DE102020206757A1 - Vereinfachtes Klimatisierungssystem für Elektrofahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Um ein Klimatisierungssystem (10), insbesondere für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (100), aufweisend einen ersten Kühlmittelkreis (11) mit einem ersten, als Heizungswärmeübertrager ausgestalteten, Wärmeübertrager (20) bereitzustellen, welches kosteneffizient und technisch einfach ausgestaltet ist, wird vorgeschlagen, eine Heizleistung des ersten Wärmeübertragers (20) durch einen Volumenstrom des Kühlmittels und/oder durch eine externe Heizleistungszufuhr (50) einzustellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem, insbesondere für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, aufweisend einen ersten Kühlmittelkreis mit einem ersten, als Heizungswärmeübertrager ausgestalteten, Wärmeübertrager und aufweisend eine Pumpe zum Fördern eines Kühlmittels durch den ersten Wärmeübertrager und den zweiten Wärmeübertrager, wobei ein Luftstrom durch den ersten Wärmeübertrager leitbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
  • Es sind bereits Klimatisierungskonzepte für Fahrzeuginnenräume bekannt, welche einen Heizungskasten mit einem Lüfter und einem Wärmetauscher aufweisen. Der Luftstrom des Wärmetauschers kann durch eine Mischluftklappe derart gesteuert werden, dass der Luftstrom durch den Wärmetauscher oder an dem Wärmetauscher vorbei geleitet wird. Eine derartige luftseitig gesteuerte Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums benötigt neben einer Steuerung des Kühlmittelkreislaufs durch den Wärmetauscher auch eine Steuerung der Mischluftklappe durch einen Stellmotor und eine Ansteuerungselektronik des Stellmotors.
  • Bei Elektrofahrzeugen werden üblicherweise luftseitig geregelte Klimatisierungssysteme verwendet. Die Heizungsleistung wird dabei durch einen elektrischen Heizer oder durch einen Brennstoffheizer erzeugt und über einen Wärmetauscher dem Luftstrom des Lüfters zugeführt. Über den Luftstrom kann der Fahrzeuginnenraum anschließend geheizt werden. Die Regelung des Luftstroms durch den Wärmetauscher erfolgt ebenfalls mit Hilfe einer Mischluftklappe.
  • Zum Erhöhen der Gesamteffizienz von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ist die Reduzierung der Gesamtmasse vorteilhaft. Des Weiteren sind Fahrzeughersteller derzeit bestrebt, die Herstellungskosten von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zu senken, um einen größeren Kundenbereich anzusprechen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kosteneffizientes und technisch einfach ausgestaltetes Klimatisierungssystem zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Klimatisierungssystem, insbesondere für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, bereitgestellt. Das Klimatisierungssystem weist einen ersten Kühlmittelkreis mit einem ersten, als Heizungswärmeübertrager ausgestalteten, Wärmeübertrager auf. Des Weiteren weist das Klimatisierungssystem eine Pumpe zum Fördern eines Kühlmittels durch den ersten Wärmeübertrager und den zweiten Wärmeübertrager auf. Vorzugsweise ist ein Luftstrom durch den ersten Wärmeübertrager leitbar. Der Luftstrom kann beispielsweise durch einen Fahrtwind oder durch ein Gebläse erzeugt werden. Erfindungsgemäß ist eine Heizleistung des ersten Wärmeübertragers durch einen Volumenstrom des Kühlmittels und/oder durch eine externe Heizleistungszufuhr einstellbar.
  • Das Klimatisierungssystem kann je nach Ausgestaltung mindestens einen optionalen zweiten Wärmeübertrager aufweisen.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug kann insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ausgestaltet sein und weist ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem auf.
  • Das Klimatisierungssystem kann somit vollständig auf eine Steuerung der Heizungsleistung mit Hilfe einer Mischluftklappe verzichten. Durch diese Maßnahme können die Konstruktion und der Einbau eines Stellmotors mit einem Getriebe, einer Mischluftklappe und einer Ansteuerungselektronik des Stellmotors entfallen. Hierdurch kann das Klimatisierungssystem technisch vereinfacht werden und somit kosteneffizient sein.
