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Die Erfindung betrifft eine Thermomanagementanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Thermomanagementanordnung.
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Unter einer Thermomanagementanordnung im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung aus mehreren Komponenten und deren Steuer- und Regeleinrichtung zu verstehen, welche die Versorgung eines Fahrzeuges mit Wärme und/oder Kälte realisiert. Dabei wird gegebenenfalls Abwärme an die Umgebung abgegeben oder im Falle eines Wärmedefizites Umgebungswärme oder Abwärme von Komponenten des Fahrzeuges von der Thermomanagementanordnung aufgenommen beziehungsweise genutzt, um diese Wärme auf einem entsprechenden Temperaturniveau im Fahrzeug zur Beheizung der Fahrzeugkabine oder von Komponenten zur Verfügung zu stellen.
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Das Anwendungsgebiet der gattungsgemäßen Thermomanagementanordnung liegt insbesondere bei Fahrzeugen mit hocheffizienten Verbrennungsmotoren sowie bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. Batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge sind ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Thermomanagementanordnung, da dort die Vorteile besonders zum Tragen kommen.
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Im Stand der Technik werden in Fahrzeugen teilweise mehrere Kühlmittelkreisläufe oder Kältemittelkreisläufe installiert, die ihre Abwärme über mehrere verschiedene Wärmeübertrager im Frontend eines Fahrzeuges an die Umgebung abgeben. Dies führt zu großvolumigen Wärmeübertragerpaketen, wobei häufig Schwierigkeiten bestehen, die Wärmeübertragungsaufgaben strömungstechnisch zufriedenstellend zu lösen, da sich die Wärmeübertrager den begrenzten strömungstechnisch günstigen Bereich teilen oder bewusst ungünstigere Verhältnisse in Kauf genommen werden müssen.
Weiterhin besteht das Problem in modernen Fahrzeugen mit effizienten Verbrennungsmotoren oder Hybrid- sowie Elektrofahrzeugen, dass nicht ausreichend Wärme auf einem erforderlichen Temperaturniveau in den Motoren entsteht, so dass jede verfügbare Abwärme mit Hilfe von beispielsweise einer Wärmepumpe genutzt wird, um eine ausreichende Heizung des Fahrzeuginnenraums oder die Heizung weiterer Komponenten zu realisieren. Insbesondere bei batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen besteht die Anforderung, das Thermomanagement der Batterie in das Thermomanagement des Fahrzeuges zu integrieren.
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Aus der
US 2019/0070924 A1 ist eine Thermomanagementanordnung für ein Fahrzeug bekannt, welche eine Fahrzeugwärmepumpe, ein Batteriekühlsystem, eine Antriebsstrangkühlung und eine elektronische Steuerung aufweist, welche die Heizung und Kühlung der Komponenten realisiert.
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In der
US 2017/0373359 A1 ist eine integrierte Kühlmittelflaschenbaugruppe offenbart, welche ein Reservoir für Kühlmittel aufweist.
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Die
US 2020/0130456 A1 offenbart ein Kühlmodul für Fahrzeuge mit mehreren Kühlmitteltanks für einen Hoch- und Niedertemperaturwärmeübertrager.
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Eine weitere Thermomanagementanordnung nach dem Stand der Technik geht beispielsweise aus der
JP 19990286211 A2 hervor.
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Schließlich offenbart die
DE 10 2018 121 390 A1 eine Thermomanagementanordnung für Fahrzeuge, welche mindestens ein Wärmeträgerreservoir aufweist.
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Nachteilig an den Systemen nach dem Stand der Technik ist, dass verschiedene technische Lösungen parallel eingesetzt werden, was zu einem hohen Bauraumbedarf der Gesamtsysteme führt und durch eine negative wechselseitige Beeinflussung der Lösungen keine wünschenswert hohe Effizienz erreichbar ist.
