1 zu kühlenden Komponenten (d.h. den Elektromotoren 2, 3 und den Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8) der Heizstrang 13 vom Motor-Kühlkreis 1 ab.
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Zwischen dem Rückschlagventil 9 und dem HT-Kühler 11 mündet der Heizstrang 13 wieder in den Motor-Kühlkreis 1. An der Einmündung des Heizstrangs 13 in den Motor-Kühlkreis 1 befindet sich das Kühler-Heizstrang-Ventil 10 bzw. ein Regelventil, welches insbesondere als 2/3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Es könnten aber anstatt des 2/3-Wege-Ventils auch eines oder mehrere anderer Ventile vorgesehen sein, wie beispielsweise zwei Absperrventile.
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Der Heizstrang 13 weist einen NT-Kühler 14, einen wassergekühlten Kondensator 15, eine Heizkreis-Pumpe 16, einen elektrischen Heizer 17, einen Innenraumwärmetauscher 18 sowie das Kühler-Heizstrang-Ventil 10 auf. Diese Komponenten werden im Betrieb des Heizstrangs 13 üblicherweise in dieser genannten Reihenfolge durchströmt. Der Innenraumwärmetauscher 18 ist innerhalb einer angedeuteten Luftführung 19, beispielsweise einem Luftströmungskanal, angeordnet, mit der Luft in einen nicht dargestellten Insassenraum des Kraftfahrzeugs geführt wird, so dass mittels des Innenraumwärmetauschers 18 der Insassenraum beheizt werden kann. Mittels des Kühler-Heizstrang-Ventils 10 kann eine Durchströmung des Heizstrangs 13 zugelassen oder unterbunden werden, wobei auch Zwischenstellungen des Kühler-Heizstrang-Ventils 10 möglich sind.
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Der NT-Kühler 14 und der HT-Kühler 11 sind von Umgebungsluft durchströmbar angeordnet, so dass diese durch Fahrtwind gekühlt werden können. Den beiden Kühlern 11, 14 ist ein Gebläse 20 zugeordnet, um zusätzlich zum Fahrtwind eine Luftströmung durch diese zu fördern. In bekannter Weise ist den beiden Kühlern 11, 14 ein Ausgleichsbehälter 21 zugeordnet.
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Zum Ausbilden eines EDH-Heizkreises 22 (mit einer gestrichelter Linie eingezeichnet) ist eine Heiz-Rückleitung 23 vorgesehen, die einen stromabwärtigen Ausgang des Innenraumwärmetauschers 18 mit einem stromaufwärtigen Eingang des Kondensators 15 fluidisch leitend miteinander verbindet. In der Heiz-Rückleitung 23 ist ein Einwegeventil 24 vorgesehen, welches nur eine Strömung in einer Richtung vom Ausgang des Innenraumwärmetauschers 18 hin zum Eingang des Kondensators 15 zulässt. Mittels des EDH-Heizkreises 22 kann der Insassenraum geheizt werden, indem das mittels der Heizkreis-Pumpe 16 zirkulierte Kühlmittel zumindest vom elektrischen Heizer 17 erwärmt wird und diese Wärmeenergie an den Innenraumwärmetauscher 18 abgegeben wird. In anderen Betriebszuständen wird das Kühlmittel zusätzlich oder alternativ vom Kondensator 15 erwärmt, beispielsweise durch Abwärme von einem elektrischen Energiespeicher 25 (HVS), den Elektromotoren 2, 3, den Leistungselektronik-Komponenten 4-8 und/oder einer später erläuterten Restwärmeenergie etc., je nachdem welche Wärmemengen von diesen Komponenten zur Verfügung stehen.
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Zwischen dem Kühler-Heizstrang-Ventil 10 und dem Rückschlagventil 9 zweigt ein Chiller-Strang 26 vom Motor-Kühlkreis 1 ab. Stromaufwärts der Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 und stromabwärts der Kühler-Pumpe 12 mündet der Chiller-Strang 26 wieder in den Motor-Kühlkreis 1.