  • Die Regelung des Klimatisierungssystems kann vorzugsweise wasserseitig bzw. kühlmittelseitig durchgeführt werden.
  • Die Steuerung der Heizungsleistung des Klimatisierungssystems kann somit durch unterschiedliche Komponenten vorgenommen werden, welche oftmals bereits vorgesehen oder verbaut sind. Durch die Verknüpfung des Thermomanagements mit dem wasserseitig geregelten Klimatisierungssystem kann das Fahrzeug deutlich vereinfacht ausgeführt werden.
  • Der Volumenstrom des Kühlmittels zum Regeln der Heizleistung kann technisch besonders eingestellt werden, wenn der Volumenstrom des Kühlmittels durch eine Steuerung der Pumpe variierbar ist. Durch diese Maßnahme kann eine Drehzahl der Pumpe im ersten Kühlmittelkreis verändert werden, um einen gewünschten Volumenstrom einzustellen. Mit einem steigenden Volumenstrom kann eine größere Wärmemenge von dem zweiten Wärmetauscher an den ersten Wärmetauscher transportiert werden.
  • Mit zunehmender Drehzahl der Pumpe kann der erste Wärmetauscher eine größere Heizleistung abgeben. Mit einer geringeren Drehzahl der Pumpe kann der erste Wärmetauscher eine geringere Heizleistung an einen Luftstrom in einen Fahrzeuginnenraum abgeben.
  • Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform ist der Volumenstrom des Kühlmittels durch mindestens ein Ventil variierbar. Hierbei kann der Volumenstrom je nach Öffnungsgrad des Ventils reduziert oder vergrößert werden. Das Ventil kann dabei manuell oder elektronisch gesteuert sein. Insbesondere kann die Steuerung des Ventils eine indirekte Verbindung zu einer Steuereinheit bzw. einer Benutzerschnittstelle im Fahrzeug aufweisen, sodass durch Anfordern einer Heizleistung das Ventil entsprechend eingestellt wird.
  • Das Klimatisierungssystem kann besonders effizient in das Fahrzeug integriert sein, wenn dieses einen zweiten Kühlmittelkreis aufweist oder mit einem zweiten Kühlmittelkreis koppelbar ist. Bevorzugterweise ist der Volumenstrom des Kühlmittels durch ein Kombinieren des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises mit dem Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises einstellbar. Hierdurch kann das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises unmittelbar in den ersten Kühlmittelkreis hineingeleitet werden, um den ersten Wärmetauscher zu erwärmen oder abzukühlen. Dieser Vorgang kann durch mindestens ein Umschaltventil gesteuert werden, welches das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises in den ersten Kühlmittelkreis hineinleiten und aus dem ersten Kühlmittelkreis hinausleiten kann.
  • Insbesondere ist das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises durch mindestens ein Umschaltventil mit dem Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises verbindbar. Die Pumpe kann anschließend dazu eingesetzt werden, die miteinander gekoppelten Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkreis und den zweiten Kühlmittelkreis zu fördern.
  • Alternativ kann eine indirekte Kopplung des ersten Kühlmittelkreises und des zweiten Kühlmittelkreises über den zweiten Wärmetauscher erfolgen. Dabei kann der zweite Wärmetauscher durch das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises erhitzt oder abgekühlt werden. Der zweite Wärmetauscher transportiert die Wärme aus dem zweiten Kühlmittelkreis in den ersten Kühlmittelkreis und ermöglicht hierdurch eine Regelung des ersten Wärmetauschers. Der Zufluss des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises kann durch ein Ventil gesteuert werden, um eine Regelung der Heizleistung umzusetzen.