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Weiterhin besteht ein Bestreben der Fachwelt darin, die Kältemittelfüllmengen der Kältemittelkreisläufe zu reduzieren, was aus ökonomischen, ökologischen und sicherheitstechnischen Erwägungen wünschenswert ist und damit Kältemittel mit sicherheitstechnisch höheren Anforderungen mit geringeren Füllmengen verwendet werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Thermomanagementanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Thermomanagementanordnung für Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen, die einen geringen Bauraum im Fahrzeug beansprucht, einfach aufgebaut ist und die einen einfachen Kältemittelkreislauf mit seinen Hauptkomponenten nutzt und mit möglichst einem natürlichen Kältemittel, wie Kohlendioxid, Propan, Propylen, Isobutan, Ammoniak aber auch den chemischen Kältemitteln, wie R1234yf oder R134a beziehungsweise Kältemittelgemischen, betreibbar ist.
Weiterhin soll ein effizientes Thermomanagementkonzept ermöglicht werden, wodurch im Ergebnis ausreichend Wärme zur Heizung des Fahrzeuges zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe wird durch eine Thermomanagementanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Thermomanagementanordnung mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Thermomanagementanordnung für Fahrzeuge gelöst, welche im Wesentlichen einen Kältemittelkreislauf mit mindestens den üblichen Komponenten für den Kaltdampfprozess, wie einem Kältemittelverdichter, einem Kondensator/Gaskühler, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer aufweist, sowie dass weiterhin ein Kälteträgerkreislauf und ein Wärmeträgerkreislauf vorhanden sind. Der Kälteträgerkreislauf weist ein Kälteträgerverteilerreservoir auf und der Wärmeträgerkreislauf weist ein Wärmeträgerverteilerreservoir auf. Der Kältemittelkreislauf ist über den Verdampfer mit dem Kälteträgerkreislauf thermisch verbunden und über den Kondensator/Gaskühler ist der Kältemittelkreislauf mit dem Wärmeträgerkreislauf thermisch gekoppelt.
Weiterhin ist ein Batteriewärmeübertragerversorgungsabschnitt mit einem Batteriewärmeübertrager und ein Umgebungswärmeübertragerversorgungsabschnitt mit einem Umgebungswärmeübertrager in den Kälte- und den Wärmeträgerkreislauf fluidtechnisch eingebunden. Dabei sind der Batteriewärmeübertrager und der Umgebungswärmeübertrager derart angeordnet und ausgeführt, dass diese jeweils mit dem Kälteträgerverteilerreservoir und mit dem Wärmeträgerverteilerreservoir fluidtechnisch verbunden sind. Unter einer fluidtechnischen Verbindung soll verstanden werden, dass entsprechende Rohrleitungen vorgesehen sind, durch welche entsprechend Gase oder Flüssigkeiten strömen. Über entsprechende Anschlüsse und Ventile sind die Komponenten von dem Wärmeträger- oder Kälteträgerfluid durchströmbar miteinander verbunden.
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Bevorzugt sind das Wärmeträgerverteilerreservoir und das Kälteträgerverteilerreservoir über einen Ausgleichskreislauf fluidtechnisch miteinander verbunden. Der Ausgleichskreislauf koppelt das Wärmeträgerverteilerreservoir und das Kälteträgerverteilerreservoir dergestalt, dass bei entsprechender Schaltstellung das Wärmeträger- und das Kälteträgerfluid über den Ausgleichskreislauf in den Reservoirs miteinander gemischt werden.
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Bevorzugt werden als Wärme- und als Kälteträger beispielsweise Wasser-Glykol-Gemische oder andere geeignete Medien eingesetzt.
Als Kälteträger wird im Sinne der Erfindung ein Fluid verstanden, welches seiner Anordnung und Funktion nach im Kreislauf zum Transport von Kälte respektive zur Aufnahme von Wärme eingesetzt wird, wohingegen als Wärmeträger ein Fluid bezeichnet wird, welches seiner Funktion und Anordnung im Thermomanagementsystem nach zum Transport von Wärme eingesetzt wird.
