DE102020111505B4

DE102020111505B4 - Wärmepumpenanordnung für batteriebetriebene Fahrzeuge und Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung

Info

Publication number: DE102020111505B4
Application number: DE102020111505.9A
Authority: DE
Inventors: Navid Durrani; Toni Spies; Tobias Haas
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2040-04-29
Also published as: DE102020111505A1

Abstract

Wärmepumpenanordnung für batteriebetriebene Kraftfahrzeuge,- aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (1), einem Innenkondensator (2), einem Expansionsorgan (34), einem Außenwärmeübertrager (4) sowie einem 3/2-Wege-Expansionsventil (8), einem Batteriechiller (9) und einem Kältemittelsammler (10), wobei- zwischen dem Innenkondensator (2) und dem Expansionsorgan (34) zum Kältemittelsammler (10) ein Bypass (12) mit einem Expansionsorgan (14) und einem Antriebsstrangchiller (15) angeordnet ist und- aufweisend einen Kühlmittelkreislauf (17) mit einem Kühlmittelkühler (18) und einem Batteriewärmeübertrager (19) mit zugeordneter Kühlmittelpumpe (20) sowie einem parallel zum Batteriewärmeübertrager (19) angeordneten Antriebsstrangkühler (16) mit zugeordneter Kühlmittelpumpe (21), wobei- eine Batteriekühlschleife (22) mit dem Batteriewärmeübertrager (19), der Kühlmittelpumpe (20), einem 3/2-Wege-Ventil (25) und dem Batteriechiller (9) auf der Kühlmittelseite und- eine Elektroantriebskühlschleife (23) mit dem Antriebsstrangkühler (16), der Kühlmittelpumpe (21), einem 3/2-Wege-Ventil (26) und dem Antriebsstrangchiller (15) auf der Kühlmittelseite derart ausgebildet sind, dass- die Batteriekühlschleife (22) und die Elektroantriebskühlschleife (23) unabhängig voneinander und unabhängig vom Kühlmittelkreislauf (17) als separate Kreisläufe betreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung für batteriebetriebene Kraftfahrzeuge. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung in ausgewählten Betriebsmodi.
Das Einsatzgebiet der Erfindung liegt auf dem Gebiet von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, die als Energiespeicher in aller Regel Hochvoltbatterien für die Energieversorgung des Antriebsstranges des Fahrzeuges nutzen.
Dabei spielt eine effiziente Wärmeversorgung des Fahrzeuges in Kombination mit einem optimalen Wärmemanagement der Batterie und des elektrischen Antriebsstranges eine wichtige Rolle.
Elektrische batteriebetriebene Fahrzeuge erzeugen relativ wenig Abwärme und somit besteht bei derartigen Fahrzeugen regelmäßig das Bedürfnis, Wärme für die Beheizung der Fahrzeugkabine effizient zu erzeugen und in ausreichender Menge und angemessenem Temperaturniveau zur Verfügung zu stellen.
Im Stand der Technik sind für diese Konstellation Kältemittelkreisläufe für Kälteanlagen- und Wärmepumpenschaltungen bekannt, die insbesondere auf batteriebetriebene Fahrzeuge zugeschnitten sind.
Allerdings sind diese Systeme häufig sehr komplex und nur selten in der Lage, die Bedürfnisse und Anforderungen der Fahrzeuginsassen nach einer angemessenen Wärmeversorgung über die Klimaanlage des Fahrzeuges zu kombinieren mit der in den verschiedenen Betriebszuständen jeweils optimal erforderlichen Kühlung oder auch Erwärmung der Batterie und des elektrischen Antriebsstranges.
Aus der DE 10 2016 224 703 A1 ist ein Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug mit einem Batteriemodul und einem elektrischen Modul bekannt.
Weiterhin geht aus der DE 10 2017 201 686 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage eines Fahrzeuges hervor, welches eines Kältekreislauf und einen Wärmepumpenkreislauf aufweist.
Die DE 10 2009 043 316 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Innenraumtemperatur eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs und Klimaanlagensystem, wobei die Fahrzeugbatterie dirket oder indirekt an den Kältemittelkreislauf thermisch derart gekoppelt ist, dass der Kältemittelkreislauf wahlweise die Batterie kühlt als auch aufheizt und wahlweise Wärme der Batterie in den Kältemittelkreislauf eingespeist werden kann.
Schließlich offenbart die JP H09- 290 622 A eine Fahrzeugklimaanlage, bei welcher Wärme durch Gasinjektion im Kältemittelverdichter für die Beheizung des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpenanordnung für batteriebetriebene Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen, welche eine erhöhte Effizienz der Wärmepumpe für die Versorgung der Klimaanlage mit Wärme für die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges kombiniert mit der Möglichkeit einer optimalen Wärmeversorgung und insbesondere Kühlung der Batterie.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den selbstständigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Wärmepumpenanordnung für batteriebetriebene Fahrzeuge gelöst, welche einen Kältemittelkreislauf aufweist, der einen Verdichter, einen Innenkondensator, ein Expansionsorgan vor einem Außenwärmeübertrager sowie ein 3/2-Wege-Expansionsventil vor einem Batteriechiller und einen Kältemittelsammler aufweist, wobei zwischen dem Innenkondensator und dem Expansionsorgan zum Kältemittelsammler hin ein Bypass mit einem Expansionsorgan und einem Antriebsstrangchiller angeordnet ist. Weiterhin weist die Wärmepumpenanordnung einen Kühlmittelkreislauf auf, welcher einen Kühlmittelkühler und einen Batteriewärmeübertrager mit zugeordneter Kühlmittelpumpe sowie einen parallel zum Batteriewärmeübertrager angeordneten Antriebsstrangkühler mit zugeordneter Kühlmittelpumpe aufweist. Es ist weiterhin eine Batteriekühlschleife mit dem Batteriewärmeübertrager, der Kühlmittelpumpe, einem 3/2-Wege-Ventil und dem Batteriechiller auf der Kühlmittelseite vorgesehen. Weiterhin ist eine Elektroantriebskühlschleife mit dem Antriebsstrangkühler, der Kühlmittelpumpe, einem 3/2-Wege-Ventil und dem Antriebsstrangchiller auf der Kühlmittelseite derart ausgebildet, dass die Batteriekühlschleife und die Elektroantriebskühlschleife unabhängig voneinander und unabhängig vom Kühlmittelkreislauf als separate Kreisläufe betreibbar ausgebildet sind.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Innenkondensator ein Wärmeübertrager zu verstehen, der innerhalb der Klimaanlage des Kraftfahrzeuges Wärme an den Luftstrom der Klimaanlage für die Beheizung der Fahrzeugkabine abgibt. Als Außenwärmeübertrager ist ein Wärmeübertrager vorgesehen, der im Wärmepumpenbetrieb der Anordnung als Radiator Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt oder im Kälteanlagenbetrieb Wärme an die Umgebungsluft abgibt.
