DE102020130195B3 - Refrigeration system for a motor vehicle for heating an electrical energy store, method for operating such a refrigeration system and motor vehicle with such a refrigeration system - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Kälteanlage (10) für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage (10) umfasst:einen Kältemittelverdichter (12); einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager (18); einen Verdampfer (22); einen als weiteren Verdampfer arbeitenden, direkt oder indirekt wirkenden weiteren Wärmeübertrager (28), insbesondere Chiller, der mit einem Kühlmittelkreislauf (28.2) verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf (28.2) zum Wärmeaustausch mit wenigstens einem Energiespeicher (40) für elektrische Energie verbunden ist; wobei der Verdampfer (22) und der weitere Wärmeübertrager (28), insbesondere Chiller, parallel zueinander angeordnet sind, derart dass Kältemittel wahlweise dem Verdampfer (22) oder/und dem weiteren Wärmeübertrager (28) zuführbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Kälteanlage (10) dazu eingerichtet ist, unter Hochdruck stehendes, erhitztes Kältemittel unter Auslassung des Verdampfers (22) zu dem weiteren Wärmeübertrager (28), insbesondere Chiller, zu leiten, so dass im Kühlmittelkreislauf (28.2) zirkulierendes Kühlmittel erwärmt wird und als Wärmequelle zur Abgabe von Wärme an den Energiespeicher (40) dient. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieben einer solchen Kälteanlage beschrieben und ein Fahrzeug mit einer solchen Kälteanlage.A refrigeration system (10) for an at least partially electrically driven motor vehicle is described, the refrigeration system (10) comprising: a refrigerant compressor (12); a directly or indirectly acting external heat exchanger (18); an evaporator (22); a further heat exchanger (28), in particular a chiller, which works as a further evaporator and acts directly or indirectly, which is connected to a coolant circuit (28.2), the coolant circuit (28.2) being connected to at least one energy store (40) for electrical energy for heat exchange; wherein the evaporator (22) and the further heat exchanger (28), in particular the chiller, are arranged parallel to one another, such that refrigerant can be fed to the evaporator (22) and/or the further heat exchanger (28) as desired. It is provided that the refrigeration system (10) is set up to conduct high-pressure, heated refrigerant while omitting the evaporator (22) to the further heat exchanger (28), in particular the chiller, so that the coolant circulating in the coolant circuit (28.2). is heated and serves as a heat source for dissipating heat to the energy store (40). Furthermore, a method for operating such a refrigeration system and a vehicle with such a refrigeration system are described.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst: einen Kältemittelverdichter; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager; einen Verdampfer und einen als weiteren Verdampfer arbeitenden, direkt oder indirekt wirkenden weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, der mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf zum Wärmeaustausch mit wenigstens einem Energiespeicher für elektrische Energie verbunden ist.The invention relates to a refrigeration system for an at least partially electrically driven motor vehicle, the refrigeration system comprising: a refrigerant compressor; a direct or indirect external heat exchanger; an evaporator and an additional heat exchanger, in particular a chiller, which works as an additional evaporator and acts directly or indirectly, which is connected to a coolant circuit, the coolant circuit being connected to at least one energy store for electrical energy for heat exchange.
Aus der
Weitere Heiz- und Kühlsysteme für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs sind aus der
Die
Bei Energiespeichern, insbesondere Hochvoltenergiespeichern bzw. Hochvoltbatterien, für Kraftfahrzeuge ist es bekannt, dass insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen eine maximale Ladekapazität einer Ladestation bzw. deren maximale Ladeleistung aufgrund hoher interner Widerstände des Energiespeichers nicht erreicht werden kann. Ferner können bei derartigen Umgebungstemperaturen auch im Fahrbetrieb nicht die maximalen Ströme bzw. Antriebsleistung bereitgestellt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Heizen des Energiespeichers oft vor Beginn einer Fahrt bzw. vor oder während des Ladevorgangs des Energiespeichers an einer Ladestation erfolgt.In the case of energy storage devices, in particular high-voltage energy storage devices or high-voltage batteries for motor vehicles, it is known that a maximum charging capacity of a charging station or its maximum charging capacity cannot be achieved, particularly at low ambient temperatures, due to the high internal resistance of the energy storage device. Furthermore, at such ambient temperatures, the maximum currents or drive power cannot be provided even when driving. To make matters worse, the energy store is often heated before the start of a journey or before or during the charging process of the energy store at a charging station.