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Nach einer besonders bevorzugten, apparativen Ausgestaltung der Erfindung werden das Wärmeträgerverteilerreservoir und das Kälteträgerverteilerreservoir in einem Behälter angeordnet, wobei die beiden funktional und stofflich zu trennenden Bereiche für den Wärmeträger und den Kälteträger mit einer thermisch isolierenden Trennwand voneinander separiert sind.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind beide Reservoirs, das Wärmeträgerverteilerreservoir und das Kälteträgerverteilerreservoir, als getrennte Behälter ausgeführt.
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Bevorzugt ist in das Wärmeträgerverteilerreservoir und/oder das Kälteträgerverteilerreservoir eine Kälteträger-/Wärmeträger-Pumpe zur Förderung des Kälte- oder Wärmeträgerfluids integriert. Durch die Integration der Pumpe in die Komponente des Reservoirs kann eine Verringerung der Komponenten der Thermomanagementanordnung erreicht werden.
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Vorteilhaft ist weiterhin ein Heizungswärmeübertrager zur Heizung der Fahrgastzelle mit dem Wärmeträgerverteilerreservoir fluidtechnisch verbunden und somit in die Thermomanagementanordnung integriert.
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Weiterhin vorteilhaft ist mindestens ein Komponentenwärmeübertrager mit dem Kälteträgerverteilerreservoir fluidtechnisch verbunden. Unter einem Komponentenwärmeübertrager ist ein Wärmeübertrager zur Temperierung einer Komponente des Fahrzeuges im Sinne der Erfindung zu verstehen. Als Komponenten des Fahrzeuges, welche gekühlt und/oder auch beheizt werden müssen, sind beispielsweise die Batterie, elektronische Bauteile zum Betrieb der elektrischen Motoren beziehungsweise diese selbst, Bildschirme, Leistungselektronik, Assistenzsysteme zum Betreiben beziehungsweise Fahren des Fahrzeuges sowie das Entertainmentsystem zu nennen.
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Je nach Fahrzeugtyp und Größe sowie Funktionsumfang besitzt das Wärmeträgerverteilerreservoir und das Kälteträgerverteilerreservoir jeweils ein Fassungsvermögen von 0,1 I bis 5 I.
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Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, dass in die Komponente des Wärmeträgerverteilerreservoirs und/oder des Kälteträgerverteilerreservoirs bereits Ventile und/oder Schieber zur Regelung der Wärme- und Kälteträgervolumenströme sowie zum Absperren der Komponenten jeweils integriert sind. Dies führt wiederum vorteilhaft zur Verringerung der Anzahl der Komponenten für die Thermomanagementanordnung.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in das Wärmeträgerverteilerreservoir eine Reservoirheizung und/oder in das Kälteträgerverteilerreservoir eine Reservoirkühlung als zusätzliche Heizung oder Kühlung integriert sind.
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Eine besonders effiziente und vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass im Batteriewärmeübertragerversorgungsabschnitt und im Umgebungswärmeübertragerversorgungsabschnitt Absperrorgane beziehungsweise Schaltorgane derart angeordnet sind, dass der Batteriewärmeübertrager und der Umgebungswärmeübertrager mit dem Wärmeträgerverteilerreservoir und dem Kälteträgerverteilerreservoir fluidtechnisch verbunden oder abgesperrt sind. Bevorzugt wird dies über 3/2- oder 4/2-Wege-Ventile als Absperrorgane erreicht, sodass der Batteriewärmeübertrager und der Umgebungswärmeübertrager sowohl über das Wärmeträgerverteilerreservoir mit Wärmeträger und/oder über das Kälteträgerverteilerreservoir mit Kälteträger fluidtechnisch versorgt werden können.