Ein Batteriechiller ist ein Wärmeübertrager, der auf einer Seite in den Kältemittelkreislauf und auf der anderen Seite in den Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, wobei der Batteriechiller auf der Kühlmittelseite den Batteriewärmeübertrager mit Kälte versorgt und Wärme auf der Kältemittelseite abgibt.
Der Kältemittelsammler wird auch als Akkumulator bezeichnet und kann gegebenenfalls auch als Abscheider für flüssiges Kältemittel vor dem Verdichter ausgeführt und betrieben werden.
Unter einem Bypass ist eine Kältemittelleitung zu verstehen, welche eine Komponente des Kältemittelkreislaufes umgeht oder einen Teil des Kältemittelmassenstromes parallel zu der betreffenden Komponente leitet.
Der Kühlmittelkreislauf des Fahrzeuges ist mit dem Kältemittelkreislauf thermisch über die Chiller gekoppelt und enthält in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, welches je nach Betriebszustand des gesamten Systems als Kühlmittel oder auch als Wärmeträger fungiert.
Der Kühlmittelkühler ist ein Radiator, der Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Der Batteriewärmeübertrager nimmt im Kühlmittelkreislauf Abwärme von der Batterie auf und führt sie ab, um eine optimale Betriebsweise der Batterie zu ermöglichen. Auch der Antriebsstrangkühler nimmt Wärme von den Komponenten des Antriebsstranges zur Kühlung desselben auf. Komponenten des Antriebsstranges sind beispielsweise elektronische Abwärme produzierende Komponenten sowie der elektromotorische Antrieb selbst.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass eine Wärmepumpenverschaltung angewandt wird, die auf der Saugseite zwei Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, sogenannte Chiller verwendet, um Verdampfungswärme aus unterschiedlichen Kühlmittelkreisläufen aufzunehmen.
Der erste Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, der Batteriechiller, dient hauptsächlich der aktiven Kühlung der beispielsweise als Hochvoltbatterie ausgeführten Batterie des Fahrzeuges bei warmen Umgebungstemperaturen. Dabei wird das zwischen dem Batteriewärmeübertrager und dem Batteriechiller strömende Kühlmittel durch die Aufnahme von Verdampfungswärme unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlt.
Unter einer aktiven Kühlung wird hierbei verstanden, dass Kälte durch das Betreiben des Kältemittelkreislaufes im Kälteanlagenmodus für die Kühlung der Batterie zur Verfügung gestellt wird und somit eine Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur realisiert wird.
Der zweite Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, der Antriebsstrangchiller, dient bei kalten beziehungsweise sehr kalten Umgebungstemperaturen hauptsächlich der Abwärmerückgewinnung durch die Aufnahme von Verdampfungswärme aus den Komponenten des elektrischen Antriebsstranges mit nachfolgender zur Verfügungstellung für die Beheizung der Fahrzeugkabine durch die Klimaanlage.
Durch die Verwendung von zwei separaten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragern sowie deren Anbindung im Kältekreis kann sowohl die Funktionalität und die Effizienz des thermischen Systems im Heizmodus erhöht, als auch die Komplexität auf der Kühlmittelseite verringert werden.
Damit sind diverse Vorteile verbunden.
Es ergibt sich eine erhöhte Funktionalität dahingehend, dass eine aktive Kühlung der Hochvoltbatterie sowie die Nutzung der Abwärme von elektrischen Antriebsstrangkomponenten gleichzeitig erfolgt, ohne dass es zu einer Vermischung des Kühlmittels zwischen diesen beiden Kühlmittelkreisläufen kommt.
Eine erhöhte Effizienz ist dadurch gegeben, dass im Wärmepumpenbetrieb über den Bypass zum Batteriechiller das im Außenwärmeübertrager verdampfte und teilweise überhitzte Kältemittel direkt zum Kältemittelsammler geführt werden kann. Auf diese Weise wird der kältemittelseitige Druckabfall in der Saugleitung, hervorgerufen durch die geringe Saugdichte des Kältemittels, auf ein minimales Maß reduziert.
Weiterhin ist als Vorteil die reduzierte Komplexität auf der Kühlmittelseite zu nennen. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers wird die Anzahl der Kühlmittelventile verglichen mit einem System mit nur einem einzelnen Chiller signifikant reduziert.
Die Wärmepumpenanordnung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme für die Fahrzeugkabinenheizung über den in der Klimaanlage befindlichen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, den Innenkondensator, direkt an die in den Innenraum strömende Luft abgegeben wird.
Weiterhin kann der Kältemittelmassenstrom nach der Wärmeabgabe im Innenkondensator in zwei parallele Strömungspfade aufgeteilt werden.
Der erste Pfad strömt in Richtung des außenliegenden Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers, den Außenwärmeübertrager.
Der zweite Pfad strömt in Richtung des zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, dem Antriebsstrangchiller. Beide Strömungspfade werden vor dem Kältemittelsammler wieder vereint.
Durch den Bypass des ersten 3/2-Wege-Expansionsventils kann das Kältemittel am Außenwärmeübertrager vorbei in Richtung des Verdampfers und des ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, dem Batteriechiller, strömen. Durch den Bypass des zweiten 3/2-Wege-Expansionsventils kann das Kältemittel am ersten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, dem Batteriechiller, vorbei in Richtung des Kältemittelsammlers strömen.
Bevorzugt ist das Expansionsorgan nach dem Innenkondensator und vor dem Außenwärmeübertrager als 3/2-Wege-Expansionsventil ausgebildet.
Die eingesetzten 3/2-Wege-Expansionsventile weisen eine Expansionsfunktion und eine Bypassfunktion auf.
Vorteilhaft ist im Kältemittelkreislauf eine Klimaanlage mit dem Innenkondensator, einer zusätzlichen Heizeinrichtung sowie einem Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan ausgebildet, wobei der Verdampfer parallel zum Batteriechiller angeordnet ist.
Die zusätzliche Heizeinrichtung ist bevorzugt als elektrische Heizeinrichtung, beispielsweise als PTC-Heizer, ausgebildet.
Das erste 3/2-Wege-Expansionsventil weist auf dem Strömungspfad zum Außenwärmeübertrager vorteilhaft eine Expansionsfunktion und auf dem Strömungspfad zum Bypass des Außenwärmeübertragers eine ungedrosselte Bypassfunktion auf.