Dies führt bei der Nutzung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs insbesondere zu Einbußen bei der Reichweite, beim Komfort und bei den Fahreigenschaften. Neben bekannten Kühlmittelkreisläufen zum Heizen/Kühlen des Energiespeichers, wie sie oben erwähnt worden sind, kommen insbesondere für die oben genannten Zuständen (vor der Fahrt, während Ladevorgang), in denen das Fahrzeug steht, auch zusätzliche Hochvolt-Zuheizer zum Einsatz, wie etwa PTC-Widerstände, die im Kühlmittelkreis so eingebunden werden, dass das Kühlmittel und somit der Energiespeicher erwärmt werden können. Solche Hochvolt-Zuheizer kommen insbesondere beim Ladevorgang oder vor Beginn der Fahrt zum Einsatz, was allerdings zu einem erhöhten Verbrauch an elektrischer Energie führt, wobei insbesondere vor Beginn einer Fahrt hierzu auch zuvor im Energiespeicher aufgenommene elektrische Energie wieder verbraucht wird, was sich direkt auf die Reichweite auswirkt.When using an electrically powered vehicle, this leads in particular to losses in range, comfort and driving characteristics. In addition to known coolant circuits for heating/cooling the energy storage device, as mentioned above, additional high-voltage auxiliary heaters, such as PTC, are also used in the above-mentioned states (before driving, during charging) in which the vehicle is stationary -Resistors that are integrated in the coolant circuit in such a way that the coolant and thus the energy storage device can be heated. Such high-voltage auxiliary heaters are used in particular during the charging process or before the start of a journey, which, however, leads to increased consumption of electrical energy, with electrical energy previously stored in the energy storage device being used again for this purpose, in particular before the start of a journey, which has a direct impact on the affects range.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine verbesserte und vereinfachte Art der Erwärmung von Energiespeichern für ein Kraftfahrzeug anzugeben.The object on which the invention is based is seen as specifying an improved and simplified way of heating energy stores for a motor vehicle.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage, ein Verfahren zum Betrieben dieser Kälteanlage und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage gemäß den jeweils unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a refrigeration system, a method for operating this refrigeration system and a motor vehicle with such a refrigeration system according to the respective independent patent claims. Advantageous configurations with expedient developments are specified in the dependent patent claims.
Vorgeschlagen wird also eine Kälteanlage für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei die Kälteanlage umfasst:
- einen Kältemittelverdichter; einen direkt oder indirekt wirkenden äußeren Wärmeübertrager; einen Verdampfer; einen als weiteren Verdampfer arbeitenden, direkt oder indirekt wirkenden weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, der mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf zum Wärmeaustausch mit wenigstens einem Energiespeicher für elektrische Energie verbunden ist; wobei der Verdampfer und der weitere Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, parallel zueinander angeordnet sind, derart dass Kältemittel wahlweise dem Verdampfer oder/und dem weiteren Wärmeübertrager zuführbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Kälteanlage dazu eingerichtet ist, unter Hochdruck stehendes, erhitztes Kältemittel unter Auslassung des Verdampfers zu dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, zu leiten, so dass im Kühlmittelkreislauf zirkulierendes Kühlmittel erwärmt wird und als Wärmequelle zur Abgabe von Wärme an den Energiespeicher dient.
- a refrigerant compressor; a direct or indirect external heat exchanger; an evaporator; a further heat exchanger, in particular a chiller, which works as a further evaporator and acts directly or indirectly, which is connected to a coolant circuit, the coolant circuit being connected to at least one energy store for electrical energy for heat exchange; wherein the evaporator and the further heat exchanger, in particular the chiller, are arranged parallel to one another, such that refrigerant can be fed to the evaporator and/or the further heat exchanger as desired. It is provided that the refrigeration system is set up to conduct high-pressure, heated refrigerant to the further heat exchanger, in particular a chiller, while omitting the evaporator, so that the coolant circulating in the coolant circuit is heated and used as a heat source for dissipating heat to the energy store serves.
Hierdurch ist es möglich, Kältemittel mit möglichst hoher Temperatur und ohne vorherige Abkühlung in einem anderen Wärmeübertrager dem für die Konditionierung des Energiespeichers zuständigen weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, zuführen zu können. Somit kann das Kühlmittel mittels der Kälteanlage effizient erwärmt werden, ohne dass hierzu weitere, hohe Mengen elektrische Energie verbrauchende Hochvolt-Zusatzheizer eingesetzt werden müssen. Das Erwärmen des Kühlmittels und somit des Energiespeichers erfolgt insbesondere mittels der Kälteanlage bzw. des Kältemittelkreises, die bzw. der in einem solchen Fahrzeug vorgesehen ist.This makes it possible to use refrigerant at the highest possible temperature and without prior cooling in another heat exchanger, the additional heat exchanger responsible for conditioning the energy store, in particular a chiller, to be able to deliver. The coolant can thus be heated efficiently by means of the refrigeration system without having to use additional high-voltage auxiliary heaters that consume large amounts of electrical energy. The coolant and thus the energy store are heated in particular by means of the refrigeration system or the coolant circuit that is provided in such a vehicle.
