DE102020107111A1

DE102020107111A1 - Wärmepumpenanordnung für Fahrzeuge mit einem Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einem Batterieheizkreislauf

Info

Publication number: DE102020107111A1
Application number: DE102020107111.6A
Authority: DE
Inventors: Navid Durrani; Tobias Haas
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-11-12
Also published as: KR102320361B1; KR20200130114A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung für Elektrofahrzeuge mit einem Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einem Batterieheizkreislauf, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Fahrzeugkabinenheizkreislauf in Strömungsrichtung des Wärmeträgers einen Heizungswärmeübertrager (19) ein 4/2-Wege-Ventil (35), eine Kühlmittelpumpe (17) und eine Heizeinrichtung (23) zur direkten Beheizung der Fahrzeugkabinenluft aufweist und dass die warme Seite eines Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (37) über das 4/2-Wege-Ventil (35) an den Fahrzeugkabinenheizkreislauf zur indirekten Beheizung des Batterieheizkreislaufes angeschlossen ist, wobei der Batterieheizkreislauf einen Batteriewärmeübertrager (25), eine Kühlmittelpumpe (22) und den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (37) aufweist, wobei die kalte Seite des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (37) in den Batterieheizkreislauf eingebunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung, insbesondere für Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybride, die einen Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einen Batterieheizkreislauf als Teil des thermischen Systems eines Fahrzeuges aufweisen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur direkten Beheizung der Fahrzeugkabine mittels einer vom Wärmepumpensystem unabhängigen Heizeinrichtung sowie ein Verfahren zur indirekten Beheizung der Batterien mittels der vom Wärmepumpensystem unabhängigen Heizeinrichtung.
Im weiteren Sinne betrifft die Erfindung das Konzept eines thermischen Systems für Elektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Hybridantrieb oder Brennstoffzellenfahrzeuge, welche mit sogenannten Hochvoltbatterien beziehungsweise Akkumulatoren betrieben werden. Die vorangehend angeführten hochelektrifizierten Fahrzeuge sind häufig mit einem Wärmemanagementsystem ausgestattet, welches die Möglichkeit zur Schnellladung der elektrischen Energiespeicher realisiert und dazu eine effiziente Kühlung der Batterien gestattet und welches weiterhin auch für bestimmte Betriebssituationen die effiziente Erwärmung der Fahrzeugkabine und die Erwärmung der Batterien auf eine optimale Betriebstemperatur gestattet.
Aus Sicht der Fahrer und Nutzer der batterieelektrischen Fahrzeuge ist ein wesentlicher Nachteil neben der zu langen Ladezeit der Hochvoltbatterie auch eine Komforteinbuße bei der Beheizung der Fahrzeugkabine bei kühleren U mgebungstem peraturen.
Eine wichtige Voraussetzung für eine zunehmende Akzeptanz von Elektrofahrzeugen besteht somit darin, einerseits den Komfort durch eine optimierte Beheizung der Fahrzeugkabine zu verbessern und andererseits für die Batterie optimale Arbeitsbedingungen für die Ladung und Entladung zur Verfügung zu stellen.
Bei direkt kältemittelgekühlten Systemen zur Batteriekühlung nimmt der Kältemittelkreislauf auf der Niederdruckseite durch die Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer die Abwärme der Hochvoltbatterie oder der Fahrzeugkabine auf. Das verdampfte Kältemittel wird vom Verdichter auf ein höheres Druckniveau verdichtet. Durch die Verdichtungsarbeit wird dem Kältemittel zusätzlich Wärme zugeführt. Am Austritt des Verdichters tritt das Kältemittel als Hochdruckgas mit hoher Temperatur in den Kondensator ein. Innerhalb des Kondensators wird die zuvor aufgenommene Verdampfungs- und Verdichtungswärme entweder an die Luft, bei einem luftgekühlten Kondensator, oder an ein Kühlmittel, wie beispielsweise beim wassergekühlten Kondensator, abgegeben. Das Kältemittel verlässt den Kondensator in flüssiger Form aber immer noch unter hohem Druck, bevor es in das Expansionsorgan eintritt. Das durch das Expansionsorgan strömende Kältemittel wird von einem hohen Druck auf ein niedriges Druckniveau entspannt. Damit fällt ebenfalls die Temperatur des Kältemittels auf ein Niveau, welches dann wieder zur Aufnahme der Abwärme geeignet ist. Das kalte und flüssige Kältemittel tritt in den Verdampfer ein und kann unter Verdampfung wieder Wärme aufnehmen, womit sich der Kältemittelkreislauf schließt.
Im Stand der Technik sind diverse Wärmepumpenanordnungen für die Beheizung der Fahrzeugkabine sowie der Batteriekühlung und Batterieerwärmung zur Bereitstellung optimaler Arbeitstemperaturen für die Energiespeicher von batterieelektrischen Fahrzeugen bekannt.