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Das Verfahren zum Betreiben einer Thermomanagementanordnung im Kälteanlagenmodus ist dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriewärmeübertrager und die Komponentenwärmeübertrager im Kälteträgerkreislauf als Wärmequelle zur Kühlung und der Umgebungswärmeübertrager im Wärmeträgerkreislauf als Wärmesenke betrieben werden.
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Das Verfahren zum Betreiben der Thermomanagementanordnung im Wärmepumpenmodus ohne Verwendung einer externen Wärmequelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponentenwärmeübertrager im Kälteträgerkreislauf und der Batteriewärmeübertrager und/oder Heizungswärmeübertrager im Wärmeträgerkreislauf betrieben werden.
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Das Verfahren zum Betreiben der Thermomanagementanordnung im Wärmepumpenmodus mit externer Wärmequelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponentenwärmeübertrager und der Umgebungswärmeübertrager im Kälteträgerkreislauf und der Batteriewärmeübertrager und/oder der Heizungswärmeübertrager im Wärmeträgerkreislauf betrieben werden.
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Das Verfahren zum Betreiben der Thermomanagementanordnung im Reheat-Modus ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponentenwärmeübertrager und der Batteriewärmeübertrager im Kälteträgerkreislauf, der Umgebungswärmeübertrager sowie der Heizungswärmeübertrager jedoch im Wärmeträgerkreislauf betrieben werden.
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Schließlich ist das Verfahren zum Betreiben der Thermomanagementanordnung im Ausgleichstemperaturmodus dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskreislauf zwischen dem Wärmeträgerverteilerreservoir und dem Kälteträgerverteilerreservoir betrieben wird, so dass Wärmeträger- und Kälteträgerfluid gemischt werden und sich entsprechend eine Mischungstemperatur für beide Kreisläufe und Reservoire einstellt.
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Die Vorteile der Erfindung sind vielgestaltig. Insbesondere ist hervorzuheben, dass durch die effiziente Nutzung der internen und auch der externen Wärmequellen durch den Wärmepumpenmodus bei einer effizienten und komfortablen Beheizung und Kühlung des Fahrzeuges eine akzeptable Reichweitenerhöhung durch Elektroenergieeinsparung bei batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen erreicht werden kann.
Weiterhin ist der Kältemittelkreislauf aufgrund seiner einfachen Gestaltung kostengünstig und wartungsfreundlich. Als Kältemittel können neben R1234yf auch Kältemittel wie R290, R1270, R744 oder R134a sowie Kältemittelgemische eingesetzt werden. Gerade unter dem Gesichtspunkt geringer Kältemittelfüllmengen durch das einfache Kälteanlagendesign ist auch Propan durch den Einsatz geringerer Mengen Kältemittel im Fahrzeugbereich möglich. Vorteilhaft ist, dass die Haupttechnologie im Kühlmittelsystem und nicht im Kältemittelsystem angesiedelt ist, wodurch das System weniger stör- und wartungsaufwendiger gestaltet ist. Je nach Anforderung können leistungsfördernde Komponenten, wie innerer Wärmeübertrager, arbeitsleistende Entspannung, zweistufige Verdichtung mit/ohne Zwischenkühlung, Mitteldruckflasche, und Mitteldruckeinspritzung verwendet werden.
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Die Konzeption der Erfindung besteht zusammengefasst darin, dass ein Kälteträger- und ein Wärmeträgerkreislauf mit jeweils einem Reservoir ausgebildet und apparativ einfach ausgeführt sind. Der Umgebungswärmeübertrager und der Batteriewärmeübertrager ist jeweils mit beiden Reservoirs verbunden. Beide Reservoirs können in einer Komponente integriert ausgeführt sein, wobei stofflich und thermisch eine Trennwand vorgesehen ist. Die Trennwand kann mittels Luftspalt oder Isolationsmaterial thermisch isoliert werden. Für beide Verteilerreservoirs ist eine thermische Isolierung gegenüber der Umgebung vorgesehen und bevorzugt in die Komponente integrierte Pumpen sorgen für die Förderung und Verteilung von Kälte- und Wärmeträger. Besonders hervorzuheben ist, dass alle Wärme beziehungsweise Abwärme von Komponenten des Fahrzeuges im Fahrzeug für die Heizung durch die Wärmepumpenfunktionalität genutzt werden kann. In besonderen Einsatzbereichen können zusätzliche Wärme- oder Kältequellen in das System integriert werden. Der Ausgleichskreislauf zwischen den Reservoirs ermöglicht eine komfortable Steuer- und Regelstrategie.