  • Der zweite Kühlmittelkreis kann beispielsweise als ein Nebenkühlmittelkreis oder ein Hauptkühlmittelkreis eines Hybridfahrzeugs ausgestaltet sein. Hierbei können bereits implementierte Absperrventile zur Regelung der Heizleistung, welche in den zweiten Wärmetauscher eingebracht wird, verwendet werden. Durch diese Maßnahme kann das Einbauen zusätzlicher Ventile entfallen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die externe Heizleistungszufuhr durch eine Heizleistung des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises bereitstellbar. Dies kann beispielsweise indirekt über den zweiten Wärmetauscher erfolgen. Der zweite Wärmetauscher kann dabei einen Wärmetransport zwischen dem zweiten Kühlmittelkreis und dem ersten Kühlmittelkreis ermöglichen. Durch das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises kann die extern bereitgestellte Heizleistungszufuhr zum ersten Wärmetauscher und anschließend in den Fahrzeuginnenraum übertragen werden. Eine Regelung der bereitgestellten Heizleistung über Mischklappen kann somit entfallen, da die Regelung kühlmittelseitig erfolgt.
  • Die kühlmittelseitige Regelung kann besonders effizient ausgestaltet sein, wenn die externe Heizleistungszufuhr dazu eingerichtet ist, den zweiten Wärmeübertrager und/oder das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises aufzuheizen. Der die externe Heizleistungszufuhr kann dabei direkt oder indirekt erfolgen.
  • Bei einer direkten externen Heizleistungszufuhr kann ein im zweiten Kühlmittelkreis aufgewärmtes Kühlmittel unmittelbar in den ersten Kühlmittelkreis hineingeleitet werden, sodass der erste Wärmetauscher durch das erwärmte Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises erwärmt wird. Hierbei können der erste Kühlmittelkreis und der zweite Kühlmittelkreis an zumindest zwei Positionen über Ventile miteinander verbindbar sein, um eine Vermischung bzw. einen Austausch der jeweiligen Kühlmittel zu ermöglichen.
  • Bei einer indirekten externen Heizleistungszufuhr wird das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises durch den zweiten Wärmetauscher geleitet. Das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises wird ebenfalls durch den zweiten Wärmetauscher geleitet. Der erste Kühlmittelkreis und der zweite Kühlmittelkreis sind hierbei voneinander beabstandet und weisen keine Verbindung zueinander auf. Der Wärmetransport zwischen dem ersten Kühlmittelkreis und dem zweiten Kühlmittelkreis erfolgt indirekt über den zweiten Wärmetauscher.
  • Das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises kann beispielsweise durch einen Verbrennungsprozess, wie beispielsweise einen Verbrennungsmotor, und/oder durch Verlustleistung, wie beispielsweise von einer Leistungselektronik, mindestens einem Elektromotor, eines Batteriesystems und dergleichen, erhitzt werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform ist die externe Heizleistungszufuhr durch mindestens eine externe Heizeinheit und/oder durch eine Wärmepumpe bereitstellbar. Die externe Heizeinheit kann beispielsweise als ein elektrisches Heizelement oder ein Brennstoffheizer ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die externe Heizeinheit in Form einer Leistungselektronik ausgestaltet sein, welche die erzeugte Verlustleistung an den zweiten Wärmetauscher abgibt. Bei der Einstellung der Heizleistungszufuhr durch das Heizelement kann der zweite Wärmeübertrager als eine Wandung der Heizeinheit, eine Wand des ersten Kühlmittelkreises, eine Rippenstruktur zum Verbessern des Wärmetransfers und dergleichen ausgestaltet sein.
  • Wird die externe Heizleistungszufuhr durch eine Wärmepumpe bereitgestellt, kann der zweite Wärmetauscher als ein Verdichter für ein Kältemittel der Wärmepumpe dienen oder mit einem Verdichter der Wärmepumpe thermisch gekoppelt sein, um die Heizleistung auf das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises zu übertragen. Bei dieser Ausgestaltung kann die Regelung der Heizleistung des ersten Wärmeübertragers vorzugsweise über einen Volumenstrom des Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreises erfolgen.
  • Als Kühlmittel kann vorzugsweise Wasser oder eine wässrige Lösung verwendet werden.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems gemäß einer Ausführungsform, welches durch ein Ventil und/oder eine Pumpe geregelt ist,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems gemäß einer Ausführungsform, welches direkt durch das Kühlmittel eines zweiten Kühlmittelkreises geregelt ist,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems gemäß einer Ausführungsform, welches durch eine externe Heizleistungszufuhr geregelt ist, und
    • 4 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform.