Allerdings ist die Versorgung der Fahrzeugkabine und der Batterie mit Wärme bei Ausfall des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpenanordnung nicht gesichert oder diese Betriebssituationen sind durch einen hohen apparativen Einsatz verbunden mit hohen Kosten abgesichert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, bedarfsgerecht entsprechend der gestiegenen Anforderungen an das Wärmemanagementsystem der Fahrzeuge die Fahrzeugkabine und die Batterie mit möglichst geringem zusätzlichen apparativen Aufwand zu erfüllen.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanordnung für Elektrofahrzeuge mit einem Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einem Batterieheizkreislauf sowie durch Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Wärmepumpenanordnung für Elektrofahrzeuge mit einem Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einem Batterieheizkreislauf gelöst, welche einen Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einen Batterieheizkreislauf thermisch miteinander koppelt.
Dabei ist der Fahrzeugkabinenheizkreislauf derart ausgebildet, dass in Strömungsrichtung des Wärmeträgers, der je nach Funktion und Wärmeübertragungsaufgabe auch als Kühlmittel bezeichnet wird, ein Heizungswärmeübertrager zur Erwärmung der Luft für die Fahrzeugkabine, ein 4/2-Wege-Ventil zur Schaltung von direkter Beheizung der Fahrzeugkabinenluft und indirekter Beheizung des Batterieheizkreislaufes, eine Kühlmittelpumpe zum Pumpen des Wärmeträgers durch den Fahrzeugkabinenheizkreislauf und eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Wärmeträgers angeordnet sind.
Als Wärmeträger oder Kühlmittel sind ganz allgemein Flüssigkeiten zur Wärmeübertragung anzusehen. Besonders verbreitet sind beispielsweise Wasser-Glykol-Gemische bei Kühlmittelkreisläufen in Kraftfahrzeugen.
Unter der direkten Beheizung der Fahrzeugkabinenluft wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass der durch die Heizeinrichtung erwärmte Wärmeträger des Fahrzeugkabinenheizkreislaufes direkt im Heizungswärmeübertrager der Klimaanlage oder Lüftung des Fahrzeuges die Fahrzeugkabinenluft erwärmt.
Unter der indirekten Beheizung des Batterieheizkreislaufes wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass der durch die Heizeinrichtung erwärmte Wärmeträger die warme Seite eines Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers durchströmt und die Wärme somit indirekt an den Wärmeträger, beziehungsweise das Kühlmittel des Batterieheizkreislaufes überträgt.
Über das 4/2-Wege-Ventil ist der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an den Fahrzeugkabinenheizkreislauf zur indirekten Beheizung des Batterieheizkreislaufes angeschlossen.
Direkt und indirekt beziehen sich somit auf die Wärmeübertragung des durch die Heizeinrichtung erwärmten Wärmeträgers, der im Fahrzeugkabinenheizkreislauf im Heizungswärmeübertrager direkt die Fahrzeugkabinenluft erwärmt während die Batterie nicht direkt von diesem Fahrzeugkabinenheizkreislauf sondern von dem Batterieheizkreislauf erwärmt wird, welcher die Wärmeenergie über einen Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager vom Fahrzeugkabinenheizkreislauf aufnimmt.
Der Batterieheizkreislauf weist zur Beheizung der Batterie einen Batteriewärmeübertrager, eine weitere Kühlmittelpumpe und den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf, wobei die kalte Seite des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers in den Batterieheizkreislauf eingebunden ist.
Als Heizeinrichtung wird bevorzugt ein Hochvolt-PTC-Heizelement eingesetzt, welches elektrische Energie in Wärme umwandelt, die dann vom Fahrzeugkabinenheizkreislauf und vom Batterieheizkreislauf entsprechend auf die Fahrzeugkabinenluft und/oder die Batterie übertragen wird.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass im vorgeschlagenen Wärmemanagementsystem sich die Heizeinrichtung, beispielsweise das Hochvolt-PTC-Heizelement, in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Heizregister, dem Heizungswärmeübertrager, befindet, um damit das Kühlmittel für die Fahrzeugkabinenheizung auf die erforderliche Temperatur zu erwärmen, falls die hierfür erforderliche Heizleistung nicht durch die Wärmepumpe im kühlmittelgekühlten Kondensator aus dem Kältemittelkreislauf bereitgestellt werden kann. Beim Ausfall des Verdichters des Kältemittelkreislaufes wird die erforderliche Heizleistung vollständig durch das Hochvolt-PTC-Heizelement bereitgestellt.