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Vorteilhaft ist, dass nur ein Wärmeübertrager, der Umgebungswärmeübertrager, mit der Umgebung in Wechselwirkung steht und Wärme auf- beziehungsweise abgibt. Dadurch besteht die Möglichkeit, im System entsprechende Wärmeströme zu verteilen und nutzbringend einzusetzen. Es wird Wärme nur bei Überschuss beziehungsweise Defizit an die Umgebung abgegeben oder aufgenommen.
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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 Thermomanagementanordnung im Kälteanlagenmodus,
- 2: Fließbild Thermomanagementanordnung im Wärmepumpenmodus ohne externe Wärmequelle,
- 3: Fließbild Thermomanagementanordnung im Wärmepumpenmodus mit externer Wärmequelle,
- 4: Fließbild Thermomanagementanordnung im Reheat-Modus,
- 5: Fließbild Thermomanagementanordnung im Ausgleichstemperaturmodus und
- 6: Fließbild Thermomanagementanordnung mit Zusatzwärme- und Kältequelle.
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In den 1 bis 6 ist eine Thermomanagementanordnung 1 als Fließbild gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Komponenten der Thermomanagementanordnung 1 sind in den Figuren identisch; unterschiedlich sind die Betriebsmodi. Diese werden durch entsprechende Kennzeichnung der aktiven Kreisläufe durch Markierung der fluidführenden Rohrleitungen dargestellt.
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In 1 ist eine Thermomanagementanordnung 1 im Kälteanlagenmodus dargestellt. Nachfolgend wird exemplarisch zur 1 der Aufbau und die Komponenten der Thermomanagementanordnung 1 beschrieben.
Die Thermomanagementanordnung 1 beinhaltet mindestens drei Basiskreisläufe. Einen Basiskreislauf bildet ein Kältemittelkreislauf 2, welcher seinerseits mindestens die Komponenten Kältemittelverdichter 7, Kondensator/Gaskühler 8, Expansionsorgan 9 und Verdampfer 10 aufweist. Damit ist der Kältemittelkreislauf mit seinen Basiskomponenten geeignet, einen Kaltdampfprozess mit verschiedensten Kältemitteln durchzuführen. Selbstverständlich ist in Abhängigkeit der eingesetzten Kältemittel eine Erweiterung und Adaption des Kältemittelkreislaufes an spezielle Anforderungen verschiedener Kältemittel prinzipiell möglich, jedoch ist zur Minimierung der Kältemittelfüllmenge und unter Kostengesichtspunkten ein Kältemittelkreislauf mit den Basiskomponenten gemäß der dargestellten Ausgestaltungsform der Erfindung realisiert.
Als zweiter Basiskreislauf der Thermomanagementanordnung 1 ist ein Kälteträgerkreislauf 3 ausgebildet, in welchem ein Kälteträgerfluid zirkuliert. Der Kälteträgerkreislauf 3 weist in seiner Grundform neben den die Komponenten verbindenden Rohrleitungen kälteträgerseitig den Verdampfer 10 und das Kälteträgerverteilerreservoir 6 auf. Darüber hinaus sind weitere Komponentenwärmeübertrager 14 in den Kälteträgerkreislauf 3 über das Kälteträgerverteilerreservoir 6 eingebunden. Die Komponentenwärmeübertrager 14 versorgen je nach Ausgestaltung des Fahrzeuges diverse Komponenten, beispielsweise des Antriebsstranges oder auch steuer- und regelungstechnische Komponenten, mit Kälte, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Komponenten zu gewährleisten und Überhitzungen zu vermeiden.