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In dem Chiller-Strang 26 ist ein Chiller 29, eine Chillerstrang-Pumpe 30 und ein HVS-Chiller-Ventil 31 bzw. Regelventil vorgesehen. Ein HVS-Strang 32 weist eine Reihenschaltung aus dem elektrischen Energiespeicher 25 (HVS), einem Einwegeventil 33 bzw. Rückschlagventil und dem HVS-Chiller-Ventil 31 auf. Durch das Einwegeventil 33 ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels im HVS-Strang 32 vorgegeben. Mittels des HVS-Chiller-Ventils 31 kann eine Durchströmung des Chiller-Strangs 26 sowie des HVS-Strangs 32 zugelassen oder unterbunden werden, wobei auch Zwischenstellungen möglich sind. Das HVS-Chiller-Ventil 31 ist insbesondere als 2/3-Wege-Ventil ausgebildet, es könnten aber anstatt des 2/3-Wege-Ventils auch eines oder mehrere andere Ventile vorgesehen sein, wie beispielsweise zwei Absperrventile.
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Durch Ausbilden eines HVS-Chiller-Kreislaufs 34 (entlang der gestrichelten Linie), wird mittels der aktivierten Chillerstrang-Pumpe 30 Kühlmittel vom Energiespeicher 25 zum Chiller 29 gefördert und somit Abwärme vom Energiespeicher 25 in den Chiller 29 eingetragen. Nach dem Durchströmen des Chillers 29 fördert die Chillerstrang-Pumpe 30 das Kühlmittel wieder zurück zum Energiespeicher 25 usw. Genauer ist die Chillerstrang-Pumpe 30 zwischen dem Chiller 29 und dem HVS-Chiller-Ventil 31 angeordnet. Wenn der HVS-Chiller-Kreislauf 34 nicht in Betrieb ist, jedoch der Chiller-Strang 26 von Kühlmittel durchströmt wird, kann mittels der Chillerstrang-Pumpe 30 der Kühlmittelstrom entlang des Chiller-Strangs 26 durch den Chiller 29 gefördert werden.
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2 zeigt schematisch einen Kältekreislauf 40 des Wärmemanagementsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kältekreislauf 40 umfasst den wassergekühlten Kondensator 15, den Chiller 29 sowie einen Klima-Verdampfer 41, welcher in der Luftführung 19 angeordnet ist. Durch diese Komponenten zirkuliert ein Kältemittel, beispielsweise R134a, R1234yf, R1234ze oder dergleichen. Der Chiller 29 ist ein Wärmetauscher bzw. Wärmeüberträger, der Wärmeenergie zwischen dem Kältemittel des Kältekreislaufs 40 und dem Kühlmittel im Chiller-Strang 26 überträgt. Dazu durchströmen das Kältemittel und das Kühlmittel fluidisch getrennt voneinander den Chiller 29. Der Klima-Verdampfer 41 ist ein Wärmetauscher bzw. Wärmeüberträger, der Wärmeenergie zwischen dem Kältemittel des Kältekreislaufs 40 und einer in der Luftführung 19 strömenden Luft überträgt. Dazu durchströmen das Kältemittel und die Luft fluidisch getrennt voneinander den Klima-Verdampfer 41. Der Klima-Verdampfer 41 ist im Kältekreislauf 40 parallel zum Chiller 29 geschaltet. Zum Einstellen der Kühlleistung des Klima-Verdampfers 41 ist diesem ein selbstregelndes und elektrisch absperrbares Expansionsventil 42 vorgeschaltet. Dem Chiller 29 ist ein Expansionsventil 43 vorgeschaltet. Der Innenraumwärmetauscher 18 und der Klima-Verdampfer 41 sind beide in der Luftführung 19 angeordnet. Mit ihnen kann der Insassenraum beheizt, gekühlt und/oder entfeuchtet werden.