Durch Verwendung des 4/2-Wege-Ventils am Austritt des Heizregisters kann der Kühlmittelstrom durch einen indirekten Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager umgeleitet werden. Dieser Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager dient zur Wärmeübertragung vom Fahrzeugkabinenheizkreislauf auf den Batterieheizkreislauf. Auf diese Weise kann ein einziges Hochvolt-PTC-Heizelement zum Aufheizen der Batterie und zum Bereitstellen zusätzlicher Verdampfungswärme zum Verdampfen des Kältemittels in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, dem Chiller, verwendet werden. In diesem Fall kann auch die überschüssige Kondensationswärme aus dem Kältemittelkreislauf über den Fahrzeugkabinenheizkreislauf in den Batterieheizkreislauf eingespeist werden, um dort entweder als Verdampfungswärme im Chiller oder als Wärmequelle zum Heizen der Batterie verwendet zu werden.
Dies ist eine sehr vorteilhafte Erweiterung des Wärmemanagementsystems und ermöglicht es, überschüssige Wärme aus dem Fahrzeugkabinenheizkreislauf zu nutzen, um den Kältemittelkreislauf effizienter zu betreiben.
Besonders vorteilhaft wird die Wärmepumpenanordnung dadurch weitergebildet, dass der Fahrzeugkabinenheizkreislauf in einen A/C-Kühlmittelkreislauf und der Batterieheizkreislauf in einen E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf einer Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung integriert sind. Der A/C-Kühlmittelkreislauf und der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind über ein 4/2-Wege-Kühlmittelventil derart miteinander gekoppelt, dass der A/C-Kühlmittelkreislauf und der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf separat betreibbar oder seriell durchströmbar ausgebildet sind und der A/C-Kühlmittelkreislauf weist neben den Komponenten des Fahrzeugkabinenheizkreislaufes mindestens einen A/C-Kühlmittelradiator zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft und einen Kondensator auf. Über den Kondensator ist der A/C-Kühlmittelkreislauf thermisch mit einem Kältemittelkreislauf verbunden. Der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf weist neben den Komponenten des Batterieheizkreislaufes eine Kühlmittelpumpe, einen Antriebsstrangkühlmittelradiator zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft und einen Chiller auf, über welchen der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf thermisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist. Der Kältemittelkreislauf weist mindestens einen Verdichter, den Kondensator, einen Umgebungswärmeübertrager zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft oder im Wärmepumpenmodus zur Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft, ein Expansionsorgan und den Chiller auf.
Vorteilhaft ist der Heizungswärmeübertrager zur Beheizung der Fahrzeugkabine parallel oder alternativ zum A/C-Kühlmittelradiator über ein 3-Wege-Ventil schaltbar im A/C-Kühlmittelkreislauf ausgebildet.
Im E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind vorteilhaft eine Kühlmittelpumpe und/oder mindestens ein Inverter und/oder mindestens ein E-Motorwärmeübertrager parallel zum Batteriewärmeübertrager durchströmbar ausgebildet. Dabei stehen der Inverter und der E-Motorwärmeübertrager beispielhaft für Komponenten des Fahrzeuges, welche Wärme zumeist als Abwärme erzeugen, wobei diese Abwärme zur Aufrechterhaltung eines optimalen Betriebszustandes abgeführt werden muss, um Überhitzungen beispielsweise zu vermeiden.
Vorteilhaft ist im Kältemittelkreislauf ein Expansionsorgan nach dem Kondensator und vor dem Umgebungswärmeübertrager angeordnet.
Im Kältemittelkreislauf ist bevorzugt ein vorderer Verdampfer mit zugehörigem und vorgeschalteten Expansionsorgan und/oder ein hinterer Verdampfer mit zugehörigem und vorgeschalteten Expansionsorgan parallel geschaltet angeordnet. Vorteilhaft ist ein Niederdruck-Sammler im Kältemittelkreislauf vor dem Verdichter angeordnet.
Im E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist bevorzugt ein 5-Wege-Ventil angeordnet, an welchem der Antriebsstrangkühlmittelradiator, der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, der Batteriewärmeübertrager, die E-Motorwärmeübertrager und ein Bypass angeschlossen sind.
Parallel zum Batteriewärmeübertrager ist über ein 3-Wege-Ventil ein Bypass für das Kühlmittel angeordnet.
Der Kühlmittel-Bypass parallel zum Batteriewärmeübertrager ist wichtig für die Aufrechterhaltung eines minimalen Kühlmittelvolumenstroms über den Batteriewärmeübertrager, um sogenannte Hotspots in den Batteriezellen zu vermeiden. Dieser Bypass ist insbesondere im Wärmepumpenfall sinnvoll, wenn die Abwärme aus den E-Antriebsstrangkomponenten im Chiller aufgenommen werden soll. Um bei kalten Umgebungstemperaturen die Hochvolt-Batterie vor Schäden zu schützen, darf der Batterie keine Wärme entnommen werden, damit sie sich möglichst selbst heizt. Hierbei wird über das 3-Wege-Ventil der Bypass aktiviert, sodass ein minimaler Kühlmittelvolumenstrom über den Batteriewärmeübertrager sichergestellt werden kann, ohne der Batterie Wärme zu entziehen.