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Das Kälteträgerverteilerreservoir 6 besitzt eine in die Komponente integrierte Kälteträger-/Wärmeträger-Pumpe 15, welche das Kälteträgerfluid zu den Komponentenwärmeübertragern 14 und zum Verdampfer 10 fördert.
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Als dritter Basiskreislauf der Thermomanagementanordnung 1 ist ein Wärmeträgerkreislauf 4 ausgeführt, welcher wärmeträgerseitig den Kondensator/Gaskühler 8 unter Wärmeaufnahme durchströmt und der mit dem Wärmeträgerverteilerreservoir 5 verbunden ist. Weiterhin ist mit dem Wärmeträgerverteilerreservoir 5 der Heizungswärmeübertrager 11 verbunden, welcher für die Beheizung der Fahrzeugkabine ausgebildet ist.
Die Thermomanagementanordnung 1 weist die Besonderheit auf, dass weiterhin ein Batteriewärmeübertrager 12 und ein Umgebungswärmeübertrager 13 in die Anordnung über einen Batteriewärmeübertragerversorgungsabschnitt 17 und über einen Umgebungswärmeübertragerversorgungsabschnitt 18 integriert sind. Dabei ist sowohl der Batteriewärmeübertrager 12 als auch der Umgebungswärmeübertrager 13 fluidtechnisch sowohl mit dem Kälteträgerkreislauf 3 als auch mit dem Wärmeträgerkreislauf 4 verbunden. Der Arbeitsmodus für den Batteriewärmeübertrager 12 und den Umgebungswärmeübertrager 13 wird über eine Schaltstellung der Absperrorgane 19 gewählt, welche bevorzugt als 3/2-Wege-Ventile ausgebildet sind. Die Absperrorgane 19 können je nach Anwendungssituation auch als Mischventile ausgebildet sein, wodurch gezielt Temperaturen in den Wärmeübertragern 12, 13 eingestellt werden können. Durch die Einbindung des Batteriewärmeübertragers 12 und des Umgebungswärmeübertragers 13 in den Kälte- und Wärmeträgerkreislauf 3, 4 können je nach Betriebsmodus diese Wärmeübertrager entweder vom Kälteträgerkreislauf 3 oder vom Wärmeträgerkreislauf 4 mit dem entsprechenden Kälteträger- beziehungsweise Wärmeträgerfluid versorgt und somit je nach Anwendungsfall gekühlt oder erwärmt werden.
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Weiterhin ist ein Ausgleichskreislauf 16 zwischen dem Wärmeträgerverteilerreservoir 5 und dem Kälteträgerverteilerreservoir 6 vorgesehen. Über den Ausgleichskreislauf 16 wird, angetrieben durch eine Kälteträger-/Wärmeträger-Pumpe 15, Kälteträger und Wärmeträger stofflich und damit auch thermisch gemischt.
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In 1 ist der Kälteanlagenmodus der Thermomanagementanordnung 1 durch eine entsprechende Markierung der die Komponenten verbindenden Rohrleitungen dargestellt. In den Darstellungen 1 bis 6 sind von Kälteträgerfluid durchströmte Rohrleitungen mit einer dicken Volllinie dargestellt. Eine Strichlinie kennzeichnet von Wärmeträgerfluid durchströmte Rohrleitungen und eine dünne Volllinie kennzeichnet nicht durchströmte Rohrleitungen in dem entsprechenden Betriebsmodus der jeweiligen Figur.