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Ferner weist der Kältekreislauf 40 einen elektrischen Verdichter 44 auf, mit dem das Kältemittel verdichtet und gefördert werden kann. Der Kältekreislauf 40 in 2 weist zusätzlich zwei innere Wärmetauscher 45, 46 auf, von denen einer dem Klima-Verdampfer 41 und der andere dem Chiller 29 zugeordnet ist. Die inneren Wärmetauscher 45, 46 haben jeweils zwei in Wärmekontakt, aber fluidisch voneinander getrennt durchströmbare Kammern. Dabei ist eine Kammer dem Chiller oder Klima-Verdampfer vorgeschaltet und die andere Kammer dem Chiller/Klima-Verdampfer nachgeschaltet. Die Kammern werden in entgegengesetzter Richtung durchströmt und bilden somit einen Gegenstromwärmetauscher aus. Die inneren Wärmetauscher durchströmt somit in einer Kammer das vom Verdichter kommende, überwiegend flüssige Kältemittel und in der anderen Kammer das vom Chiller oder Klima-Verdampfer kommende überwiegend gasförmige Kältemittel. Durch den inneren Wärmetauscher 45, 46 wird dem überwiegend flüssigen Kältemittel Wärmeenergie entzogen, was dazu führt, dass ein noch höherer Anteil verflüssigt wird. Dem überwiegend gasförmigen Kältemittel wird diese Energie zugeführt, was dazu führt, dass ein noch höherer Anteil verdampft und gasförmig vorliegt. Dies dient zur Leistungs- und Effizienzsteigerung des Chillers 29 und des Klima-Verdampfers 41. Für die Funktion des Kältekreislaufs 40 sind die inneren Wärmetauscher 45, 46 jedoch nicht zwingend erforderlich. Stromab des Klima-Verdampfers 41 ist ein Rückschlagventil 47 bzw. Einwegeventil angeordnet.
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Stromabwärts des Kondensators 15 zweigt sich der Kältekreislauf 40 in die parallelen Stränge auf, von denen einer zu dem Klima-Verdampfer 41 und der andere zu dem Chiller 29 führt. Von diesem Punkt wird in dieser Reihenfolge im einen Strang der innere Wärmetauscher 45, das Expansionsventil 42, der Klima-Verdampfer 41, der innere Wärmetauscher 45, das Rückschlagventil 47 und der Verdichter 44 durchströmt. Im anderen Strang wird in dieser Reihenfolge der innere Wärmetauscher 46, das Expansionsventil 43, der Chiller 29, der innere Wärmetauscher 46 und der Verdichter 44 durchströmt. Die parallelen Stränge werden stromaufwärts des Verdichters 44 wieder zusammengeführt.
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Nachfolgend sollen einige Betriebsmodi dieses Wärmemanagementsystems beschreiben werden.
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In Kühlfällen in denen der HT-Kühler 11 zur Wärmeabgabe an die Umgebung genutzt werden soll, wird der Motor-Kühlkreis 1 betrieben, so dass Abwärme der Elektromotoren 2, 3 und der Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 über den HT-Kühler 11 an die Umgebungsluft abgegeben wird.
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Vorstehend wurde bereits der HVS-Chiller-Kreislauf 34 beschrieben. Zusätzlich oder alternativ kann ein Motor-Chiller-Kreislauf 35 (mit einer Strich-Punkt-Linie eingezeichnet) in Betrieb sein. In diesem Motor-Chiller-Kreislauf 35 wird Kühlmittel durch die Elektromotoren 2, 3 sowie die Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8, das Rückschlagventil 9, den Chiller 29, die Chillerstrang-Pumpe 30, das HVS-Chiller-Ventil 31 und zurück zu den Elektromotoren 2, 3 sowie den Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 zirkuliert. Während des Betriebs des Motor-Chiller-Kreislaufs 35 wird Abwärme der Elektromotoren 2, 3 und der Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 in den Chiller 29 eingetragen. Diese Wärmeenergie wird wie vorstehend beschrieben über den Chiller 29 und den Kältekreislauf 40 in den Kondensator 15 eingetragen. Vom Kondensator 15 kann diese Wärmeenergie dann in den EDH-Heizkreis 22 und/oder den Heizstrang 13 eingetragen werden (sog. Wärmepumpenfunktionalität). Dabei können je nach Abwärme einzelner Komponenten und Heizbedarf nur der HVS-Chiller-Kreislauf 34, nur der Motor-Chiller-Kreislauf 35 oder beide in Betrieb sein.