Die Aufgabe der Erfindung wir weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung gelöst, wobei zur direkten Fahrzeugkabinenheizung die Kühlmittelpumpe, das 3-Wege-Ventil, die Heizeinrichtung und der Heizungswärmeübertrager über das 4/2-Wege-Kühlmittelventil im Fahrzeugkabinenheizkreislauf in Reihe geschaltet sind.
In diesem Modus wird bevorzugt ein Hochvolt-PTC-Heizelement verwendet, um das Kühlmittel vor dem Eintreten in das Heizregister auf die für die Kabine erforderliche Temperatur aufzuheizen. Dies ermöglicht das Aufheizen der Fahrzeugkabine ohne Verwendung der Wärmepumpe beziehungsweise ohne den Verdichter einschalten zu müssen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung gelöst, wobei zur indirekten Batterieheizung die Kühlmittelpumpe, das 3-Wege-Ventil, die Heizeinrichtung, der Heizungswärmeübertrager und der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf der warmen Seite über das 4/2-Wege-Ventil im Fahrzeugkabinenheizkreislauf in Reihe geschaltet sind. Der Batteriewärmeübertrager, die Kühlmittelpumpe und die kalte Seite des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers sind im Batterieheizkreislauf in Reihe geschaltet.
In diesem Modus wird das Hochvolt-PTC-Heizelement verwendet, um das Kühlmittel im Fahrzeugkabinenheizkreislauf auf eine für das Heizen der Batterie erforderliche Temperatur zu heizen. Die vom Hochvolt-PTC-Heizelement zur Verfügung gestellte Wärme wird ohne einen direkten Austausch des Kühlmittels über den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an den Batterieheizkreislauf übertragen.
Die Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die angegebene Verschaltung mit der Heizeinrichtung das durch den Heizungswärmeübertrager fließende Kühlmittel direkt erwärmt werden kann. Dies ermöglicht das Aufheizen der Fahrzeugkabine ohne die Verwendung des Verdichters der Kälteanlage. In Fällen, in denen der Verdichter ausgeschaltet oder sogar beschädigt ist, kann die Heizung der Fahrzeugkabine ohne Komfortverlust aufrechterhalten werden. Zusätzlich zur direkten Fahrzeugkabinenheizung kann die überschüssige Wärme aus dem Heizungskühlmittelkreislauf zum indirekten Aufheizen der Batterie verwendet werden, ohne dass das Kühlmittel zwischen den beiden Kreisläufen vermischt wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: Schaltbild Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung,
2: Schaltbild modifizierte Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung durch Wärmepumpenanordnung mit einem Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einem Batterieheizkreislauf,
3: Schaltbild Wärmepumpenanordnung zur direkten Fahrzeugkabinenheizung und
4: Schaltbild Wärmepumpenanordnung zur indirekten Batterieheizung.

In 1 ist eine Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung 1 als Schaltbild mit den wesentlichen Komponenten sowie optionalen Verschaltungen dargestellt. Das thermische Gesamtsystem aus der Kombination von Kühlmittel- und Kältemittelkreisläufen besitzt neben der Kälteanlagen- auch Wärmepumenfunktionalität. Darunter ist zu verstehen, dass mit der Klimatisierungs- und Batteriekühlanordung sowohl Kälte als auch Wärme für das Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann.
Das System besteht aus zwei Kühlmittelkreisläufen und einem Kältemittelkreislauf, wobei die Kühlmittelkreisläufe miteinander koppelbar sind. Dazu ist ein 4/2-Wege-Kühlmittelventil 21 vorgesehen, um den A/C-Kühlmittelkreislauf und den E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf in einem großen seriellen Kreislauf zu vereinen oder auch vollständig voneinander zu trennen. Durch die serielle Kopplung von Teilsträngen des A/C-Kühlmittelkreislauf mit dem E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf kann der Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 zusätzlich neben dem A/C-Kühlmittelradiator 20 und dem Umgebungswärmeübertrager 5 des Kältemittelkreislaufes für die Abgabe von Kondensationswärme an die Umgebungsluft 33 eingesetzt werden.
