DE102021205399A1

DE102021205399A1 - Verfahren zum Betrieb eines Thermomanagementsystems für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, Steuergerät und Thermomanagementsystem

Info

Publication number: DE102021205399A1
Application number: DE102021205399.8A
Authority: DE
Inventors: Denis Neher; Matthias Rauscher; Johannes BUEHLER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Thermomanagementsystems (10) für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug (1) und ein Thermomanagementsystem (10), wobei ein Kältemittel (55) eines Wärmepumpenkreislaufs (15) des Thermomanagementsystems (10) seriell durch einen Umgebungswärmetauscher (80) des Wärmepumpenkreislaufs (15), einen Kühlkreislaufwärmetauscher (75) des Wärmepumpenkreislaufs (15) und einen ersten Innenraumwärmetauscher (65) geführt wird, wobei das Kältemittel (55) im ersten Innenraumwärmetauscher (65) unter Abgabe einer ersten Wärme (Q̇1) zum Beheizen eines Fahrgastraums (7) des Kraftfahrzeugs (1) abgekühlt wird, wobei das Kältemittel (55) im Umgebungswärmetauscher (80) unter Abgabe einer zweiten Wärme (Q2) abgekühlt wird, um den Umgebungswärmetauschers (80) zu enteisen, wobei im Kühlkreislaufwärmetauscher (75) das Kältemittel (55) unter Aufnahme einer dritten Wärme (Q3) verdampft wird und ein Kühlmittel (8) eines Kühlkreislaufs (6) eines Antriebsstrangs (2) des Kraftfahrzeugs (1) abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Thermomanagementsystem gemäß Patentanspruch 1, ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 7 und ein Thermomanagementsystem gemäß Patentanspruch 8.
Stand der Technik
Aus WO 2018/195898 A1 ist ein Thermomanagementsystem bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Thermomanagementsystem, ein verbessertes Steuergerät und ein verbessertes Thermomanagementsystem bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, einem Steuergerät gemäß Patentanspruch 7 und einem Thermomanagementsystem gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wurde erkannt, dass ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Thermomanagementsystems eines elektrischen Kraftfahrzeugs dadurch bereitgestellt werden kann, dass ein Kältemittel eines Wärmepumpenkreislaufs des Thermomanagementsystems seriell durch einen Umgebungswärmetauscher des Wärmepumpenkreislaufs, einen Kühlkreislaufwärmetauscher des Wärmepumpenkreislaufs und einen ersten Innenraumwärmetauscher geführt wird. Das Kältemittel wird im ersten Innenraumwärmetauscher unter Abgabe einer ersten Wärme zum Beheizen eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs abgekühlt, wobei das Kältemittel im Umgebungswärmetauscher unter Abgabe einer zweiten Wärme abgekühlt wird, um den Umgebungswärmetauschers zu enteisen. Im Kühlkreislaufwärmetauscher wird das Kältemittel unter Aufnahme einer dritten Wärme verdampft und ein Kühlmittel eines Kühlkreislaufs eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs wird abgekühlt.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass im Betrieb des Kraftfahrzeug zum einen ein Fahrgastinnenraum mit der ersten Wärme beheizt werden kann und gleichzeitig der Umgebungswärmetauscher enteist werden kann. Dadurch kann ein zuverlässiger Betrieb energieeffizienter Betrieb des Thermomanagementsystems sichergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform durchströmt das Kältemittel stromabwärtsseitig des ersten Innenraumwärmetauschers ein verstellbares Expansionsventil, wobei das Expansionsventil zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verstellbar ist, wobei das Expansionsventil in die in die erste Offenstellung gefahren wird und das Kältemittel im Wesentlichen mit gleichen Verdampfungsdruck stromaufwärtsseitig und stromabwärtsseitig des Expansionsventils strömt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine große Menge der dritten Wärme vom Kühlmittel abgeführt werden kann, sodass ein Überhitzen des Antriebsstrangs vermieden werden kann. Ferner ist z.B. beim Schnellladen, insbesondere beim DC-Schnellladen, eine gute Kühlung einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs sichergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels ermittelt. Zwischen dem Umgebungswärmetauscher und dem Kühlkreislaufwärmetauscher durchströmt das Kältemittel ein weiteres verstellbares Expansionsventil, insbesondere ein Mehr-Wege-Ventil, und expandiert an dem weiteren Expansionsventil, wobei eine zweite Zwischenstellung des weiteren Expansionsventils derart gesteuert wird, dass eine dritte Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Kühlkreislaufwärmetauscher kleiner einer Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels ist, um die dritte Wärme am Kühlkreislaufwärmetauscher aufzunehmen. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere bei einem großen Wärmeangebot des Antriebsstrangs bei gleichzeitig hoher Wärmeanforderung zum Beheizen des Fahrgastinnenraums.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs ermittelt, wobei das Kältemittel stromabwärtsseitig des ersten Innenraumwärmetauschers an einem dem Umgebungswärmetauscher vorgeschaltetem Expansionsventil expandiert wird. Eine erste Zwischenstellung zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung des Expansionsventils wird derart gesteuert, dass eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Umgebungswärmetauscher größer der Umgebungstemperatur ist, um die zweite Wärme zum Enteisen am Umgebungswärmetauscher vom Kältemittel abzuführen. Dadurch wird ein sicherer Betrieb des Thermomanagementsystems des Kraftfahrzeugs auch bei kühlen Bedingungen um den Gefrierpunkt sichergestellt, auch wenn gleichzeitig der Fahrgastinnenraum beheizt wird.