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Diese Betriebsmodi sind nicht abschließend und der Fachmann ist sicher in der Lage anhand der aufgezeigten Funktionalität und des Schaltschemas des Wärmemanagementsystems weitere Betriebsmodi vorteilhaft zu nutzen.
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3 zeigt schematisch Heiz- und Kühlkreisläufe eines Wärmemanagementsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses kann alternativ zum Wärmemanagementsystem des ersten Ausführungsbeispiels im Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Dieses Wärmemanagementsystem weist einen Motor-Kühlkreis 101 auf, in dem die Parallelschaltung aus Elektromotoren 2, 3 und den Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 angeordnet ist, bzgl. der auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen wird. Stromab dieser Parallelschaltung sind darüber hinaus ein Chiller-Ventil 140, der HT-Kühler 11 sowie die Kühler-Pumpe 12 angeordnet sind. Bezüglich der Elemente mit den Bezugszeichen 11 bis 24 wird ebenfalls auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden. Der Heizstrang 13 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels jedoch dadurch, dass anstatt des Kühler-Heizstrang-Ventil 10, ein Heizstrang-Ventil 141 vorgesehen ist, welches beispielsweise ein Absperrventil ist und stromaufwärts des Kondensators 15 sowie stromaufwärts des EDH-Heizkreises 22 vorgesehen ist. Mittels des Heizstrang-Ventils 141 kann eine Durchströmung des Heizstrangs 13 zugelassen oder unterbunden werden, wobei auch Zwischenstellungen des Heizstrang-Ventils 141 möglich sind.
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Darüber hinaus weist das Wärmemanagementsystem einen HVS-Strang 142 auf, der eine HVS-Pumpe 143, ein HVS-Ventil 144, den elektrischen Energiespeicher 25 (HVS), ein Rückschlagventil 145 sowie erste HVS-Umschaltmittel 146 aufweist, wobei diese Elemente im Betrieb des HVS-Stangs 142 insbesondere in der genannten Reihenfolge durchströmt werden. Die HVS-Umschaltmittel 146 sind in 3 als ein Umschaltventil bzw. ein 2/3-Wege-Ventil ausgeführt, jedoch können diese ebenso durch zwei oder drei Absperrventile ausgebildet werden.
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Ferner ist im Wärmemanagementsystem ein Chiller-Strang 147 vorgesehen, der den Chiller 29 sowie das Chiller-Ventil 140 aufweist. Das Chiller-Ventil 140 ist in 3 als ein Umschaltventil bzw. ein 2/3-Wege-Ventil ausgeführt, jedoch kann dies ebenso durch zwei oder drei Absperrventile ausgebildet werden. Auf der dem Chiller-Ventil abgewandten Seite ist der Chiller 29 mit einer Eingangsseite der HVS-Pumpe 143 verbunden. Von diesem Verbindungsabschnitt führt eine Verbindungsleitung 148, welche ein Rückschlagventil 149 aufweist, zum Motor-Kühlkreis 101 und zwar an eine Stelle zwischen der Einmündung des Heizstrangs 13 in den Motor-Kühlkreis 101 und dem Chiller-Ventil 140.
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Zwischen dem Chiller 29 und dem Chiller-Ventil 140 zweigt eine Verbindungsleitung 150 ab, die zum HVS-Umschaltmittel 146 führt. Ein weiterer Anschluss der HVS-Umschaltmittel 146 ist mit einer Verbindungsleitung 151 verbunden, die in den Motor-Kühlkreis 101 mündet und zwar an einer Stelle stromaufwärts der Parallelschaltung aus Elektromotoren 2, 3 und Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 und stromabwärts der Kühler-Pumpe 12.