Das zweite 3/2-Wege-Expansionsventil vor dem Batteriechiller weist wiederum eine Expansionsfunktion auf dem Strömungspfad zum Batteriechiller auf und auf dem Strömungspfad zum Bypass des Batteriechillers ist eine ungedrosselte Bypassfunktion ausgeführt.
Vorteilhaft ist in dem Batteriewärmeübertrager eine Batterieheizeinrichtung integriert, welche je nach Betriebsmodus zur Erreichung optimaler Betriebsbedingungen für die Batterie betrieben werden kann.
Der Antriebsstrangkühler ist vorteilhaft zur Kühlung der elektrischen und elektronischen Komponenten des elektrischen Antriebsstranges ausgebildet. Darunter sind beispielsweise der Inverter und die Steuerelektronik des Elektromotors und der elektromotorische Antrieb selbst zu verstehen.
Die Wärmepumpenanordnung wird weiterhin vorteilhaft dadurch ausgebildet, dass der Außenwärmeübertrager und der Kühlmittelkühler in einer Kühlereinheit zusammengefasst ausgebildet sind, wobei der Außenwärmeübertrager in Strömungsrichtung der Umgebungsluft vor dem Kühlmittelkühler angeordnet ist.
Alternativ sind der Außenwärmeübertrager und der Kühlmittelkühler vorteilhaft in einer Kühlereinheit zusammengefasst, wobei der Außenwärmeübertrager in Strömungsrichtung der Umgebungsluft hinter dem Kühlmittelkühler angeordnet ist.
Vorteilhaft sind in der Wärmepumpenanordnung zwei separate Kühlmittelkreisläufe als Elektroantriebskühlmittelkreislauf und als Batteriekühlmittelkreislauf ausgebildet, wobei der Kühlmittelkühler als 4-Punkt-Niedertemperaturkühler ausgebildet ist und die Kühlmittelkreisläufe direkt mit dem 4-Punkt-Niedertemperaturkühler verbunden sind.
Bevorzugt sind zwei separate Kühlmittelkreisläufe als Elektroantriebskühlmittelkreislauf und als Batteriekühlmittelkreislauf mit separaten Kühlmittelkühlern ausgebildet, wobei der Kühlmittelkühler für den Batteriekühlmittelkreislauf in Strömungsrichtung der Umgebungsluft vor dem Kühlmittelkühler für den Elektroantriebskühlmittelkreislauf angeordnet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung vorteilhaft dadurch gelöst, dass zum Kühlen Kältemittel nach dem Verdichter im Innenkondensator keine Wärme an die Klimaanlage abgibt und das 3/2-Wege-Expansionsventil oder das Expansionsorgan nach dem Innenkondensator ohne Entspannung durchströmt wird und nachfolgend Wärme im Außenwärmeübertrager unter Kondensation an die Umgebungsluft abgegeben wird. Anschließend wird ein erster Teilmassenstrom nach Entspannung im Expansionsorgan im Verdampfer der Klimaanlage zur Kühlung der Luft der Fahrzeugkabine verdampft und ein zweiter Teilmassenstrom parallel zum ersten Teilmassenstrom im 3/2-Wege-Expansionsventil entspannt und im Batteriechiller zur aktiven Kühlung des Kühlmittelkreislaufes der Batteriekühlschleife verdampft. Danach gelangt der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer und dem Batteriechiller über den Kältemittelsammler zum Verdichter. Die Batteriekühlschleife ist als separater Kreislauf mit dem Batteriechiller, der Kühlmittelpumpe und dem 3/2-Wege-Ventil geschaltet und der Kühlmittelkreislauf zur passiven Kühlung des Antriebsstrangkühlers ist mit einer weiteren Kühlmittelpumpe und dem Kühlmittelkühler als Kreislauf geschaltet.
Das Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung zum Reheat wird vorteilhaft dadurch charakterisiert, dass das Kältemittel nach dem Verdichter im Innenkondensator Wärme an die Klimaanlage abgibt. Danach wird das 3/2-Wege-Expansionsventil oder das Expansionsorgan entweder mit Entspannung des Kältemittels auf ein Mitteldruckniveau oder ohne Entspannung durchströmt und nachfolgend wird Wärme im Außenwärmeübertrager von der Umgebungsluft aufgenommen oder abgegeben, je nach Betriebssituation. Anschließend wird das Kältemittel im Expansionsorgan vor dem Verdampfer auf Niederdruck entspannt und nimmt schließlich im Verdampfer der Klimaanlage zur Kühlung der Luft der Fahrzeugkabine Wärme auf und verdampft. Den Kreislauf schließend gelangt der Kältemitteldampf über den Kältemittelsammler zum Verdichter. Dabei ist der Kühlmittelkreislauf mit dem Batteriechiller, der Kühlmittelpumpe und dem 3/2-Wege-Ventil und parallel dazu der Antriebsstrangkühler, die Kühlmittelpumpe und dem 3/2-Wege-Ventil zur passiven Kühlung durch den Kühlmittelkühler geschaltet.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung zum Heizen derart ausgestaltet, dass das Kältemittel nach dem Verdichter im Innenkondensator Wärme an die Klimaanlage abgibt und anschließend ein erster Teilmassenstrom das 3/2-Wege-Expansionsventil oder das Expansionsorgan mit Entspannung durchströmt und Wärme im Außenwärmeübertrager aus der Umgebungsluft aufnimmt, nachfolgend über das 3/2-Wege-Expansionsventil und den Bypass zum Kältemittelsammler und nachfolgend zum Verdichter gelangt. Der zweite Teilmassenstrom wird vor dem 3/2-Wege-Expansionsventil beziehungsweise vor dem Expansionsorgan über den Bypass und das Expansionsorgan vor dem Antriebsstrangchiller geleitet expandiert. Im Antriebsstrangchiller verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme aus der Elektroantriebskühlschleife und der Kältemitteldampf gelangt über den Kältemittelsammler zum Verdichter. Dabei ist die Elektroantriebskühlschleife mit dem Antriebsstrangkühler, der Kühlmittelpumpe, dem 3/2-Wege-Ventil und dem Antriebsstrangchiller zur aktiven Kühlung des Antriebsstrangkühlers geschaltet.
Mit der Erfindung sind diverse Vorteile erzielbar. Durch die parallele Aufteilung des Kältemittels nach dem im Klimagerät befindlichen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, dem Innenkondensator, sowie die Durchströmung des zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, des Antriebsstrangchillers, mit einem Teilmassenstrom kann Abwärme sowohl im Reheat- als auch im Heizbetrieb aus dem elektrischen Antriebsstrang aufgenommen werden.