Die Kälteanlage kann dazu eingerichtet sein, den äußeren Wärmeübertrager, der hochdruckseitig stromaufwärts von dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, angeordnet ist, derart einzustellen, dass dem durch den äußeren Wärmeübertrager strömenden Kältemittel kaum oder keine Wärme entzogen wird. Insbesondere kann dabei eine Luftzufuhr zu dem äußeren Wärmeübertrager verhindert bzw. unterbunden werden, so dass am weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, maximale Abwärme (vom erhitzten Kältemittel) bereitgestellt werden kann.The refrigeration system can be set up to adjust the external heat exchanger, which is arranged on the high-pressure side upstream of the additional heat exchanger, in particular a chiller, in such a way that little or no heat is extracted from the refrigerant flowing through the external heat exchanger. In particular, an air supply to the outer heat exchanger can be prevented or suppressed, so that maximum waste heat (from the heated refrigerant) can be provided at the further heat exchanger, in particular the chiller.
Alternativ kann die Kälteanlage wenigstens einen den äußeren Wärmeübertrager umgehenden Leitungsabschnitt aufweisen, der dazu eingerichtet ist, einen direkten Kältemittelfluss vom Kältemittelverdichter zu dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, bereitzustellen. Hierdurch kann mittels eines einfachen Bypasses eine Verschaltung der Kälteanlage erreicht werden, bei der am weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, maximale Abwärme (vom erhitzten Kältemittel) bereitgestellt werden kann.Alternatively, the refrigeration system can have at least one line section bypassing the external heat exchanger, which is set up to provide a direct refrigerant flow from the refrigerant compressor to the further heat exchanger, in particular a chiller. In this way, by means of a simple bypass, the refrigeration system can be interconnected in which maximum waste heat (from the heated refrigerant) can be provided at the further heat exchanger, in particular the chiller.
Bei der Kälteanlage kann der weitere Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, in einem Chiller-Leitungsabschnitt der Kälteanlage angeordnet sein, wobei stromaufwärts und stromabwärts von dem weiteren Wärmeübertrager eine jeweilige dem weiteren Wärmeübertrager zugeordnete Ventileinrichtung in dem Chiller-Leitungsabschnitt angeordnet ist. Hierdurch kann der Kältemittelstrom, der direkt vom Kältemittelverdichter zum weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, gelangt, auf ein gewünschtes Temperatur- bzw. Druckniveau eingestellt werden, um eine optimale Erwärmung von Kühlmittel zu erreichen, das den Energiespeicher heizt.In the refrigeration system, the additional heat exchanger, in particular a chiller, can be arranged in a chiller line section of the refrigeration system, with a respective valve device assigned to the additional heat exchanger being arranged in the chiller line section upstream and downstream of the additional heat exchanger. As a result, the refrigerant flow, which arrives directly from the refrigerant compressor to the further heat exchanger, in particular the chiller, can be adjusted to a desired temperature or pressure level in order to achieve optimum heating of the coolant that heats the energy store.
Dabei kann die in Bezug auf die Verschaltung der Kälteanlage und auf die Strömungsrichtung von Kältemittel stromabwärts von dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, angeordnete Ventileinrichtung ein Expansionsventil sein. Durch ein stromabwärts angeordnetes Expansionsventil kann das heiße und unter Hochdruck stehende Kältemittel auf ein gewünschtes Niederdruckniveau entspannt werden, bevor es wieder dem Kältemittelverdichter zugeführt wird.In this case, the valve device arranged downstream of the additional heat exchanger, in particular a chiller, with respect to the wiring of the refrigeration system and the direction of flow of refrigerant can be an expansion valve. By means of an expansion valve arranged downstream, the hot and high-pressure refrigerant can be expanded to a desired low-pressure level before it is fed back to the refrigerant compressor.
Bei der Kälteanlage kann die in Bezug auf die Verschaltung der Kälteanlage und auf die Strömungsrichtung von Kältemittel stromaufwärts von dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, angeordnete Ventileinrichtung ein Expansionsventil oder ein Absperrventil sein.In the refrigeration system, the valve device arranged upstream of the additional heat exchanger, in particular a chiller, with respect to the circuitry of the refrigeration system and the direction of flow of refrigerant can be an expansion valve or a shut-off valve.