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Dieses in 3 beschriebene Wärmemanagementsystem wirkt mit dem Kältekreislauf 40 entsprechend zusammen.
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Mit der in 3 dargestellten Schaltung lässt sich ein HVS-Chiller-Kreislauf 134 (entlang der gestrichelten Linie) ausbilden. Dabei wird mittels der aktivierten HVS-Pumpe 143 Kühlmittel vom Energiespeicher 25 entlang der Verbindungsleitung 150 zum Chiller 29 gefördert und somit Abwärme vom Energiespeicher 25 in den Chiller 29 eingetragen. Nach dem Durchströmen des Chillers 29 fördert die HVS-Pumpe 143 das Kühlmittel wieder zurück zum Energiespeicher 25 usw.
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Darüber hinaus lässt sich ein Motor-Chiller-Kreislauf 152 (entlang der Strich-Punkt-Linie) ausbilden. Dabei wird mittels der aktivierten HVS-Pumpe 143 Kühlmittel vom Energiespeicher 25, über die Elektromotoren 2, 3 sowie die Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 zum Chiller 29 gefördert. Nach dem Durchströmen des Chillers 29 fördert die HVS-Pumpe 143 das Kühlmittel wieder zurück zum Energiespeicher 25 usw. Dabei kann entweder Abwärme von den Elektromotoren 2, 3, den Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 und dem Energiespeicher 25 in den Chiller 29 eingetragen werden oder es kann die Abwärme von den Elektromotoren 2, 3, den Leistungselektronik-Komponenten 4 bis 8 bei kalten Umgebungsbedingungen in den Energiespeicher 25 eingetragen werden, um den Energiespeicher 25 zu heizen, während der Chiller 29 und der Kältekreis 40 ausgeschaltet sind.
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In Kühlfällen in denen der HT-Kühler 11 zur Wärmeabgabe an die Umgebung genutzt werden soll, wird der Motor-Kühlkreis 101 betrieben, so wie dies im Zusammenhang mit dem Motor-Kühlkreis 1 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Gleichzeitig kann der vorstehend beschriebene HVS-Chiller-Kreislauf 134 und/oder der Motor-Chiller-Kreislauf 152 betrieben werden.
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Diese Betriebsmodi sind nicht abschließend und der Fachmann ist sicher in der Lage anhand der aufgezeigten Funktionalität und des Schaltschemas des Wärmemanagementsystems weitere Betriebsmodi vorteilhaft zu nutzen.
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4 zeigt schematisch die Luftführung 19 und deutet deren Interaktion mit einem Insassenraum 50 an. Die Luftführung ist im dargestellten Fall in Form eines Mischkastens 51 ausgebildet. Dabei soll diese schematische Darstellung vielmehr die funktionalen Zusammenhänge der Erfindung als die tatsächliche räumliche Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Komponenten veranschaulichen.
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In einem Heizbetrieb des Wärmemanagementsystems befinden sich Luftleiteinrichtungen 52, 53, 54 und 55 in einer Stellung, welche mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. In diesem Heizbetrieb, in dem der Insassenraum 50 beheizt werden soll, wird Frischluft, d.h. eine das Kraftfahrzeug umgebende Außenluft, über einen Frischlufteinlass 56 in die Luftführung 19 eingeführt. Unter Umgehung des Klima-Verdampfers 41 strömt diese Frischluft entlang eines Pfeils 57 durch den Innenraumwärmetauscher 18 und wird dadurch erwärmt. Die Umgehung des Klima-Verdampfers 41 wird durch eine entsprechende Stellung der Luftleiteinrichtung 52 erreicht, die eine Luftströmung vom Frischlufteinlass 56 hin zu dem Klima-Verdampfer 41 unterbindet. Ferner sind Luftführungswandungen 58 vorgesehen, welche die Frischluft hin zum Innenraumwärmetauscher 18 führen. Über die Luftleiteinrichtung 59 und eine Luftleiteinrichtung 69 ist einstellbar, welcher Luftanteil an dem Innenraumwärmetauscher 18 vorbeiströmen soll (siehe Pfeil 65) und welcher Luftanteil durch den Innenraumwärmetauscher 18 hindurchströmen soll (siehe Pfeil 66). Diese beiden Luftstromanteile werden stromabwärts des Innenraumwärmetauschers 18 wieder zusammengeführt und durch eine Luftleiteinrichtung 60 und über zumindest eine Lufteinlassöffnung 61 in den Insassenraum 50 geleitet (siehe Pfeil 67). Durch Einstellen des Luftanteils an dem Innenraumwärmetauscher 18 vorbei und durch ihn hindurch ist die Temperatur der in den Insassenraum 50 zugeführten Luft einstellbar. Die Luftleiteinrichtung 69 ist in diesem Betriebszustand geöffnet.