Eine aktive Kühlung der Hochvoltbatterie, unabhängig von der Nutzung der Abwärme der elektrischen Antriebsstrangkomponenten, kann erfolgen, ohne dass es zu einer Vermischung des Kühlmittels zwischen diesen beiden Kreisen kommt.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist die Möglichkeit der parallelen Wärmeaufnahme im Heizbetrieb. Hierzu wird ein Teil des Kältemittelmassenstromes durch den außenliegenden Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, den Außenwärmeübertrager, und ein anderer Teil durch den zweiten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, den Antriebsstrangchiller, geleitet. Der Gesamtdruckverlust auf der Saugseite des Kältekreislaufes wird erheblich minimiert, da nur ein Teil des Kältemittelmassenstromes durch die jeweiligen Wärmeübertrager geleitet wird, woraus eine hohe Effizienz des Kältekreislaufes resultiert.
Die Aufteilung des Kältemittelmassenstromes zwischen den beiden Teilströmen wird stufenlos zwischen Null und Hundert Prozent durch die Expansionsventile in dem jeweiligen Kreis eingestellt, wodurch eine hohe Flexibilität der Anordnung hinsichtlich der Funktionalität gesichert ist.
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: Fließbild einer Wärmepumpenanordnung mit Kältemittel- und Kühlmittelkreislauf,
2a: 3/2-Wege-Expansionsventil,
2b: 3/2-Wege-Expansionsventil Schaltbelegung,
3: Fließbild Wärmepumpenanordnung im Kühlmodus,
4: Wärmepumpenanordnung im Reheatmodus,
5: Wärmepumpenanordnung im Heizmodus,
6: Fließbild Wärmepumpenanordnung Variante mit Expansionsorgan,
7: Fließbild Wärmepumpenanordnung Variante mit Kühlereinheit,
8: Fließbild Wärmepumpenanordnung mit 4-Punkt-Wärmeübertrager und
9: Fließbild Wärmepumpenanordnung mit separaten Kühlmittelkreisläufen.

In 1 ist das Fließbild einer Wärmepumpenanordnung dargestellt. Die Wärmepumpenanordnung besteht im Wesentlichen aus einem Kältemittelkreislauf und aus einem Kühlmittelkreislauf 17, welche thermisch miteinander gekoppelt sind. Der Kältemittelkreislauf ist in einer Doppellinie und der Kühlmittelkreislauf in einer Volllinie dargestellt.
Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter 1 auf, in welchem der Kältemitteldampf verdichtet wird. Das Kältemittelgas hoher Temperatur gelangt anschließend in den Innenkondensator 2, wo es unter Wärmeabgabe bei hohem Druck kondensiert. Die Wärme wird abgegeben an die zu erwärmende Luft, welche die Klimaanlage 7 zur Beheizung der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges durchströmt. Weiterhin ist in der Klimaanlage 7 der Verdampfer 5 mit zugehörigem Expansionsventil 6 angeordnet. Ergänzt wird die Klimaanlage 7 durch eine Heizeinrichtung 24, welche als elektrische Hochvoltheizung für den Fall nicht ausreichend zur Verfügung stehender Kondensationswärme zur ergänzenden oder alternativen Beheizung der Fahrzeugkabine vorgesehen ist. Das Kältemittel strömt nach dem Innenkondensator 2 zum 3/2-Wege-Expansionsventil 3. Das 3/2-Wege-Expansionsventil 3 hat einen Eingang 3 sowie zwei Ausgänge 1 und 2.
Die Schaltbelegung des 3/2-Wege-Expansionsventils 3 wird in den 2a und 2b dargestellt und zugehörig beschrieben.
Das Kältemittel kann vom Eingang 3 zum Ausgang 2 und nachfolgend über den Außenwärmeübertrager 4 und eine Rückschlagklappe 27 zum Verdampfer 5 und dem vorgeschalteten Expansionsventil 6 strömen. Nach dem Verdampfer strömt das Kältemittel über die Rückschlagklappe 28 zum Kältemittelsammler 10, der Kreislauf ist geschlossen.
Der Kältemittelkreislauf wird ergänzt um einen Bypass 12, welcher vor dem 3/2-Wege-Expansionsventil 3 abzweigt und einen ersten Teilmassenstrom des Kältemittels zum Antriebsstrangchiller 15 und zugehörigem Expansionsventil 14 leitet, wohingegen der zweite Teilmassenstrom zum 3/2-Wege-Expansionsventil 3 strömt. Nach dem Antriebsstrangchiller 15 gelangt das Kältemittel zum Kältemittelsammler 10.
Vom Eingang 3 des 3/2-Wege-Expansionsventils 3 zum Ausgang 1 ist eine Bypassfunktion in das 3/2-Wege-Expansionsventil 3 integriert. Am Ausgang 1 strömt das Kältemittel über den Bypass 11, der parallel zum Außenwärmeübertrager 4 geschaltet ist, zum Verdampfer 5 mit zugehörigem Expansionsorgan 6.
Parallel zum Verdampfer 5 ist ein 3/2-Wege-Expansionsventil 8 in der Art des 3/2-Wege-Expansionsventils 3 angeordnet, von dessen Eingang 3 zum Ausgang 2 hin das Kältemittel expandiert und nachfolgend über den Batteriechiller 9 zum Kältemittelsammler 10 und dem Verdichter 1 strömen kann.
Alternativ zur Strömung über den Batteriechiller 9 strömt das Kältemittel vom Eingang 3 des 3/2-Wege-Expansionsventils 8 zum Ausgang 1 und über den Bypass 13 unter Umgehung des Batteriechillers 9 zum Kältemittelsammler 10. Die Wärmepumpenanordnung wird ergänzt durch einen Kühlmittelkreislauf 17, welcher parallel geschaltet einen Batteriewärmeübertrager 19 und einen Antriebsstrangkühler 16 aufweist. Der Kühlmittelkreislauf 17 gibt im Kühlmittelkühler 18 seine Wärme an die Umgebungsluft 29 ab. Die beiden als Radiatoren ausgebildeten Wärmeübertrager, der Außenwärmeübertrager 4 und der Kühlmittelkühler 18, sind gemeinsam in der Kühlereinheit 30 des Fahrzeuges angeordnet, wobei gemäß der dargestellten Ausführungsform die Umgebungsluft 29 zuerst den Außenwärmeübertrager 4 und nachfolgend den Kühlmittelkühler 18, der auch als Niedertemperatur-Radiator bezeichnet wird, passiert.