Bei der Kälteanlage, insbesondere einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion, kann der Kältemittelverdichter mit einem Primärstrang und einem Sekundärstrang verbindbar oder verbunden sein, und in dem Sekundärstrang kann wenigstens ein dritter, eine Wärmequelle darstellender Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister, angeordnet sein. Dabei kann der äußere Wärmeübertrager im Primärstrang angeordnet sein und der Verdampfer kann im Primärstrang angeordnet sein. Weiter kann zwischen dem Kältemittelverdichter und dem äußeren Wärmeübertrager ein Primärstrangventil angeordnet sein, und zwischen dem Kältemittelverdichter und dem dritten, eine Wärmequelle darstellenden Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, kann ein Sekundärstrangventil angeordnet sein.In the refrigeration system, in particular a refrigeration system with a heat pump function, the refrigerant compressor can be or can be connected to a primary line and a secondary line, and at least a third heat exchanger representing a heat source, in particular a heating register, can be arranged in the secondary line. In this case, the external heat exchanger can be arranged in the primary line and the evaporator can be arranged in the primary line. Furthermore, a primary branch valve can be arranged between the refrigerant compressor and the external heat exchanger, and a secondary branch valve can be arranged between the refrigerant compressor and the third heat exchanger representing a heat source, in particular a heating coil.
Dabei kann bei der Kälteanlage zwischen dem Primärstrangventil und dem äußeren Wärmeübertrager ein weiteres Absperrventil angeordnet sein, wobei zwischen dem Primärstrangventil und dem weiteren Absperrventil ein den äu-ßeren Wärmeübertrager umgehender Leitungsabschnitt des Sekundärstrangs abzweigt. Hierdurch kann ein oben bereits beschriebener Bypass des äußeren Wärmeübertragers auch bei einer Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion bereitgestellt werden.A further shut-off valve can be arranged in the refrigeration system between the primary branch valve and the outer heat exchanger, with a line section of the secondary branch bypassing the outer heat exchanger branching off between the primary branch valve and the further shut-off valve. As a result, a bypass of the external heat exchanger, which has already been described above, can also be provided in a refrigeration system with a heat pump function.
Zusätzlich kann im Sekundärstrang stromabwärts von dem dritten Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, ein Rückschlagventil angeordnet sein, das einen Rückstrom von Kältemittel in den dritten Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, verhindert, wenn das Sekundärstrangventil geschlossen ist, das Primärstrangventil geöffnet ist und das weitere Absperrventil geschlossen ist.In addition, a check valve can be arranged in the secondary line downstream of the third heat exchanger, in particular the heating register, which prevents refrigerant from flowing back into the third heat exchanger, in particular the heating register, when the secondary line valve is closed, the primary line valve is open and the other shut-off valve is closed.
Die Kälteanlage kann eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein nachfolgend beschriebenes Verfahren durchzuführen.The refrigeration system can include a control device that is set up to carry out a method described below.
Vorgeschlagen wird auch ein Verfahren zum Betrieben einer oben beschriebenen Kälteanlage, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Betreiben des Kältemittelverdichters,A method for operating a refrigeration system described above is also proposed, the method comprising the following steps: operating the refrigerant compressor,
Einstellen der Verschaltung der Kälteanlage, derart dass ein Gesamtmassenstrom von Kältemittel unter Hochdruck von dem Kältemittelverdichter zu dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller geleitet wird,
wobei der im Leitungsweg zwischen dem Kältemittelverdichter und dem weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Chiller, angeordnete äußere Wärmeübertrager oder dritte Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, so eingestellt wird, dass die Wärmeabgabe an ein den betreffenden Wärmeübertrager durchströmendes Medium, insbesondere Luft, minimiert wird; oder
wobei Ventileinrichtungen der Kälteanlage so eingestellt werden, dass der Kältemittelstrom an dem äußeren Wärmeübertrager oder an dem dritten Wärmeübertrager, insbesondere Heizregister, vorbei geleitet wird.Adjusting the wiring of the refrigeration system in such a way that a total mass flow of refrigerant is routed under high pressure from the refrigerant compressor to the further heat exchanger, in particular the chiller,
wherein the line between the refrigerant compressor and the further heat exchanger, ins special chillers, arranged external heat exchangers or third heat exchangers, in particular heating registers, are adjusted in such a way that the heat emission to a medium flowing through the relevant heat exchanger, in particular air, is minimized; or
valve devices of the refrigeration system being set in such a way that the flow of refrigerant is routed past the external heat exchanger or the third heat exchanger, in particular a heating register.
Weitere optionale Verfahrensmerkmale können aus den oben beschriebenen strukturellen und funktionalen Merkmale der Kälteanlage abgeleitet werden. Dies beinhaltet insbesondere auch Verfahrensschritte zur Einstellung von Ventileinrichtungen.Other optional process features can be derived from the structural and functional features of the refrigeration system described above. In particular, this also includes method steps for setting valve devices.
Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, kann eine oben beschriebene Kälteanlage aufweisen. Bei einem Elektrofahrzeug kann der effiziente Betrieb der Kälteanlage zu Stromeinsparungen führen, so dass hierdurch eine größere Reichweite des Elektrofahrzeugs erzielt werden kann. Insbesondere kann durch die hier vorgestellte Kälteanlage der Energiespeicher auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das eine optimale Speicherung und Freigabe von elektrischer Energie ermöglicht.A motor vehicle, in particular an at least partially electrically operated motor vehicle, can have a refrigeration system as described above. In an electric vehicle, the efficient operation of the refrigeration system can lead to electricity savings, so that a greater range of the electric vehicle can be achieved as a result. In particular, the energy store can be kept at a temperature level by the refrigeration system presented here that enables optimal storage and release of electrical energy.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
-
1 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug; -
2 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer weiteren Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug; -
3 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer weiteren Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug; -
4 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer weiteren Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug; -
5 ein schematisches und vereinfachtes Schaltbild einer weiteren Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug: -
6 ein vereinfachtes Diagramm eines Verfahrens zum Betrieben einer Kälteanlage.
-
1 a schematic and simplified circuit diagram of a refrigeration system for a motor vehicle; -
2 a schematic and simplified circuit diagram of another refrigeration system for a motor vehicle; -
3 a schematic and simplified circuit diagram of another refrigeration system for a motor vehicle; -
4 a schematic and simplified circuit diagram of another refrigeration system for a motor vehicle; -
5 a schematic and simplified circuit diagram of another refrigeration system for a motor vehicle: -
6 a simplified diagram of a method of operating a refrigeration system.
In
Der Verdampfer 22 ist hier beispielhaft als Frontverdampfer für ein Fahrzeug gezeigt. Der Verdampfer 22 steht stellvertretend auch für weitere in einem Fahrzeug mögliche Verdampfer, wie beispielsweise Fondverdampfer, die strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sein können. Mit anderen Worten umfasst die Kälteanlage 10 also wenigstens einen Verdampfer 22.The
Die Kälteanlage 10 umfasst einen weiteren Wärmeübertrager, insbesondere Verdampfer bzw. Chiller 28. Der Chiller 28 ist strömungstechnisch parallel zum Verdampfer 22 vorgesehen. Der Chiller 28 kann beispielsweise zur Kühlung einer elektrischen Komponente, insbesondere eines hier nur schematisch dargestellten elektrischen Energiespeichers 40 (beispielsweise Hochvolt-Batterie), des Fahrzeugs dienen, aber auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme von wenigstens einer elektrischen Komponente. Dem Chiller 28 ist stromaufwärts ein Expansionsventil AE1 vorgeschaltet. Die elektrische Komponenten bzw. der elektrische Energiespeicher 40 kann mit dem Chiller 28 mittels eines Kühlmittelkreislaufs 28.2 für den Wärmeaustausch verbunden sein.The
Der weitere Wärmeübertrager, insbesondere Chiller 28, ist in einem Chiller-Leitungsabschnitt 28.1 des Kältemittelkreislaufs 11 angeordnet. Der Chiller-Leitungsabschnitt 28.1 erstreckt sich hier beispielsweise zwischen einer Abzweigung Ab4 und einer Abzweigung Ab2. Stromaufwärts und stromabwärts von dem weiteren Wärmeübertrager 28 (Chiller) ist jeweils ein Expansionsventil AE1, AE5 angeordnet.The further heat exchanger, in particular the
Die Kälteanlage 10 kann auch ein elektrisches Heizelement 30 aufweisen, das beispielsweise als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführt ist. Das elektrische Heizelement 30 dient als Zusatzheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 zusammen mit dem Verdampfer 22 in einem Klimagerät 32 untergebracht sein. Dabei kann das elektrische Heizelement 30 dem Verdampfer 22 nachgeschaltet angeordnet sein.The
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Beschreibung des Kältemittelflusses zum Erwärmen bzw. Heizen des Energiespeichers 40 jeweils mit entsprechenden Pfeilsymbolen (>) entlang des Kältemittelkreislaufs 11 in den Figuren dargestellt ist. Es wird weiter darauf hingewiesen, dass in den
Für das Erwärmen bzw. Heizen des Energiespeichers 40 kann die Kälteanlage 10 der
Bei geschlossenem Expansionsventil AE2 wird der gesamte Massenstrom an Kältemittel durch das verlustfrei geöffnete Expansionsventil AE1 geleitet. Danach gelangt das Kältemittel unter Hochdruck und erhitzt in den weiteren Wärmeübertrager 28 (Chiller). Im Chiller 28 erfolgt dann eine Wärmeabgabe an das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 28.2. Das auf diese Weise erwärmte Kühlmittel zirkuliert im Kühlmittelkreislauf 28.2 zum Energiespeicher 40 und erwärmt bzw. heizt diesen.When the expansion valve AE2 is closed, the entire mass flow of refrigerant is routed through the expansion valve AE1, which is open without loss. The refrigerant then arrives under high pressure and is heated in the additional heat exchanger 28 (chiller). In the