  • In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
  • In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems 10 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt eine Regelung der Heizleistung, welche durch einen ersten Wärmetauscher 20 bereitgestellt wird, durch ein Ventil 30 und/oder eine Pumpe 40. Die bereitgestellte Heizleistung kann mit Hilfe eines Luftstroms LS genutzt werden.
  • Das Klimatisierungssystem 10 weist einen ersten Kühlmittelkreis 11 auf. An den ersten Kühlmittelkreis 11 sind der erste Wärmetauscher 20 und ein zweiter Wärmetauscher 22 angeschlossen. Durch den ersten Kühlmittelkreis 11 kann mit Hilfe einer Pumpe 40 ein Kühlmittel gefördert werden, welches den ersten Wärmetauscher 20 mit dem zweiten Wärmetauscher 22 thermisch koppelt.
  • Der erste Wärmetauscher 20 kann mit einem Luftstrom LS beaufschlagt werden, welcher durch einen Pfeil schematisch dargestellt ist. Durch den Luftstrom LS kann die Wärme des ersten Wärmetauschers 20 an einen in 3 dargestellten Fahrzeuginnenraum 110 eines Kraftfahrzeugs 100 abgegeben werden.
  • Der zweite Wärmetauscher 22 ist thermisch mit einem zweiten Kühlmittelkreis 12 gekoppelt. Der zweite Kühlmittelkreis 12 kann als eine Wärmepumpe oder als ein Kühlkreis des Kraftfahrzeugs 100 ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der zweite Kühlmittelkreis 12 Verlustleistung eines Wärmeerzeugers 120 aufnehmen und an den zweiten Wärmetauscher 22 abgeben. Der Wärmeerzeuger 120 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor, eine Leistungselektronik, mindestens ein Elektromotor, eine Traktionsbatterie und dergleichen sein.
  • Alternativ kann ein Volumenstrom eines Kühlmittels des ersten Kühlmittelkreises 11 durch ein Kombinieren des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises 12 eingestellt werden.
  • Durch das Ventil 30 und/oder eine Drehzahl der Pumpe 40 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Heizleistung des ersten Wärmetauschers 20 durch einen Volumenstrom des Kühlmittels eingestellt werden.
  • In der 2 ist eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems 10 gemäß einer Ausführungsform gezeigt, welches direkt durch das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises 12 geregelt ist. Das Klimatisierungssystem 10 weist zwei Ventile 31, 32 auf, welche als Umschaltventile ausgestaltet sind. Ein erstes Umschaltventil 31 und ein zweites Umschaltventil 32 können dazu eingesetzt werden, das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises 12 mit dem Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises 11 zu vermischen und somit den ersten Wärmeübertrager 20 zu erwärmen. Das erste Umschaltventil 31 und/oder das zweite Umschaltventil 32 können neben der Umschaltung der Fluidwege auch für eine Drosselung eines Kühlmittelvolumens verwendet werden, um eine Regelung der bereitgestellten Heizleistung vorzunehmen.
  • Bei einer technisch besonders einfachen Ausgestaltung des Klimatisierungssystems 10 kann das zweite Umschaltventil 32 oder das erste Umschaltventil 31 entfallen, sodass die Zuführung des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlmittelkreis 12 in den ersten Kühlmittelkreis 11 mit einem Umschaltventil 31, 32 erfolgt.
  • Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei erfolgt eine Einstellung bzw. Regelung der Heizleistung durch eine externe Heizleistungszufuhr 50.
  • Neben der Möglichkeit, die externe Heizleistungszufuhr 50 durch eine Heizleistung des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises 12 bereitzustellen, wird hier eine externe Heizleistungszufuhr 50 durch eine externe Heizeinheit 60 veranschaulicht. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise der Wärmeerzeuger 120 als eine externe Heizleistungszufuhr 50 eingesetzt werden. Die externe Heizeinheit 60 kann beispielsweise als eine Hochvoltheizung ausgestaltet sein.
  • Je nach Ausstattung des Kraftfahrzeugs 100 kann zusätzliche externe Heizleistungszufuhr 50 durch eine nicht dargestellte Wärmepumpe bereitgestellt werden.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein zweiter Kühlmittelkreis 12 und das Ventil 40 entfallen.