Der Kältemittelkreislauf beginnt beim Verdichter 2 und nachfolgendem Kondensator 3. Es schließen sich zwei Teilstränge an, ein Teilstrang verläuft über das Expansionsorgan 4 mit nachfolgendem Umgebungswärmeübertrager 5 sowie Rückschlagklappe 15 und der zweite Teilstrang verläuft über ein Absperrventil 6, wonach sich beide Teilstränge wieder vereinen. Nachfolgend sind drei Wärmeübertrager als Verdampfer mit jeweils zugehörigem Expansionsorgan geschaltet. Das Expansionsorgan 7 mit dem vorderen Verdampfer 10, das Expansionsorgan 8 mit dem hinteren Verdampfer 11 und das Expansionsorgan 9 mit dem Chiller 12. Parallel zum Chiller 12 ist ein Bypass über ein Absperrventil 14 ausgeführt. Die Stränge über die Verdampfer 10, 11 werden zusammengeführt und über einen Rückschlagklappe 16 geführt und vereinigt mit dem Bypass und dem Strang aus dem Chiller 12. Der Kältemitteldampf gelangt über den Niederdruck-Sammler 13 in den Verdichter 2, der Kreislauf ist geschlossen.
Der A/C-Kühlmittelkreislauf ist nach der Kühlmittelpumpe 17 über ein 3-Wege-Ventil 18 schaltbar hin zum A/C-Kühlmittelradiator 20 und/oder zum Heizungswärmeübertrager 19. Der Strang zum A/C-Kühlmittelradiator 20 hin verläuft weiter zum Kondensator 3 zur Kühlmittelpumpe 17, der Kreislauf ist geschlossen. Der Strang über den Heizungswärmeübertrager 19 wird vor oder am Kondensatoreingang mit dem Strang über den A/C-Kühlmittelradiator 20 vereinigt.
Darüber hinaus können die E-Antriebsstrangkomponenten, Inverter 29, Wandler 30, E-Motorwärmeübertrager 31, die in Fluidströmungsrichtung zwischen dem Antriebsstrangkühlmittelradiator 32 und dem A/C-Kühlmittelradiator 20 seriell durchströmt werden, als Wärmespeicher eingesetzt werden, um im Stillstand eine bestimmte Menge an Abwärme aus dem Kälteanlagensystem zu speichern. Diese zwischengespeicherte Wärme kann später bei der vollständigen Trennung der Kühlmittelkreisläufe im Fahrbetrieb an die Umgebung abgegeben werden. Im Heizmodus, im Wärmepumpenbetrieb, kann die zwischengespeicherte Wärme beziehungsweise die Abwärme aus den E-Antriebsstrang-Komponenten als Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels genutzt und diese Wärme damit dem System zur Beheizung zugänglich gemacht werden. Auf diese Weise erlaubt das thermische Gesamtsystem der Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung hohe Kälte- und Heizleistungen auf eine sehr effiziente Weise bereitzustellen.
Im E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf sind verschiedene Stränge über ein 3-Wege-Ventil 34 geschaltet. Ein Strang mit Inverter 29, Wandler 30, E-Motorwärmeübertrager 31 wird angetrieben durch eine Kühlmittelpumpe 28. Ein weiterer Strang ist als Batteriekühl- beziehungsweise -heizstrang mit einer Kühlmittelpumpe 22, der Heizeinrichtung 23 und dem Batteriewärmeübertrager 25, der funktionsgemäß als Batteriekühler oder als Batterieheizer eingesetzt wird, sowie einem Bypass zum Batteriewärmeübertrager 25 ausgestaltet. Der Bypass wird über ein 3-Wege-Ventil 24 geschaltet. In einem dritten Strang ist der Chiller 12 über ein Absperrventil 26 eingebunden und kann mit dem Batteriewärmeübertrager 25 und/oder den E-Antriebsstrangkomponenten, Inverter 29, Wandler 30, E-Motorwärmeübertrager 31 als Kreislauf zur Kühlung diese Komponenten betrieben werden. Das 3-Wege-Ventil 27 verbindet die Stränge hin zum Antriebsstrangkühlmittelradiator 32.
Der A/C-Kühlmittelkreislauf ist in einer dünnen Doppellinie dargestellt.
Der Kältemittelkreislauf ist in einer Doppellinie mittlerer Strichstärke dargestellt. Der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ist in einer dicken Doppellinie dargestellt.
In der Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung 1 gemäß 1 erfolgt das Aufheizen der in die Fahrzeugkabine einströmenden Luft ausschließlich über die Wärmepumpenmodi des Systems. Hierzu muss zwangsläufig der Kältemittelkreislauf und damit zwangsläufig der Verdichter 2 betrieben werden, wobei als Verdichter 2 bevorzugt ein elektrischer Kältemittelverdichter und insbesondere ein Scrollverdichter eingesetzt wird.