Der Batteriewärmeübertrager 19 ist in eine Batteriekühlschleife 22 eingebunden, welche neben dem Batteriewärmeübertrager 19 eine Kühlmittelpumpe 20, sowie ein 3/2-Wege-Ventil 25 und den Batteriechiller 9 aufweist. Der Batteriewärmeübertrager 19 besitzt eine Batterieheizeinrichtung 33, welche gegebenenfalls zur Erzeugung optimaler Betriebsbedingungen für die Fahrzeugbatterie anstelle der Kühlung betrieben werden kann.
Der Kühlmittelkreislauf 17 wird weiterhin erweitert durch eine Elektroantriebskühlschleife 23, welche neben dem Antriebsstrangkühler 16 eine Kühlmittelpumpe 21, ein 3/2-Wege-Ventil 26 und den Antriebsstrangchiller 15 aufweist. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit der dargestellten Wärmepumpenanordnung im Kältemittelkreislauf den Kältemittelmassenstrom nach dem Innenkondensator 2 aufzuteilen in einen Kältemittelmassenteilstrom über den Antriebsstrangchiller 15 und in einen weiteren Kältemittelmassenteilstrom über den Batteriechiller 9.
2a zeigt das 3/2-Wege-Expansionsventil 3 und 8 schematisch. In 2b ist die Schaltdarstellung in den Betriebsstellungen I, II und III dargestellt. Die 3/2-Wege-Expansionsventile 3, 8 besitzen drei Anschlüsse, jeweils einen Eingang 3 und zwei Ausgänge 1 und 2.
Gemäß Schaltstellung I sind alle drei Anschlüsse geschlossen und das 3/2-Wege-Expansionsventil 3 und 8 wird nicht durchflossen.
Gemäß der Schaltdarstellung II strömt Kältemittel vom Eingang 3 zum Ausgang 2, wobei in dieser Betriebsvariante je nach Öffnungszustand eine Expansionsfunktion bis hin zur vollständigen Öffnung ohne Druckverlust realisiert werden kann.
Gemäß Schaltstellung III ist der Anschluss 2 geschlossen und das Kältemittel strömt vom Eingang 3 zum Ausgang 1 in einer Bypassfunktion ohne Druckverlust. Dabei wird das Kältemittel über den Ausgang 1 zum jeweiligen Bypass 11, 13 gemäß 1 geführt.
3 zeigt die Wärmepumpenanordnung gemäß 1 im Betriebsmodus Kühlen. Die nicht durchströmten Leitungen sind als dünne Volllinien dargestellt. In diesem Modus strömt das Kältemittel nach dem Verdichter 1 ohne Wärmeabgabe durch den Innenkondensator 2 zum 3/2-Wege-Expansionsventil 3 und dort vom Eingang 3 zum Ausgang 2 bei vollständiger Öffnung des Ventils ohne Expansion zum Außenwärmeübertrager 4 der Kühlereinheit 30. Im Außenwärmeübertrager 4 wird das heiße Kältemittel bei Hochdruck von der Umgebungsluft 29 gekühlt und kondensiert. Anschließend strömt das verflüssigte Kältemittel über die Rückschlagklappe 27 zum Expansionsventil 6 mit nachgeschaltetem Verdampfer 5 der Klimaanlage 7. Im Verdampfer 5 verdampft das flüssige Kältemittel und der Kältemitteldampf gelangt zum Kältemittelsammler 10 und von dort in den Verdichter 1.
Parallel zum Verdampfer 5 ist der Batteriechiller 9 im Kältemittelkreislauf geschaltet, so dass ein Kältemittelteilstrom über den Eingang 3 des 3/2-Wege-Expansionsventils 8 zum Ausgang 2 expandiert wird und im Batteriechiller 9 unter Wärmeaufnahme verdampft. Der Kältemitteldampf strömt zum Kältemittelsammler 10 und nachfolgend zum Verdichter 1. Der Batteriechiller 9 arbeitet als Verdampfer und kühlt aktiv die Batteriekühlschleife 22 und der Batteriewärmeübertrager 19 kühlt die Fahrzeugbatterie. Zur Aufrechterhaltung eines Kreislaufes des Kühlmittels wird eine Kühlmittelpumpe 20 in der Batteriekühlschleife 22 betrieben, die Abwärme der Batterie wird vom Batteriewärmeübertrager 19 aufgenommen und über die Batteriekühlschleife 22 zum Batteriechiller 9 transportiert, dort vom Kältemittel unter Verdampfung aufgenommen und als Kältemitteldampf zum Kältemittelsammler 10 und zum Verdichter 1 transportiert.
Der Kühlmittelkreislauf 17 kühlt passiv im Kühlmittelkühler 18 das Kühlmittel, welches im Kreislauf geführt und Wärme im Antriebsstrangkühler 16 aufnimmt. Die aufgenommene Wärme setzt sich zusammen aus der Abwärme des Antriebsstranges sowie der Abwärme der elektrischen und elektronischen Komponenten des Antriebsstranges. Der Kühlmittelkreislauf 17 wird über eine Kühlmittelpumpe 21 und ein entsprechend geschaltetes 3/2-Wege-Ventil 26 geschaltet.
In 4 ist der Reheatbetrieb der Wärmepumpenanordnung gemäß 1 dargestellt. Unter einem Reheatbetrieb versteht man die Kühlung der Luft in der Klimaanlage zur Entfeuchtung und die nachfolgende Erwärmung der Luft auf eine gewünschte Temperatur vor der Ausgabe in die Fahrzeugkabine des Fahrzeuges. Somit müssen in der Klimaanlage 7 gleichzeitig Kälte zur Entfeuchtung und Wärme zur Beheizung der Luft vom Kältemittelkreislauf bereitgestellt werden. Der Verdichter 1 verdichtet und erwärmt den Kältemitteldampf, welcher nachfolgend im Innenkondensator 2 kondensiert und Wärme zur Beheizung der Luft in der Klimaanlage 7 abgibt. Das Kältemittel strömt nachfolgend über das 3/2-Wege-Expansionsventil 3 von dessen Eingang 3 zum Ausgang 2 hin, wobei die Expansionsfunktion das Kältemittel auf einen Mitteldruck entspannt, wonach das Kältemittel im Außenwärmeübertrager 4 Wärme aufnehmen kann. Nachfolgend gelangt das Kältemittel zum Expansionsorgan 6 und zum Verdampfer 5 der Klimaanlage 7. Nach Entspannung auf Niederdruck und Verdampfung des Kältemittels wird die Kälte zur Entfeuchtung des Luftstromes in der Klimaanlage 7 genutzt. Der Kältemitteldampf gelangt nachfolgend zum Kältemittelsammler 10 und zum Verdichter 1.