Es sei angemerkt, dass für eine Durchströmung des Chillers 28 mit Kältemittel unter Hochdruck dieser entsprechend mechanisch und natürlich auch thermisch auszulegen ist.It should be noted that for the coolant to flow through the
Stromabwärts von dem Chiller 28 ist das Expansionsventil AE5 in dem Chiller-Leitungsabschnit 28.1 angeordnet. Mittels des Expansionsventils AE5 kann das aus dem Chiller 28 austretende Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt werden. Danach gelangt das Kältemittel wieder zum Kältemittelverdichter 12. Mittels der in
Bei dieser beispielhaften Art der Prozessführung erfolgt die Wärmegewinnung für den Hochvoltspeicher per Betrieb der Kälteanlage 10 als Dreiecksprozess. Es wird nur die in Wärme umgewandelte Antriebsleistung des Verdichters 12 für die Wärmeerzeugung herangezogen.In this exemplary type of process management, the heat for the high-voltage storage device is obtained by operating the
Alternativ zu dem oben beschriebenen linksläufigen Dreiecksprozess, bei dem der Chiller 28 mit Kältemittel unter Hochdruck beaufschlagt ist, kann auch ein rechtsläufiger Dreiecksprozess genutzt werden, bei dem der Chiller 28 mit Kältemittel unter reduziertem Mittel- oder Niederdruck beaufschlagt ist. Dabei wird auf AE5 verzichtet und das Kältemittel vom Verdichter 12 kommend über das Expansionsorgan AE1 direkt in den Chiller 28 entspannt. Vorteilhaft dabei ist insbesondere der Einsatz des weiterhin als Niederdruckkomponente ausgelegten Chillers 28. Die zu erwartenden Kältemitteltemperaturen am Eintritt des Chillers 28 sind jedoch niedriger als bei linksläufigem Prozess, da die Isothermen im Bereich von überhitzen Kältemittel innerhalb des Ig p,h-Diagramms nicht senkrecht verlaufen und dadurch über die Expansion Wärmeverluste zu verzeichnen sind.As an alternative to the left-hand triangular process described above, in which the
Über den Bypassabschnitt 18.2 kann bei geöffnetem Absperrventil A2 und bei geschlossenem Absperrventil A6 das erhitzte Kältemittel von dem Kältemittelverdichter 12 zum Chiller 28 strömen, und zwar unter Umgehung des äußeren Wärmeübertragers 18. Bei dieser Einstellung der Absperrventile A2 und A6 kann also ein Erwärmen bzw. Heizen des Energiespeichers 40 erfolgen, wobei stromabwärts von dem äußeren Wärmeübertrager 18 bzw. von der Abzweigung Ab6 die obigen Ausführungen zur
Alternativ können die beiden Ventile A2 und A6 in ein nicht dargestelltes 3-2-Wege-Ventil zusammengefasst und dieses kann in der Abzweigstelle Ab3 angeordnet werden.Alternatively, the two valves A2 and A6 can be combined in a 3-2-way valve (not shown) and this can be arranged in the branch point Ab3.
Zusätzlich kann in diesem Bypass-Abschnitt 18.2 stromaufwärts des Abzweigpunktes Ab4 ein weiteres Rückschlagventil R3 (gestrichelt dargestellt) positioniert werden, um für bestimmte Systembetriebszustände eine Kältemittelumverlagerung zu vermeiden. Über eine nicht dargestellte Verbindungsleitung auf die Niederdruckseite des Kältekreislaufs 10, die ihrerseits ein ansteuerbares Absperrorgan aufweist, kann eine Absaugung von Kältemittel, im Fall eines inaktiven Systemabschnittes 18.2, erfolgen.In addition, another check valve R3 (shown in broken lines) can be positioned in this bypass section 18.2 upstream of the branching point Ab4, in order to avoid refrigerant relocation for certain system operating states. In the case of an inactive system section 18.2, refrigerant can be sucked off via a connecting line (not shown) to the low-pressure side of the
Über den Bypassabschnitt 18.2 kann bei geöffnetem Absperrventil A2 und bei geschlossenem Absperrventil A6 das erhitzte Kältemittel von dem Kältemittelverdichter 12 zum Chiller 28 strömen, und zwar unter Umgehung des äußeren Wärmeübertragers 18. Optional kann zur Vermeidung von Kältemittelumverlagerungen ein Rückschlagventil R2 vorgesehen sein, das beispielsweise stromaufwärts von dem Abzweig Ab4 angeordnet ist. Auch hier können die beiden Absperrventile A2 und A6 in ein 3-2-Wegeventil zusammengeführt werden, das im Abzweigpunkt Ab3 angeordnet werden kann.When the shut-off valve A2 is open and the shut-off valve A6 is closed, the heated refrigerant can flow from the
Generell sei angemerkt, dass insbesondere auch durch die Zusammenführung von Einzelventilen, wie bspw. A2 und A6, zu Mehrwegeventilen, die Anzahl an separaten ausgeführten Komponenten reduziert und die Kompaktheit des Systems erhöht und damit der Bauraumbedarf reduziert werden kann.In general, it should be noted that the combination of individual valves, such as A2 and A6, to form multi-way valves reduces the number of separately designed components and increases the compactness of the system, thereby reducing the space required.