Das Hochvolt-PTC Heizelement als Heizeinrichtung 23 kann in der Ausführungsform nach 1 nicht für die direkte Erwärmung des Kühlmittels des Fahrzeugkabinenheizkreislaufes verwendet werden, welches durch den Heizungswärmeübertrager 19 fließt. Im Falle eines Verdichterausfalls im Kältemittelkreislauf kann die Fahrzeugkabine trotz der vorhandenen Heizeinrichtung 23 nicht mehr geheizt werden.
In der Wärmepumpenanordnung nach 2 ist die Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung 1 nach 1 modifiziert ausgeführt mit dem Ziel, unabhängig vom Wärmepumpenmodus des Kältemittelkreislaufes die Fahrzeugkabine mit Wärme zu versorgen.
Der Kältemittelkreislauf entspricht dem in 1 dargestellten Kältemittelkreislauf in seiner Funktion und seinen Komponenten. Die Wärmepumpenanordnung unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Anlage dadurch, dass die Heizeinrichtung 23, hier ausgeführt als Hochvolt-PTC-Heizelement, aus dem Batteriekühlkreislauf entfernt und in den AC-Kühlmittelkreislauf unmittelbar vor den Heizungswärmeübertrager 19 versetzt wurde. Gemäß seiner neuen Funktionalität wird der AC-Kühlmittelkreislauf in diesem Strang nun als Fahrzeugkabinenheizkreislauf bezeichnet. Das Kühlmittel, welches im Falle der Erwärmung der Fahrzeugkabinenluft funktionsgemäß als Wärmeträger zu bezeichnen ist, durchströmt nach der Heizeinrichtung 23 den Heizungswärmeübertrager 19 und gelangt zum 4/2-Wege-Ventil 35. Ein Ausgang des zusätzlichen 4/2-Wege-Ventils 35 ist im AC-Kühlmittelkreislauf verbunden mit dem Kühlmittel-Eingang des Kondensators 3. Die beiden verbleibenden Anschlüsse des 4/2-Wege-Ventils 35 bilden eine Schleife und sind verbunden mit einem Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37 und bilden dessen warme Seite. Die kalte Seite des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 37 ist eingebunden in den Batteriekühlkreislauf, welcher gemäß der Funktion zur Beheizung der Batterie als Batterieheizkreislauf nunmehr in diesem Zusammenhang bezeichnet wird. Im Batterieheizkreislauf ist der Batteriewärmeübertrager 25 sowie die Kühlmittelpumpe 22, ein 3-Wege-Ventil 24 und ein 5-Wege-Ventil 36 angeschlossen. Ergänzt wird der Batterieheizkreislauf durch den Chiller 12 und im weiteren Sinne auch von dem analog zu 1 vorhandenen E-Antriebsstrangkühlmittelkreislauf. Das 5-Wege-Ventil 36 verbindet die einzelnen Stränge des E-Antriebsstrangkühlmittelkreislaufes und verschaltet diese Stränge.
Der AC-Kühlmittelkreislauf ist in der Ausgestaltung nach 2 im weiteren analog zur Ausgestaltung nach 1 ausgeführt und gestattet über das 4/2-Wege-Kühlmittelventil 21 die serielle Durchströmung des AC-Kühlmittelradiators 20 sowie des Antriebsstrangkühlmittelradiators 32 analog der Funktionalität der Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung 1 gemäß 1.
Somit ist neben der veränderten Positionierung der Heizeinrichtung 23 in den Fahrzeugkabinenheizkreislauf hinein aus dem Batteriekühlkreislauf heraus nur weiterhin das 4/2-Wege-Ventil 35 mit der Einbindung des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 37 hinzugekommen. Damit wird mit relativ geringem apparativem Aufwand die Funktionalität der Gesamtanlage erheblich verbessert. Konzeptionsgemäß wird dafür lediglich die Heizeinrichtung 23 zur direkten Wärmeversorgung von Batterie- und Fahrzeugkabine an anderer Stelle und mit Kopplung des Batterieheizkreislaufes eingesetzt. Auf diese Weise wird das Heizen des Fahrzeuginnenraums bei kalten Temperaturen trotz eines Verdichterausfalls sichergestellt. Besonders bevorzugt befindet sich das 4/2-Wege-Ventil 35 am Austritt des Heizungswärmeübertragers 19 und der Wärmeträgerstrom kann nach dem Heizungswärmeübertrager 19 durch den indirekten Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37 geleitet werden. Letztgenannter Wärmeübertrager dient zur Wärmeübertragung vom Fahrzeugkabinenheizkreislauf auf den Batterieheizkreislauf.