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Nach dem Durchströmen des Insassenraums 50 wird die Luft über zumindest eine Entlüftungsöffnung 62 aus dem Insassenraum 50 abgeführt. Bei der Entlüftungsöffnung 62 kann es sich beispielsweise um eine bereits bekannte und in Fahrzeugen bereits verwendete Öffnung im Bereich der Rücksitzbank handeln. Mittels eines Luftrückführkanals 63 wird diese zum Klima-Verdampfer 41 geführt, wie durch einen Pfeil 64 angedeutet, und durch diesen hindurchgeleitet. Durch die Stellung der Luftleiteinrichtung 55 kann eine Durchströmung des Luftrückführkanals 63 unterbunden oder zugelassen werden, wobei im vorliegenden Betriebszustand eine Durchströmung zugelassen wird. Die Durchströmung des Klima-Verdampfers 41 erfolgt jedoch in umgekehrter Richtung wie eine Durchströmung in einem später erläuterten Klimatisierungsbetrieb. Durch die Führung der Luft durch den Klima-Verdampfer 41 wird der Luft, welche aus dem Insassenraum 50 entnommen wird, eine Restwärmeenergie entzogen und über den Klima-Verdampfer 41 in den Kältekreislauf 40 eingetragen. Dort wird die Restwärmeenergie zusätzlich zu den anderen vorstehend beschriebenen Wärmequellen (d.h. die Abwärme vom elektrischen Energiespeicher 25 (HVS), den Elektromotoren 2, 3 und den Leistungselektronik-Komponenten 4-8), in den Kondensator 15 eingetragen. Diese zusätzliche Restwärmeenergie kann dann über den Kondensator 15 in den Heizstrang 13 eingebracht werden und erhöht somit den Wirkungsgrad gegenüber Systemen, welche die Restwärmeenergie nicht nutzen, sondern die Luft nach dem Durchströmen des Insassenraums 50 ins Freie entweichen lassen.
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Nach dem Durchströmen des Klima-Verdampfers 41 kann die Luft über die Luftleiteinrichtung 54 an die Umgebung abgegeben werden (siehe Pfeil 68). Alternativ dazu kann die Luft teilweise oder vollständig für einen Umluftbetrieb bereitgestellt werden und anstatt oder zusätzlich zu der vorstehend erwähnten Frischluft wieder entlang des Pfeils 57 zurück zum Innenraumwärmetauscher 18 geführt werden.