Auch bei einer Konfiguration der Kälteanlage 10 gemäß
Alternativ ist das Absperrventil A2 geöffnet und das Absperrventil A6 ist geschlossen und das Kältemittel strömt ohne Wärmeaufnahme aus seinem Umfeld über den Leitungsabschnitt 18.2 hin zum Chiller 28.Alternatively, the shut-off valve A2 is open and the shut-off valve A6 is closed and the refrigerant flows from its surroundings via the line section 18.2 to the
Der Bypassabschnitt 18.2 erstreckt in dieser Konfiguration von dem Abzweig Ab3 zu einem Abzweig Ab7. Beim Abzweig Ab7 sind der Bypassabschnitt 18.2 und der Chiller-Leitungsabschnitt 28.1 miteinander verbunden. Anders ausgedrückt kann auch davon gesprochen werden, dass zwischen dem Abzweig Ab3 und dem Abzweig Ab4 ein Chiller-Leitungsabschnitt gebildet ist. Im Übrigen ist die Kälteanlage 10 der
Über den Bypassabschnitt 18.2 kann bei geöffnetem Absperrventil A2 und bei geschlossenem Absperrventil A6 das erhitzte Kältemittel von dem Kältemittelverdichter 12 zum Chiller 28 strömen, und zwar unter Umgehung des äußeren Wärmeübertragers 18. Während bei den Kälteanlagen der
Bei dieser Einstellung der Absperrventile A2 und A6 kann also ein Erwärmen bzw. Heizen des Energiespeichers 40 erfolgen, wobei das Kältemittel im Kältemittekreislauf zwischen dem Abzweig Ab3 und dem Abzweig Ab2 eine andere Strömungsrichtung aufweist als in den zuvor beschriebenen Beispielen der
Im Rahmen der Beschreibung der
Die Kälteanlage 10 umfasst weiter einen dritten Wärmeübertrager, insbesondere ein Heizregister 26 (auch als Heizkondensator oder Heizgaskühler bezeichnet). Stromaufwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A3 angeordnet. Stromabwärts des Heizregisters 26 ist ein Absperrventil A1 angeordnet. Ferner ist stromabwärts des Heizregisters 26 ein Expansionsventil AE4 angeordnet.The
Im Rahmen der Beschreibung der
Die Kälteanlage 10 der
Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 11 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 12 bei offenem Absperrventil A4 in den äußeren Wärmeübertrager 18. Von dort strömt es zu dem Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 und dem vollständig geöffneten Expansionsventil AE3. Über einen Abzweigpunkt Ab1 kann das Kältemittel zum Expansionsventil AE2 und in den Innenraum-Verdampfer 22 strömen (Verdampferabschnitt 22.1). Parallel oder alternativ kann das Kältemittel über einen Abzweigpunkt Ab4 und das Expansionsventil AE1 in den Chiller 28 strömen (Chillerabschnitt 28.1). Aus dem Verdampfer 22 oder/und dem Chiller 28 strömt das Kältemittel niederdruckseitig in den Sammler 24 und durch den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 20 zurück zum Verdichter 12.In AC operation of the
In dem AC-Betrieb ist der Heizzweig 16.1 bzw. der Sekundärstrang 16 mittels des Absperrventils A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel nicht durch das Heizregister 26 strömen kann. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 16.1 kann das als Absperrventil ausgebildete Absperrorgan A5 geöffnet werden, so dass das Kältemittel über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2, in Richtung des Sammlers 24 strömen kann.In AC operation, the heating branch 16.1 or the
Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 11 wird das Absperrventil A4 geschlossen und das Absperrventil A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel in den Heizzweig 16.1 strömen kann.In the heating mode of the
Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 28 zur Realisierung eines Wasser-Wärmepumpenbetriebs strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 in das Heizregister 26 . Am Heizregister 26 wird Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L abgegeben. Das Kältemittel strömt anschließend über das geöffnete Absperrventil A1 und den Abzweigpunkt Ab1. Es wird mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 zur Aufnahme von Abwärme der in einem Kühlmittelkreislauf 28.2 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsventile AE3 und AE4 geschlossen, das Absperrventil A5 geschlossen und das Absperrventil A2 geöffnet. Dabei kann über das Absperrventil A2 im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus einem Bidirektionalzweig 14.1 bzw. dem Primärstrang 14 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Sammler 24 zugeführt werden.In order to carry out the heating function by means of the