  • Die Regelung der durch den ersten Wärmetauscher 20 bereitgestellten Heizleistung kann durch die externe Heizleistungszufuhr 50 erfolgen. Optional kann die Drehzahl der Pumpe 40 verändert werden, um eine zusätzliche Regelung des Volumenstroms im ersten Kühlmittelkreis 11 zu erzielen.
  • In der 4 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 100 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Das Kraftfahrzeug 100 weist das Klimatisierungssystem 10 mit dem ersten Kühlmittelkreis 11 auf, welcher den ersten Wärmetauscher 20 und den zweiten Wärmetauscher 22 thermisch miteinander verbindet. Der Übersicht halber ist die Pumpe 40 nicht dargestellt.
  • Die Regelung der Heizleistung, welche der erste Wärmetauscher 20 bereitstellt, erfolgt beispielhaft über eine externe Heizleistungszufuhr 50 in Form einer externen Heizeinheit 60. Die externe Heizeinheit 60 erwärmt den zweiten Wärmetauscher 22. Über das Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreis 11 wird die Wärme vom zweiten Wärmetauscher 22 zum ersten Wärmetauscher 20 transportiert.
  • Durch den erzeugten Luftstrom LS kann die Heizleistung in den Fahrzeuginnenraum 110 geleitet werden. Der Luftstrom LS kann beispielsweise durch ein Gebläse 130 oder einen Fahrtwind F erzeugt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kraftfahrzeug
    110
    Fahrzeuginnenraum
    120
    Wärmeerzeuger
    130
    Gebläse
    10
    Klimatisierungssystem
    11
    erster Kühlmittelkreis
    12
    zweiter Kühlmittelkreis
    20
    erster Wärmetauscher
    22
    zweiter Wärmetauscher
    30
    Ventil
    31
    erstes Umschaltventil
    32
    zweites Umschaltventil
    40
    Pumpe
    50
    externe Heizleistungszufuhr
    60
    externe Heizeinheit
    F
    Fahrtwind
    LS
    Luftstrom

Claims (9)

  1. Klimatisierungssystem (10), insbesondere für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (100), aufweisend einen ersten Kühlmittelkreis (11) mit einem ersten, als Heizungswärmeübertrager ausgestalteten, Wärmeübertrager (20) und aufweisend eine Pumpe (40) zum Fördern eines Kühlmittels durch den ersten Wärmeübertrager (20), wobei ein Luftstrom (LS) durch den ersten Wärmeübertrager (20) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizleistung des ersten Wärmeübertragers (20) durch einen Volumenstrom des Kühlmittels und/oder durch eine externe Heizleistungszufuhr (50) einstellbar ist.
  2. Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Volumenstrom des Kühlmittels durch eine Steuerung der Pumpe (40) variierbar ist.
  3. Klimatisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Volumenstrom des Kühlmittels durch mindestens ein Ventil (30) variierbar ist.
  4. Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Klimatisierungssystem (10) einen zweiten Kühlmittelkreis (12) aufweist oder mit einem zweiten Kühlmittelkreis (12) koppelbar ist, wobei der Volumenstrom des Kühlmittels durch ein Kombinieren des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises (12) mit dem Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises (11) einstellbar ist.
  5. Klimatisierungssystem nach Anspruch 4, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreises (12) durch mindestens ein Umschaltventil (31, 32) mit dem Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises (11) verbindbar ist.
  6. Klimatisierungssystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die externe Heizleistungszufuhr (50) durch eine Heizleistung des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreises (12) bereitstellbar ist.
  7. Klimatisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Klimatisierungssystem (10) mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (22) aufweist, wobei die externe Heizleistungszufuhr (50) dazu eingerichtet ist, den zweiten Wärmeübertrager (22) und/oder das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreises (11) aufzuheizen.
  8. Klimatisierungssystem nach Anspruch 7, wobei die externe Heizleistungszufuhr (50) durch mindestens eine externe Heizeinheit (60) und/oder durch eine Wärmepumpe bereitstellbar ist.
  9. Kraftfahrzeug (100), insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, aufweisend ein Klimatisierungssystem (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Citations (3)

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