Im Kälteanlagenmodus sind die Komponentenwärmeübertrager 14 und der Kälteträgerkreislauf 3 von Kälteträger durchströmt. Weiterhin wird der Batteriewärmeübertrager 12 von Kälteträger durchströmt und somit die Batterie in diesem Modus gekühlt. Im Kälteanlagenmodus ist der Wärmeträgerkreislauf 4 und über das Wärmeträgerverteilerreservoir 5 der Umgebungswärmeübertrager 13 in den Wärmeträgerkreislauf 4 eingebunden, um Abwärme der Kälteerzeugung des Kältemittelkreislaufes 2 und der Komponenten über den Umgebungswärmeübertrager 13 an die Umgebung abzugeben.
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In 2 ist ein Wärmepumpenmodus ohne externe Wärmequelle gezeigt. Die Komponenten der Thermomanagementanordnung 1 entsprechen der Darstellung und Beschreibung aus 1. Im dargestellten Betriebsmodus sind die Komponentenwärmeübertrager 14 im Kälteträgerkreislauf 3 über das Kälteträgerverteilerreservoir 6 geschaltet und werden gekühlt. Der Wärmeträgerkreislauf 4 nutzt die Abwärme der Batterie und speist diese über den Batteriewärmeübertrager 12 in das Wärmeträgerverteilerreservoir 5 und damit den Wärmeträgerkreislauf 4 ein. In diesem Betriebsmodus ist der Heizungswärmeübertrager 11 in den Wärmeträgerkreislauf 4 eingebunden und versorgt die Fahrgastzelle mit Wärme.
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3 zeigt den Wärmepumpenmodus mit einer externen Wärmequelle. Dabei ist im Unterschied zum Modus gemäß 2 der Umgebungswärmeübertrager 13 in den Kälteträgerkreislauf 3 und das Kälteträgerverteilerreservoir 6 eingebunden, wodurch über den Umgebungswärmeübertrager 13 Umgebungswärme aufgenommen und in den Kälteträgerkreislauf 3 zum Verdampfer 10 transportiert wird. Die Wärme wird hier an den Kältemittelkreislauf 2 abgegeben. Über den Kältemittelkreislauf 2 wird im Kondensator/Gaskühler 8 Wärme an den Wärmeträgerkreislauf 4 abgegeben und zur Wärmeabgabe zum Heizungswärmeübertrager 11 transportiert.
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4 zeigt den Reheat-Modus der Thermomanagementanordnung 1. Dabei sind der Batteriewärmeübertrager 12 in den Kälteträgerkreislauf 3 und der Umgebungswärmeübertrager 13 in den Wärmeträgerkreislauf 4 eingebunden. Der Reheat-Modus ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung der Fahrzeugkabine mit erwärmter Luft diese zunächst zur Entfeuchtung abgekühlt und nachfolgend auf die gewünschte Luftauslasstemperatur für die Fahrzeugkabine wieder erwärmt wird.
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in 5 ist ein Betriebsmodus mit gemischtem Wärme- und Kälteträger dargestellt. Dieser Modus nutzt den Umstand, dass der Kältemittelkreislauf 2 der Thermomanagementanordnung 1 sowohl Kälte für den Kälteträgerkreislauf 3 als auch Wärme für den Wärmeträgerkreislauf 4 gleichzeitig zur Verfügung stellt. Im Fahrzeug selbst werden sehr unterschiedliche Temperaturniveaus benötigt. Aus den Temperaturniveaus von Kälte- und Wärmeträger können relativ einfach und apparativ unaufwändig die gewünschten Temperaturniveaus durch Mischen von Kälte- und Wärmeträger erzeugt werden. So kann beispielsweise das Heiztemperaturniveau im Heizungswärmeübertrager 11 durch Mischung hergestellt werden, so dass im Klimagerät des Fahrzeuges die Mischklappe beispielsweise eingespart werden kann, wodurch Kosten reduziert und Platz eingespart werden können. Die vom gemischten Wärme- und Kälteträger durchströmten Rohrleitungen sind mit einer Punktlinie dargestellt. Die Grundkreisläufe, der Kälteträgerkreislauf 3 und der Wärmeträgerkreislauf 4 sind auf die Basiskreisläufe unter Durchströmung der Verdampfer 10 und Kondensator/Gaskühler 8 sowie der zugehörigen Wärmeträgerverteilerreservoir 5 und Kälteträgerverteilerreservoir 6 begrenzt. Die beiden Reservoirs, das Wärmeträgerverteilerreservoir 5 und Kälteträgerverteilerreservoir 6, sind über den Ausgleichskreislauf 16 miteinander verbunden. Dadurch wird eine stoffliche und thermische Mischung von Wärmeträgerkreislauf 4 und Kälteträgerkreislauf 3 in den beiden Reservoirs 5, 6 erzielt, wobei sich eine Ausgleichstemperatur einstellt. Die Komponenten von Heizungswärmeübertrager 11, Batteriewärmeübertrager 12, Umgebungswärmeübertrager 13 sowie die Komponentenwärmeübertrager 14 werden mit dem Kälte- beziehungsweise Wärmeträgerfluid mit Mischtemperatur durchströmt.