Somit kann eine einzige Heizeinrichtung 23 zum direkten Aufheizen des Fahrzeugkabinenheizkreislaufes und zum indirekten Aufheizen des Batterieheizkreislaufes eingesetzt werden. Weiterhin wird im Wärmepumpenmodus des Kältemittelkreislaufes zusätzliche Verdampfungswärme zum Verdampfen des Kältemittels über den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37 am Chiller 12 bereitgestellt. In diesem Fall kann auch die überschüssige Kondensationswärme aus dem Kältemittelkreislauf über den AC-Kühlmittelkreislauf in den Batteriekühlmittel- oder Batterieheizkreislauf eingespeist werden, um dort entweder als Verdampfungswärme im Chiller 12 oder als Wärmequelle zum Heizen der Batterie verwendet zu werden.
Durch diese vorteilhafte Erweiterung des Systems ist es möglich, überschüssige Wärme aus dem Fahrzeugkabinenheizkreislauf zu nutzen, um den Kältemittelkreislauf effizienter zu betreiben.
In 3 ist die Schaltung der Wärmepumpenanordnung zur direkten Beheizung der Fahrzeugkabinenluft gezeigt. Dazu ist ein Fahrzeugkabinenheizkreislauf als
Teil des AC-Kühlmittelkreislaufes geschaltet. Die Kühlmittelpumpe 17 treibt den Fahrzeugkabinenheizkreislauf an und der Wärmeträger gelangt über das 3-Wege-Ventil 18 zur Heizeinrichtung 23. Dort wird der Wärmeträger erwärmt und gelangt zur Wärmeabgabe an die Fahrzeugkabinenluft in den Heizungswärmeübertrager 19 der entsprechenden, jedoch nicht näher dargestellten, Klimaanlage des Fahrzeuges. Nach dem Heizungswärmeübertrager 19 strömt der Wärmeträger in entsprechender Stellung des 4/2-Wege-Ventils 35 zum, in diesem Modus funktionslosen, Kondensator 3 des Kältemittelkreislaufes und von dort zur Kühlmittelpumpe 17, der Kreislauf ist geschlossen. Die Wärme aus der Heizeinrichtung 23 wird, von entsprechenden Verlusten abgesehen, vollständig im Heizungswärmeübertrager 19 an die Fahrzeugkabinenluft übertragen.
In diesem Modus ist der Kältemittelkreislauf nicht aktiv, so dass die Wärmepumpenfunktion der Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung 1 nicht zur Verfügung steht.
4 zeigt eine Erweiterung der Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung 1 durch eine Schaltung der Wärmepumpenanordnung, wobei der Fahrzeugkabinenheizkreislauf nach dem Heizungswärmeübertrager 19 am 4/2-Wege-Ventil 35 zur Einbindung des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 37 geschaltet ist. Der Fahrzeugkabinenheizkreislauf versorgt somit neben dem Heizungswärmeübertrager 19 auch den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37 mit Wärme, welcher die Wärme auf seiner kalten Seite an den Batterieheizkreislauf abgibt. Der Batterieheizkreislauf wird gebildet durch den vorgenannten Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37, danach den in diesem Modus funktionslosen Chiller 12 und den Batteriewärmeübertrager 25, über welchen die Wärme zur Erreichung der optimalen Arbeitstemperatur der Batterie des batterieelektrischen Fahrzeuges an dieselbe abgegeben wird. Nach dem Batteriewärmeübertrager 25 wird der Wärmeträger innerhalb des Batterieheizkreislaufes zur Kühlmittelpumpe 22 und über das 3-Wege-Ventil 24 zum 5-Wege-Ventil 36 und von dort zum Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37 geführt, der Batterieheizkreislauf ist geschlossen. In diesem Modus sind die beiden Wärmeträgerkreisläufe, der Fahrzeugkabinenheizkreislauf und der Batterieheizkreislauf, über den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 37 thermisch miteinander gekoppelt, wobei die Wärmeenergie sowohl für den Heizungswärmeübertrager 19 als auch für den Batteriewärmeübertrager 25 über die Heizeinrichtung 23 in das System eingebracht wird.