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In einem Klimatisierungsbetrieb ist die Luftleiteinrichtung 52 in einer Stellung, die eine Umgehung des Klima-Verdampfer 41 (entlang des Pfeils 57) unterbindet (d.h. in der dargestellten Position) und eine Luftströmung durch den Klima-Verdampfer 41, entlang eines Pfeils 70, leitet. Hierbei ist die Strömungsrichtung der Frischluft entgegengesetzt zu der vorstehend beschriebenen Strömungsrichtung der rückgeführten Luft im Heizbetrieb. Um die Luftströmung durch den Klima-Verdampfer entlang des Pfeils 70 auszubilden ist ferner die Luftleiteinrichtung 68 geschlossen (in der dargestellten Position). Außerdem ist die Luftleiteinrichtung 55 geschlossen (in der dargestellten Position) um ein Strömen von Luft in den Luftrückführkanal 63 zu verhindern. Die Luftleiteinrichtung 53 ist geöffnet (in der dargestellten Position), so dass die Luft entlang der Pfeile 70 und 65 hin zur Lufteinlassöffnung 61 und in den Insassenraum 50 strömen kann. Hierzu ist die Luftleiteinrichtung 60 geöffnet. Soll eine Durchströmung des Innenraumwärmetauschers 18 komplett verhindert werden, dann ist die Luftleiteinrichtung 69 geschlossen.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte. Insbesondere sind die Merkmale der abhängigen Vorrichtungsansprüche mit den Verfahrensansprüchen kombinierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor-Kühlkreis
- 2
- Elektromotor
- 3
- Elektromotor
- 4
- Inverter
- 5
- Inverter
- 6
- Gleichstromwandler
- 7
- Batteriesteuerung
- 8
- On-Board-Ladegerät
- 9
- Rückschlagventil
- 10
- Kühler-Heizstrang-Ventil
- 11
- HT-Kühler
- 12
- Kühler-Pumpe
- 13
- Heizstrang
- 14
- NT-Kühler
- 15
- Wassergekühlten Kondensator
- 16
- Heizkreis-Pumpe
- 17
- Elektrischen Heizer
- 18
- Innenraumwärmetauscher
- 19
- Luftführung
- 20
- Gebläse
- 21
- Ausgleichsbehälter
- 22
- EDH-Heizkreis
- 23
- Heiz-Rückleitung
- 24
- Einwegeventil
- 25
- Elektrischen Energiespeicher
- 26
- Chiller-Strang
- 29
- Chiller
- 30
- Chillerstrang-Pumpe
- 31
- HVS-Chiller-Ventil
- 32
- HVS-Strang
- 33
- Einwegeventil
- 34
- HVS-Chiller-Kreislauf
- 35
- Motor-Chiller-Kreislauf
- 40
- Kältekreislauf
- 41
- Klima-Verdampfer
- 42
- Expansionsventil
- 43
- Expansionsventil
- 44
- Elektrischen Verdichter
- 45
- Innere Wärmetauscher
- 46
- Innere Wärmetauscher
- 47
- Rückschlagventil
- 50
- Insassenraum
- 51
- Mischkastens
- 52-55
- Luftleiteinrichtungen
- 56
- Frischlufteinlass
- 57
- Luftströmung unter Umgehung des Klima-Verdampfers im Heizbetrieb
- 58
- Luftführungswandungen
- 59, 60
- Luftleiteinrichtungen
- 61
- Lufteinlassöffnung
- 62
- Entlüftungsöffnung
- 63
- Luftrückführkanal
- 64
- Rückgeführte Luftströmung aus dem Insassenraum im Heizbetrieb
- 65
- Luftströmung vorbei am Innenraumwärmetauscher
- 66
- Luftströmung durch den Innenraumwärmetauscher
- 67
- Luftströmung in den Insassenraum
- 68
- Luftströmung ins Freie
- 69
- Luftleiteinrichtung
- 70
- Luftströmung durch den Klima-Verdampfer im Klimatisierungsbetrieb
- 101
- Motor-Kühlkreis
- 134
- HVS-Chiller-Kreislauf
- 140
- Chiller-Ventil
- 141
- Heizstrang-Ventil
- 142
- HVS-Strang
- 143
- HVS-Pumpe
- 144
- HVS-Ventil
- 145
- Rückschlagventil
- 146
- HVS-Umschaltmittel
- 147
- Chiller-Strang
- 148
- Verbindungsleitung
- 149
- Rückschlagventil
- 150
- Verbindungsleitung
- 151
- Verbindungsleitung
- 152
- Motor-Chiller-Kreislauf