Der Kühlmittelkreislauf 17 ist geschaltet mit dem Batteriewärmeübertrager 19 und dem Antriebsstrangkühler 16, welche parallel geschaltet sind und Wärme entsprechend von der Batterie und dem elektrischen Antriebsstrang aufnehmen. Die Kühlmittelpumpen 20 und 21 fördern beide bei entsprechender Schaltung der 3/2-Wege-Ventile 25 und 26 das Kühlmittel durch den Kühlmittelkühler 18, in welchem die Wärme passiv an die Umgebungsluft 29 abgegeben wird.
In 5 ist der Betriebsmodus Heizen der Wärmepumpenanordnung gemäß 1 dargestellt, wobei in besonders vorteilhafter Weise zunächst das Kältemittel im Verdichter 1 komprimiert und im Innenkondensator 2 unter Wärmeabgabe kondensiert wird. Soweit die abgegebene Wärme an den Luftstrom innerhalb der Klimaanlage 7 weiter erwärmt werden muss, wird die Heizeinrichtung 24 noch zugeschaltet. Nachfolgend wird der Kältemittelmassenstrom mit einem Teilstrom zum 3/2-Wege-Expansionsventil 3 geführt und gelangt dort vom Eingang 3 unter Drosselung auf den Niederdruck zum Ausgang 2 und nachfolgend zum Außenwärmeübertrager 4, der in diesem Betriebsmodus als Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft 29 geschaltet ist. Der Kältemitteldampf aus dem Außenwärmeübertrager 4 gelangt schließlich zum 3/2-Wege-Expansionsventil 8 und von dessen Eingang 3 zum Ausgang 1 über den Bypass 13 zum Kältemittelsammler 10 und Verdichter 1. Der zweite Kältemittelteilstrom wird vor dem 3/2-Wege-Expansionsventil 3 über den Bypass 12 abgezweigt hin zum Expansionsventil 14 des Antriebsstrangchillers 15, wo das Kältemittel verdampfend Wärme aus der Elektroantriebskühlschleife 23 aufnimmt. Die Abwärme aus dem Antriebsstrangkühler 16 wird innerhalb der Elektroantriebskühlschleife 23 mit der Kühlmittelpumpe 21 und dem 3/2-WegeVentil 26 entsprechend geschaltet zum Antriebsstrangchiller 15 geleitet. Somit wird im Heizmodus sowohl Umgebungswärme über den Außenwärmeübertrager 4 und Abwärme aus dem Antriebsstrang über den Antriebsstrangkühler 16 und den Antriebsstrangchiller 15 im Innenkondensator 2 für die Beheizung der Luft der Fahrzeugkabine zur Verfügung gestellt.
In der Ausgestaltung des Verfahrens gemäß 5 im Heizmodus wird der HV-Batterie keine Wärme entnommen, da das vom Außenwärmeübertrager 4 kommende Kältemittel durch den Bypass 13 des zweiten 3/2-Wege-Expansionsventils 8 zum Kältemittelsammler 10 geleitet wird. Die Kühlmittelpumpe 20 der Batteriekühlschleife 22 wird jedoch vorteilhaft dennoch betrieben, um einen minimalen Kühlmittelvolumenstrom über den Batteriewärmeübertrager 19 aufrecht zu erhalten. Dies ist wichtig, um die HV-Batterie vor thermischen Schäden zu schützen, die durch sogenannte lokale Hotspots in den Batteriezellen verursacht werden. Dabei wird außerdem die von der HV-Batterie in die Batteriekühlschleife 22 eingespeiste Wärme zwischengespeichert und dient zusätzlich der Vergleichmäßigung der Batteriezellentemperatur.
In den vorangehend beschriebenen Betriebsmodi wird zusammengefasst im Betriebsmodus Kühlen das Kältemittel ohne Wärmeabgabe über den Innenkondensator 2 und die gesamte Enthitzungs- beziehungsweise Kondensationswärme des Kältemittels wird ausschließlich im Außenwärmeübertrager 4 an die Umgebungsluft 29 abgegeben. Je nach Kühlanforderung wird das Kältemittel im Verdampfer 5 und/oder im Batteriechiller 9 entspannt und nimmt Verdampfungswärme von der in den Innenraum strömenden Luft und/oder aus dem durch den Batteriewärmeübertrager 19 fließenden Kühlmittel Wärme auf und kühlt dabei die Luft beziehungsweise das Kühlmittel auf eine gewünschte Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur. Hierbei wird die Hochvoltbatterie aktiv über den Kältekreis und die elektrischen Antriebsstrangkomponenten über den Niedertemperaturkühler, den Kühlmittelkühler 18, gekühlt.
Im Betriebsmodus Reheat wird die über den Verdampfer 5 abgekühlte und entfeuchtete Luft über den Innenkondensator 2 auf eine erforderliche Temperatur erhitzt, dabei wird das Kältemittel beim Durchströmen des 3/2-Wege-Expansionsventils 3 zum Außenwärmeübertrager 4 auf ein mittleres Druckniveau entspannt. Durch das Einstellen eines mittleren Druckniveaus wird die Menge der brauchbaren und der überschüssigen Enthitzungs- beziehungsweise Kondensationswärme des Kältemittels zwischen dem Innenkondensator 2 und dem Außenwärmeübertrager 4 variiert. Je nach Heizbedarf kann das 3/2-Wege-Expansionsventil 3 im Expansionsbetrieb soweit geschlossen werden, dass der Außenwärmeübertrager 4 anstelle der Wärmeabgabe an die Umgebungsluft 29 Verdampfungswärme aus der Umgebungsluft 29 aufnehmen kann. Dabei erfolgt der Übergang vom Kondensator- zum Verdampferbetrieb. Je nach Kühlanforderung kann die Hochvoltbatterie zusammen mit den elektrischen Antriebsstrangkomponenten passiv über den Niedertemperaturkühler, den Kühlmittelkühler 18, gekühlt werden.