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6 zeigt die Thermomanagementanordnung 1 gemäß der 1 bis 5 mit zwei zusätzlichen Komponenten. Das Wärmeträgerverteilerreservoir 5 ist mit einer zusätzlichen Reservoirheizung 20 ausgestattet, über welche zusätzliche Wärme in das Wärmeträgerverteilerreservoir 5 eingebracht werden kann. Analog ist das Kälteträgerverteilerreservoir 6 mit einer Reservoirkühlung 21 als zusätzliche Komponente ausgestattet, um den Kälteträger bei Bedarf zusätzlich zu kühlen.
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Ein nicht dargestelltes, vorteilhaftes Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass in der Übergangszeit bei niedrigeren Umgebungstemperaturen ohne Betreiben des Kältemittelkreislaufes nur durch Betreiben des Kälteträgerkreislaufes unter Einbeziehung des Umgebungswärmeübertragers der Batteriewärmeübertrager und die Komponentenwärmeübertrager zur Kühlung eingesetzt werden können, sofern die Umgebungsluft ausreichend kühl ist, um die Wärme vom Umgebungswärmeübertrager aufzunehmen. Eine Betriebsvariante besteht darin, dass das Kälteträgerverteilerreservoir mit den Komponentenwärmeübertragern und dem Umgebungswärmeübertrager zur Kühlung der Komponenten betrieben werden, wohingegen der Batteriewärmeübertrager in das Wärmeträgerverteilerreservoir eingebunden ist und sich durch die eigene Erwärmung mittels des Wärmeträgerkreislaufes verzögert erwärmt. Dabei können Kälteträgerkreislauf und Wärmeträgerkreislauf gekoppelt und somit regelungstechnisch günstig die Temperaturniveaus sehr genau eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermomanagementanordnung
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 3
- Kälteträgerkreislauf
- 4
- Wärmeträgerkreislauf
- 5
- Wärmeträgerverteilerreservoir
- 6
- Kälteträgerverteilerreservoir
- 7
- Kältemittelverdichter
- 8
- Kondensator/Gaskühler
- 9
- Expansionsorgan
- 10
- Verdampfer
- 11
- Heizungswärmeübertrager
- 12
- Batteriewärmeübertrager
- 13
- Umgebungswärmeübertrager
- 14
- Komponentenwärmeübertrager
- 15
- Kälteträger-/Wärmeträger-Pumpe
- 16
- Ausgleichskreislauf
- 17
- Batteriewärmeübertragerversorgungsabschnitt
- 18
- Umgebungswärmeübertragerversorgungsabschnitt
- 19
- Absperrorgan
- 20
- Reservoirheizung
- 21
- Reservoirkühlung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2019/0070924 A1 [0005]
- US 2017/0373359 A1 [0006]
- US 2020/0130456 A1 [0007]
- JP 19990286211 A2 [0008]
- DE 102018121390 A1 [0009]