Zur Durchführung der Heizfunktion für den Innenraum des Kraftfahrzeugs mittels des äußeren Wärmeübertragers 18 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 12 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A3 zur Abgabe von Wärme an einen Zuluftstrom L in das Heizregister 26. Anschließend wird es über das geöffnete Absperrventil A1 mittels des Expansionsventils AE3 in den äußeren Wärmeübertrager 18 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt. Danach strömt das Kältemittel über einen Wärmepumpenrückführzweig 15 zum Sammler 24 und zurück zum Kältemittelverdichter 12. Die Expansionsventile AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei, ebenso wie das Absperrventil A5, geschlossen.To carry out the heating function for the interior of the motor vehicle by means of the
Eine indirekte Dreiecksschaltung kann dadurch realisiert werden, dass bei geöffnetem Absperrventil A1 das von dem Kältemittelverdichter 12 verdichtete Kältemittel mittels des Expansionsventils AE1 in den Chiller 28 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 28.2 kein Massenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Fluid, wie etwa Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, auf der Kühlmittelseite des Chillers 28 stehen bleibt bzw. der Chiller 28 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Die Expansionsventile AE2, AE3 und AE4 bleiben bei dieser Schaltvariante geschlossen.An indirect delta connection can be implemented in that, when the shut-off valve A1 is open, the refrigerant compressed by the
Bei einem Nachheiz- bzw.- Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 22 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet. Mit der auf das Kältemittel durch Verdampfung und Entfeuchtung übertragenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Verdichter 12 zugeführten Wärme kann der Zuluftstrom L mittels des Heizregisters 26 vollständig oder zumindest teilweise wieder erwärmt werden.In an after-heating or reheat operation, the supply air flow L fed into the vehicle interior is first cooled by means of the
Hierzu weist die Kälteanlage 10, insbesondere das Klimagerät 32, zwischen dem Verdampfer 22 und dem Heizregister 26 einstellbare, insbesondere steuerbare und schwenkbare, Temperaturklappen auf, die hier aber nicht weiter dargestellt sind.For this purpose, the
Die in
Bei dieser Einstellung der Absperrventile A2, A3, A4 und A6 kann also ein Erwärmen bzw. Heizen des Energiespeichers 40 erfolgen, wobei das Kältemittel im Kältemittekreislauf zwischen dem Abzweig Ab6 und dem Abzweig Ab4, also in dem als Bypassabschnitt genutzten Reheat-Zweig 16.2, eine andere Strömungsrichtung aufweist als in einem oben beschriebenen Reheat- oder Wärmepumpenbetrieb der Kälteanlage 10 der
Alternativ kann die Kälteanlage 10 der
Ausgehend vom Kältemittelverdichter 12 wird das Sekundärstrangventil A3 geöffnet und das Primärstrangventil geschlossen. Das Kältemittel strömt durch das Heizregister 26, die vollständig geöffneten Ventile A1 und AE1 zum Chiller 28. Dabei sind die Expansionsventile AE3 und AE4 geschlossen. Entsprechend herrscht im Heizregister 26 und im Chiller 28 Hochdruck und nach dem Expansionsventil AE5 (stromabwärts von dem Chiller 28) Niederdruck. Um an dem Chiller 28 möglichst heißes Kältemittel bereitstellen zu können, wird bei dieser Verschaltung auch darauf geachtet, dass das Heizregister 26 nicht mit Luft beaufschlagt wird zum Erwärmen von Innenraumluft.Starting from the
Eine weitere alternative Verschaltung der Kälteanlage 10 kann wie folgt aussehen, wobei auch bei dieser Verschaltung kein Absperrventil A6 und Rückschlagventil R5 erforderlich sind. Der Kältemittelfluss für diese Verschaltung ist nicht in der
Generell sei zu allen
Ein Verfahren 500, das mittels einer der oben beschriebenen Kälteanlagen 10 der
Wie sich aus den obigen Beschreibungen der Kälteanlagen 10 der
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