In einer weiteren Ausführungsform durchströmt das Kältemittel zwischen dem Umgebungswärmetauscher und dem Kühlkreislaufwärmetauscher ein weiteres verstellbares Expansionsventil, insbesondere ein Mehr-Wege-Ventil, wobei das weitere verstellbare Expansionsventil in die zweite Offenstellung gefahren ist und das Kältemittel im Wesentlichen mit gleichen Verdampfungsdruck stromaufwärtsseitig und stromabwärtsseitig des weiteren Expansionsventils strömt. Dadurch wird das Kältemittel besonders stark am Umgebungswärmetauscher unterkühlt, sodass das Kältemittel danach besonders das Kühlmittel gut kühlen kann. Dieser Betrieb eignet sich insbesondere bei einer notwenigen hohen Kühlleistung des Antriebsstrangs bei gleichzeitig hoher Heizanforderung zum Beheizen des Fahrgastinnenraums.
Vorteilhafterweise wird das Kältemittel in flüssigem Phasenzustand oder als Nassdampf durch den Umgebungswärmetauscher geführt, wobei im Kühlkreislaufwärmetauscher das Kältemittel im Wesentlichen vollständig verdampft wird. Ein verbessertes Thermomanagementsystem kann dadurch bereitgestellt werden, dass das Thermomanagementsystem einen mit einem Kältemittel füllbarem Wärmepumpenkreislauf mit einem Umgebungswärmetauscher, einen ersten Innenraumwärmetauscher, einem Kühlkreiswärmetauscher, einem steuerbarem Expansionsventil, einem Verdichter, einem weiteren Expansionsventil, insbesondere einem Mehr-Wege-Ventil und ein Steuergerät aufweist. Ausgangsseitig ist der Verdichter mit einer ersten Eingangsseite des ersten Innenraumwärmetauschers fluidisch verbunden. Der Verdichter ist ausgebildet, das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf zu fördern, wobei stromabwärtsseitig einer ersten Ausgangsseite des ersten Innenraumwärmetauschers der Umgebungswärmetauscher und stromabwärtsseitig des Umgebungswärmetauschers Kühlmittelwärmetauscher angeordnet sind. Das steuerbares Expansionsventil und das steuerbares weiteres Expansionsventil mit dem Steuergerät datentechnisch verbunden sind. Das steuerbare Expansionsventil ist fluidisch zwischen der ersten Ausgangsseite des ersten Innenraumwärmetauschers und dem Umgebungswärmetauscher angeordnet, wobei das steuerbare weitere Expansionsventil fluidisch zwischen dem Verdichter und dem Kühlkreislaufwärmetauscher angeordnet ist. Das Kältemittel ist ausgebildet, seriell den Umgebungswärmetauscher und den Kühlmittelwärme zu durchströmen. Dadurch kann eine besonders gute Kühlung des Antriebsstrangs, beispielsweise der Traktionsbatterie, bei hoher Wärmeabgabe des Antriebsstrangs sichergestellt werden und die Wärme zum Beheizen des Fahrgastraums genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Thermomanagementsystem einen Drucksensor auf, wobei der Drucksensor zwischen dem Umgebungswärmetauscher und dem ersten Innenraumwärmetauscher angeordnet ist und datentechnisch mit dem Steuergerät verbunden ist, wobei der Drucksensor ausgebildet ist, einen Druck des Kältemittels zu messen und eine Information über den Druck dem Steuergerät bereitzustellen, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, eine Information über eine Kühlmitteltemperatur und den Druck zu erfassen, wobei auf Grundlage des Drucks das Steuergerät ausgebildet ist, eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels eingangsseitig des Umgebungswärmetauschers zu ermitteln, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, das weitere Expansionsventil zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung in wenigstens eine zweite Zwischenstellung derart zu steuern, dass eine dritte Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Kühlkreislaufwärmetauscher kleiner der Kühlmitteltemperatur ist, wobei das Expansionsventil zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verstellbar ist, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, das Expansionsventil in die erste Offenstellung zu steuern. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine maximale Unterkühlung des Kältemittels im Umgebungswärmetauscher und dem ersten Innenraumwärmetauscher sichergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Thermomanagementsystem einen datentechnisch mit dem Steuergerät verbunden Drucksensor auf, wobei der Drucksensor ausgebildet ist, einen Druck des Kältemittels zwischen dem Umgebungswärmetauscher und dem ersten Innenraumwärmetauscher zu messen und eine Information dem Steuergerät bereitzustellen, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, eine Information über eine Umgebungstemperatur und den Druck zu erfassen, wobei auf Grundlage des Drucks des Kältemittels das Steuergerät ausgebildet ist, eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels eingangsseitig des Umgebungswärmetauschers zu ermitteln, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, das Expansionsventil zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung in wenigstens eine erste Zwischenstellung auf Grundlage der ersten Verdampfungstemperatur und der Umgebungstemperatur zu steuern, wobei das weitere Expansionsventil zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verstellbar ist wobei das Steuergerät ausgebildet ist, das weitere Expansionsventil in die zweite Offenstellung zu steuern. Diese Ausführungsform stellt eine sichere Verdampfung des Kältemittels im Umgebungswärmetauscher und in dem Kühlkreislaufwärmetauscher sicher.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung des Thermomanagementsystems des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs,
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des in den 1 und 2 gezeigten Thermomanagementsystems des Kraftfahrzeugs;
4 das in 2 gezeigte Thermomanagementsystem in einem ersten Betriebszustand;
5 ein zum ersten Betriebszustand zugehörige Zustandsdiagramm des Wärmepumpenkreislaufs des in 4 gezeigten Thermomanagementsystems;
6 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Thermomanagementsystems in einem zweiten Betriebszustand;
7 ein zum zweiten Betriebszustand zugehörige Zustandsdiagramm des Wärmepumpenkreislaufs des in 6 gezeigten Thermomanagementsystems;
8 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Thermomanagementsystems in einem dritten Betriebszustand;
9 ein Zustandsdiagramm des Kältemittels für das in 8 gezeigte Thermomanagementsystem;
10 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Thermomanagementsystems in einem vierten Betriebszustand; und
11 ein Zustandsdiagramm des Kältemittels für das in 10 gezeigte Thermomanagementsystem.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1.
Das Kraftfahrzeug 1 ist vorzugsweise als batteriebetriebenes (vollelektrisches) Kraftfahrzeug 1 ausgebildet. Es wäre auch möglich, dass das Kraftfahrzeug 1 als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, das einen Elektromotor und eine Brennkraftmaschine zur Bereitstellung der Antriebskraft des Kraftfahrzeugs 1 aufweist.
Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Antriebsstrang 2, mit wenigstens einem Antriebsmotor 3, der insbesondere als Elektromotor ausgebildet ist, einem Fahrzeugsteuergerät 4 und einer Traktionsbatterie 5 auf. Ferner weist das Kraftfahrzeug 1 ein Thermomanagementsystem 10 und einen Kühlkreislauf 6 auf. Der Kühlkreislauf 6 weist ein Kühlmittel 8 auf, das in dem Kühlkreislauf 6 zirkuliert um den Antriebsstrang 2 zu kühlen oder zu erwärmen.
Im Betrieb des elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 1 stellt die Traktionsbatterie 5 elektrische Leistung über das Fahrzeugsteuergerät 4 dem Antriebsmotor 3 bereit, wobei der Antriebsmotor 3 mittels der elektrischen Leistung das Kraftfahrzeug 1 bewegt. Die an den Antriebsmotor 3 geführte elektrische Leistung kann durch das Fahrzeugsteuergerät 4 gesteuert werden. Dabei erwärmen sich im Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 der Antriebsmotor 3, das Fahrzeugsteuergerät 4 und die Traktionsbatterie 5. In den Kühlkreislauf 6 kann der Antriebsmotor 3 und/oder das Fahrzeugsteuergerät 4 und/oder die Traktionsbatterie 5 eingebunden sein, um überschüssige Abwärme von den genannten Komponenten abzuführen und somit eine Überhitzung des Antriebsmotors 3 und/oder des Fahrzeugsteuergeräts 4 und/oder der Traktionsbatterie 5 zu verhindern. Ebenso erwärmt sich die Traktionsbatterie 5 beim Laden, insbesondere beim Schnellladen.