Bezugszeichenliste

1: Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung
2: Verdichter
3: Kondensator
4: Expansionsorgan
5: Umgebungswärmeübertrager
6: Absperrventil
7: Expansionsorgan
8: Expansionsorgan
9: Expansionsorgan
10: Vorderer Verdampfer
11: Hinterer Verdampfer
12: Chiller
13: Niederdruck-Sammler
14: Absperrventil
15: Rückschlagklappe
16: Rückschlagklappe
17: Kühlmittelpumpe
18: 3-Wege-Ventil
19: Heizungswärmeübertrager
20: A/C-Kühlmittelradiator
21: 4/2-Wege-Kühlmittelventil
22: Kühlmittelpumpe
23: Heizeinrichtung
24: 3-Wege-Ventil
25: Batteriewärmeübertrager
26: Absperrventil
27: 3-Wege-Ventil
28: Kühlmittelpumpe
29: Inverter
30: Wandler
31: E-Motorwärmeübertrager
32: Antriebsstrangkühlmittelradiator
33: Umgebungsluft
34: 3-Wege-Ventil
35: 4/2-Wege-Ventil
36: 5-Wege-Ventil
37: Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
38: Bypass

Claims

Wärmepumpenanordnung für Elektrofahrzeuge mit einem Fahrzeugkabinenheizkreislauf und einem Batterieheizkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugkabinenheizkreislauf in Strömungsrichtung des Wärmeträgers einen Heizungswärmeübertrager (19) ein 4/2-Wege-Ventil (35), eine Kühlmittelpumpe (17) und eine Heizeinrichtung (23) zur direkten Beheizung der Fahrzeugkabinenluft aufweist und dass die warme Seite eines Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (37) über das 4/2-Wege-Ventil (35) an den Fahrzeugkabinenheizkreislauf zur indirekten Beheizung des Batterieheizkreislaufes angeschlossen ist, wobei der Batterieheizkreislauf einen Batteriewärmeübertrager (25), eine Kühlmittelpumpe (22) und den Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (37) aufweist, wobei die kalte Seite des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (37) in den Batterieheizkreislauf eingebunden ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugkabinenheizkreislauf in einen A/C-Kühlmittelkreislauf und der Batterieheizkreislauf in einen E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf einer Klimatisierungs- und Batteriekühlanordnung (1) integriert sind, wobei der A/C-Kühlmittelkreislauf und der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf über ein 4/2-Wege-Kühlmittelventil (21) derart miteinander gekoppelt sind, dass der A/C-Kühlmittelkreislauf und der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf separat betreibbar oder seriell durchströmbar ausgebildet sind und der A/C-Kühlmittelkreislauf neben den Komponenten des Fahrzeugkabinenheizkreislaufes mindestens einen A/C-Kühlmittelradiator (20) zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft (33) und einen Kondensator (3) aufweist, über welchen der A/C-Kühlmittelkreislauf thermisch mit einem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf neben den Komponenten des Batterieheizkreislaufes eine Kühlmittelpumpe (22), einen Antriebsstrangkühlmittelradiator (32) zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft (33) und einen Chiller (12) aufweist, über welchen der E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf thermisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der Kältemittelkreislauf mindestens einen Verdichter (2), den Kondensator (3), einen Umgebungswärmeübertrager (5) zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft (33) oder die Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft (33), ein Expansionsorgan (9) und den Chiller (12) aufweist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmeübertrager (19) zur Beheizung der Fahrzeugkabine parallel oder alternativ zum A/C-Kühlmittelradiator (20) schaltbar im A/C-Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf eine Kühlmittelpumpe (28) und/oder mindestens ein Inverter (29) und/oder mindestens ein E-Motorwärmeübertrager (31) parallel zum Batteriewärmeübertrager (25) durchströmbar ausgebildet sind.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf ein Expansionsorgan (4) nach dem Kondensator (3) und vor dem Umgebungswärmeübertrager (5) angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf ein vorderer Verdampfer (10) mit zugehörigem und vorgeschalteten Expansionsorgan (7) und/oder ein hinterer Verdampfer (11) mit zugehörigem und vorgeschalteten Expansionsorgan (8) parallel geschaltet angeordnet sind und/oder ein Niederdruck-Sammler (13) im Kältemittelkreislauf vor dem Verdichter (2) angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im E-Antriebsstrang-Kühlmittelkreislauf ein 5-Wege-Ventil (36) angeordnet ist, an welchem der Antriebsstrangkühlmittelradiator (32), der Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (37), der Batteriewärmeübertrager (25), die E-Motorwärmeübertrager (31) und ein Bypass (38) angeschlossen sind.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Batteriewärmeübertrager (25) über ein 3-Wege-Ventil (24) ein Bypass für das Kühlmittel angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (23) als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Fahrzeugkabinenheizung die Kühlmittelpumpe (17), das 3-Wege-Ventil (18), die Heizeinrichtung (23), der Heizungswärmeübertrager (19) über das 4-Wege-Ventil (35) im Fahrzeugkabinenheizkreislauf in Reihe geschaltet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur indirekten Batterieheizung die Kühlmittelpumpe (17), das 3-Wege-Ventil (18), die Heizeinrichtung (23), der Heizungswärmeübertrager (19) und die warme Seite Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (37) über das 4/2-Wege-Ventil (35) im Fahrzeugkabinenheizkreislauf in Reihe geschaltet sind und dass der Batteriewärmeübertrager (25), die Kühlmittelpumpe (22) und die kalte Seite des Kühlmittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (37) im Batterieheizkreislauf in Reihe geschaltet sind.