Im Betriebsmodus Heizen wird die in die Kabine einströmende Luft über den Innenkondensator 2 auf eine erforderliche Temperatur erhitzt. Nach der Wärmeabgabe im Innenkondensator 2 wird ein erster Teil des Kältemittelmassenstromes durch den Außenwärmeübertrager 4 und ein zweiter Teil durch den Antriebsstrangchiller 15 geleitet. Die Aufteilung des Kältemittelmassenstromes zwischen den beiden Passagen wird stufenlos zwischen Null und Hundert Prozent jeweils durch die Expansionsventile in den entsprechenden Passagen eingestellt. Um den kältemittelseitigen Druckverlust auf der Saugseite möglichst gering zu halten, wird das im Außenwärmeübertrager 4 verdampfte und teilweise überhitzte Kältemittel durch den Bypass 13 des zweiten 3/2-Wege-Expansionsventils 8 zum Kältemittelsammler 10 geleitet. Um die Effizienz und die Leistung des Systems zu steigern, wird jegliche Abwärme entweder im System gespeichert oder im Antriebsstrangchiller 15 als Verdampfungswärme aufgenommen.
In 6 ist ein Fließbild einer Wärmepumpenanordnung dargestellt, in welcher statt dem 3/2-Wege-Expansionsventil 3 ein Expansionsorgan 34 ohne einen Bypass des Außenwärmeübertragers 4 vorgesehen ist. Mit dem entfallenden Bypass kann auch das zugehörige Rückschlagventil entfallen. Die weiteren Komponenten sind identisch dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmepumpenanordnung.
In 7 ist ein Fließbild einer Wärmepumpenanordnung gezeigt, in welcher in der Kühlereinheit 30 die Anordnung des Außenwärmeübertragers 4 und des Kühlmittelkühlers 18 im Vergleich zur Ausgestaltung nach 1 vertauscht sind. Im gezeigten Ausgestaltungsbeispiel wird in Strömungsrichtung der Umgebungsluft 29 zuerst der Kühlmittelkühler 18 von der Umgebungsluft 29 durchströmt und nachfolgend der Außenwärmeübertrager 4. Die weiteren Komponenten entsprechen den in 1 dargestellten und beschriebenen Komponenten der Wärmepumpenanordnung.
In 8 ist ein Fließbild einer Wärmepumpenanordnung mit einem besonderen Kühlmittelkühler 18 dargestellt. Bei dieser Variante wird anstelle des Niedertemperaturradiators, ein sogenannter 4-Punkt-Niedertemperaturkühler verwendet, welcher mindestens zwei Eingangs- und zwei Ausgangsstutzen besitzt. Daher wird das Kühlmittel aus den jeweiligen Kühlkreisen über separate Schläuche an den Kühler angeschlossen. Je nach Position der Eingangs- und Ausgangsstutzen kommt es zu einer teilweisen Vermischung des Kühlmittels aus den beiden Kühlmittelkreisen. In der dargestellten Ausführung steht wiederum der Kühlmittelkühler 18 an erster Stelle in Strömungsrichtung der Umgebungsluft 29. Die Kühlmittelkreisläufe sind zur Realisierung in der Kombination mit dem 4-Punkt-Niedertemperaturkühler als Elektroantriebskühlmittelkreislauf 31, als Volllinie dargestellt, und als Batteriekühlmittelkreislauf 32, als gestrichelte Linie dargestellt, unmittelbar an den Kühlmittelkühler 18 herangeführt. Alle weiteren Komponenten entsprechen der in 1 gezeigten Ausgestaltungsform.
9 zeigt schließlich eine Ausgestaltungsform einer Wärmepumpenanordnung, bei welcher für jeden Kühlkreis ein separater Kühler verwendet wird. Hierbei sind die beiden Kühlmittelkühlkreisläufe 31, 32 vollständig voneinander getrennt, sodass es zu keinem Zeitpunkt zu einer Durchmischung des Kühlmittels kommt. Der für den Batteriekühlmittelkreislauf 32 zuständige Kühlmittelkühler 18 steht an erster Stelle und der für den Elektroantriebskühlmittelkreislauf 31 zuständige Kühlmittelkühler 18 steht an letzter Stelle in Strömungsrichtung der Umgebungsluft 29. In der Kühlereinheit 30 sind somit zunächst der Niedertemperaturradiator des Batteriekühlkreislaufes 32, nachfolgend der Außenwärmeübertrager 4 des Kältemittelkreislaufes sowie an letzter Stelle der Kühlmittelkühler 18 des Elektroantriebskühlmittelkreislaufes 31 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Innenkondensator
3: 3/2-Wege-Expansionsventil
4: Außenwärmeübertrager
5: Verdampfer
6: Expansionsorgan
7: Klimaanlage
8: 3/2-Wege-Expansionsventil
9: Batteriechiller
10: Kältemittelsammler
11: Bypass
12: Bypass
13: Bypass
14: Expansionsorgan
15: Antriebsstrangchiller
16: Antriebsstrangkühler
17: Kühlmittelkreislauf
18: Kühlmittelkühler
19: Batteriewärmeübertrager
20: Kühlmittelpumpe Batteriekühlschleife
21: Kühlmittelpumpe Elektroantriebskühlschleife
22: Batteriekühlschleife
23: Elektroantriebskühlschleife
24: Heizeinrichtung
25: 3/2-Wege-Ventil
26: 3/2-Wege-Ventil
27: Rückschlagklappe
28: Rückschlagklappe
29: Umgebungsluft
30: Kühlereinheit
31: Elektroantriebskühlmittelkreislauf
32: Batteriekühlmittelkreislauf
33: Batterieheizeinrichtung
34: Expansionsorgan

Claims

Wärmepumpenanordnung für batteriebetriebene Kraftfahrzeuge, - aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (1), einem Innenkondensator (2), einem Expansionsorgan (34), einem Außenwärmeübertrager (4) sowie einem 3/2-Wege-Expansionsventil (8), einem Batteriechiller (9) und einem Kältemittelsammler (10), wobei - zwischen dem Innenkondensator (2) und dem Expansionsorgan (34) zum Kältemittelsammler (10) ein Bypass (12) mit einem Expansionsorgan (14) und einem Antriebsstrangchiller (15) angeordnet ist und - aufweisend einen Kühlmittelkreislauf (17) mit einem Kühlmittelkühler (18) und einem Batteriewärmeübertrager (19) mit zugeordneter Kühlmittelpumpe (20) sowie einem parallel zum Batteriewärmeübertrager (19) angeordneten Antriebsstrangkühler (16) mit zugeordneter Kühlmittelpumpe (21), wobei - eine Batteriekühlschleife (22) mit dem Batteriewärmeübertrager (19), der Kühlmittelpumpe (20), einem 3/2-Wege-Ventil (25) und dem Batteriechiller (9) auf der Kühlmittelseite und - eine Elektroantriebskühlschleife (23) mit dem Antriebsstrangkühler (16), der Kühlmittelpumpe (21), einem 3/2-Wege-Ventil (26) und dem Antriebsstrangchiller (15) auf der Kühlmittelseite derart ausgebildet sind, dass - die Batteriekühlschleife (22) und die Elektroantriebskühlschleife (23) unabhängig voneinander und unabhängig vom Kühlmittelkreislauf (17) als separate Kreisläufe betreibbar sind.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (34) als 3/2-Wege-Expansionsventil (3) ausgebildet ist und die 3/2-Wege-Expansionsventile (3, 8) mit einer Expansionsfunktion und einer Bypassfunktion ausgebildet sind.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf eine Klimaanlage (7) mit dem Innenkondensator (2), einer Heizeinrichtung (24) sowie einem Verdampfer (5) mit zugehörigem Expansionsorgan (6) ausgebildet ist, wobei der Verdampfer (5) parallel zum Batteriechiller (9) angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Wege-Expansionsventil (3) eine Expansionsfunktion zum Außenwärmeübertrager (4) hin und eine Bypassfunktion mit Bypass (11) zum Außenwärmeübertrager (4) aufweist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Wege-Expansionsventil (8) eine Expansionsfunktion zum Batteriechiller (9) hin und eine Bypassfunktion mit Bypass (13) zum Batteriechiller (9) aufweist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Batteriewärmeübertrager (19) eine Batterieheizeinrichtung integriert ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrangkühler (16) zur Kühlung der elektrischen und elektronischen Komponenten des elektrischen Antriebsstranges ausgebildet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenwärmeübertrager (4) und der Kühlmittelkühler (18) in einer Kühlereinheit (30) zusammengefasst ausgebildet sind, wobei der Außenwärmeübertrager (4) in Strömungsrichtung der Umgebungsluft (29) vor dem Kühlmittelkühler (18) angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenwärmeübertrager (4) und der Kühlmittelkühler (18) in einer Kühlereinheit (30) zusammengefasst ausgebildet sind, wobei der Außenwärmeübertrager (4) in Strömungsrichtung der Umgebungsluft (29) hinter dem Kühlmittelkühler (18) angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Kühlmittelkreisläufe als Elektroantriebskühlmittelkreislauf (31) und als Batteriekühlmittelkreislauf (32) ausgebildet sind, wobei der Kühlmittelkühler (18) als 4-Punkt-Niedertemperaturkühler ausgebildet ist und die Kühlmittelkreisläufe (31, 32) direkt mit dem 4-Punkt-Niedertemperaturkühler verbunden sind.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Kühlmittelkreisläufe als Elektroantriebskühlmittelkreislauf (31) und als Batteriekühlmittelkreislauf (32) mit separaten Kühlmittelkühlern (18) ausgebildet sind, wobei der Kühlmittelkühler (18) für den Batteriekühlmittelkreislauf (32) in Strömungsrichtung der Umgebungsluft (29) vor dem Kühlmittelkühler (18) für den Elektroantriebskühlmittelkreislauf (31) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Kühlen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel nach dem Verdichter (1) im Innenkondensator (2) keine Wärme an die Klimaanlage (7) abgibt und das 3/2-Wege-Expansionsventil (3) oder das Expansionsorgan (34) ohne Entspannung durchströmt und nachfolgend Wärme im Außenwärmeübertrager (4) unter Kondensation an die Umgebungsluft (29) abgibt und anschließend ein erster Teilmassenstrom nach Entspannung im Expansionsorgan (6) im Verdampfer (5) der Klimaanlage (7) zur Kühlung der Luft der Fahrzeugkabine verdampft und ein zweiter Teilmassenstrom parallel zum ersten Teilmassenstrom im 3/2-Wege-Expansionsventil (8) entspannt wird und im Batteriechiller (9) zur aktiven Kühlung des Kühlmittelkreislaufes der Batteriekühlschleife (22) verdampft, wonach der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer (5) und dem Batteriechiller (9) über den Kältemittelsammler (10) zum Verdichter (1) gelangt, wobei die Batteriekühlschleife (22) als Kreislauf mit dem Batteriechiller (9), der Kühlmittelpumpe (20) und dem 3/2-Wege-Ventil (25) geschaltet ist und der Kühlmittelkreislauf (17) mit der Kühlmittelpumpe (21) und dem Kühlmittelkühler (18) zur passiven Kühlung des Antriebsstrangkühlers (16) geschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Reheat, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel nach dem Verdichter (1) im Innenkondensator (2) Wärme an die Klimaanlage (7) abgibt und das 3/2-Wege-Expansionsventil (3) oder das Expansionsorgan (34) mit Entspannung auf ein Mitteldruckniveau oder ohne Entspannung durchströmt und nachfolgend Wärme im Außenwärmeübertrager (4) von der Umgebungsluft (29) aufnimmt oder abgibt und anschließend nach Entspannung im Expansionsorgan (6) auf Niederdruck im Verdampfer (5) der Klimaanlage (7) zur Kühlung der Luft der Fahrzeugkabine verdampft und über den Kältemittelsammler (10) zum Verdichter (1) gelangt, wobei der Kühlmittelkreislauf (17) mit dem Batteriechiller (9), der Kühlmittelpumpe (20) und dem 3/2-Wege-Ventil (25) und parallel dazu der Antriebsstrangkühler (16), die Kühlmittelpumpe (21) und dem 3/2-Wege-Ventil (26) zur passiven Kühlung durch den Kühlmittelkühler (18) geschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Heizen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel nach dem Verdichter (1) im Innenkondensator (2) Wärme an die Klimaanlage (7) abgibt und anschließend ein erster Teilmassenstrom das 3/2-Wege-Expansionsventil (3) oder das Expansionsorgan (34) mit Entspannung durchströmt und Wärme im Außenwärmeübertrager (4) von der Umgebungsluft (29) aufnimmt und nachfolgend über das 3/2-Wege-Expansionsventil (8) und den Bypass (13) und über den Kältemittelsammler (10) zum Verdichter (1) gelangt, wobei der zweite Teilmassenstrom über den Bypass (12) und das Expansionsorgan (14) im Antriebsstrangchiller (15) unter Wärmeaufnahme aus der Elektroantriebskühlschleife (23) verdampft und über den Kältemittelsammler (10) zum Verdichter (1) gelangt, wobei die Elektroantriebskühlschleife (23) mit dem Antriebsstrangkühler (16), der Kühlmittelpumpe (21), dem 3/2-Wege-Ventil (26) und dem Antriebsstrangchiller (15) zur aktiven Kühlung geschaltet ist.