Das Thermomanagementsystem 10 ist thermisch mit dem Kühlkreislauf 6 verbunden und ist ausgebildet, den Fahrgastraum 7 des Kraftfahrzeugs 1 zu klimatisieren, insbesondere zu kühlen oder zu beheizen, und das Kühlmittel 8 zu kühlen.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Thermomanagementsystems 10 des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs 1.
Das Thermomanagementsystem 10 weist einen Wärmepumpenkreislauf 15, ein Steuergerät 20 und wenigstens eine Sensoreinrichtung 25 auf. Das Steuergerät 20 weist eine Steuereinrichtung 30, einen Datenspeicher 35 und eine Schnittstelle 40 auf. Die Steuereinrichtung 30 ist mittels einer ersten Datenverbindung 45 datentechnisch mit dem Datenspeicher 35 verbunden. Eine zweite Datenverbindung 50 verbindet datentechnisch die Steuereinrichtung 30 mit der Schnittstelle 40. In dem Datenspeicher 35 ist wenigstens ein erster Parameter, ein zweiter Parameter, ein dritter Parameter und ein vierter Parameter abgelegt. Der erste bis vierte Parameter kann beispielsweise ein vordefinierter Algorithmus, eine tabellarische Zuordnung, ein Kennfeld, eine Kennlinie oder ein Algorithmus für ein Computerprogramm sein.
Der Wärmepumpenkreislauf 15 ist mit einem Kältemittel 55 befüllt. Das Kältemittel 55 kann beispielsweise R1234yf oder R410 sein. Ferner weist der Wärmepumpenkreislauf 15 einen elektrisch angetriebenen Verdichter 60, einen ersten Innenraumwärmetauscher 65, einen zweiten Innenraumwärmetauscher 70, einen Kühlkreislaufwärmetauscher 75, einen Umgebungswärmetauscher 80, ein Expansionsventil 85, ein weiteres Expansionsventil 90, das als Mehr-Wege-Ventil ausgebildet ist, einen Druckspeicher 95, ein Ventil 100, eine Verzweigung 135, eine erste Zusammenführung 145 und eine zweite Zusammenführung 140 auf.
Der Verdichter 60 weist eine Verdichtereingangsseite 105 und eine Verdichterausgangsseite 110 auf. Der erste Innenraumwärmetauscher 65 weist primärseitig eine erste Eingangsseite 115 und eine erste Ausgangsseite 120 auf. Ferner weist der zweite Innenraumwärmetauscher 70 primärseitig eine zweite Eingangsseite 125 und eine zweite Ausgangsseite 130 auf. Der Umgebungswärmetauscher 80 weist eine dritte Eingangsseite 165 und eine dritte Ausgangsseite 170 auf. Ferner weist der Kühlkreislaufwärmetauscher 75 sekundärseitig eine vierte Eingangsseite 195 und eine vierte Ausgangsseite 200 auf.
Die Verdichterausgangsseite 110 ist mittels einer ersten Fluidleitung 150 mit der ersten Eingangsseite 115 des ersten Innenraumwärmetauschers 65 fluidisch verbunden. Stromabwärtsseitig der ersten Ausgangsseite 120 ist mittels einer zweiten Fluidleitung 155 das Expansionsventil 85 mit der ersten Ausgangsseite 120 fluidisch verbunden. Stromabwärtsseitig des Expansionsventils 85 ist eine dritte Fluidleitung 160 an dem Expansionsventil 85 angeschlossen. Die dritte Fluidleitung 160 verbindet das Expansionsventil 85 mit der dritten Eingangsseite 165 einer Sekundärseite des Umgebungswärmetauschers 80. Die dritte Ausgangsseite 170 der Sekundärseite des Umgebungswärmetauschers 80 ist an einer vierten Fluidleitung 175 angeschlossen. Die vierte Fluidleitung 175 verbindet die dritte Ausgangsseite 170 mit der Verzweigung 135. Eine fünfte Fluidleitung 180 verbindet die Verzweigung 135 mit einem ersten Anschluss 185 des Mehr-Wege-Ventils 90. Stromaufwärtsseitig ist das Ventil 100 mittels einer sechsten Fluidleitung 190 mit der Verzweigung 135 verbunden.
Ein zweiter Anschluss 205 des Mehr-Wege-Ventils 90 mittels einer siebten Fluidleitung 210 mit der vierten Eingangsseite 195 fluidisch verbunden ist. Die vierte Ausgangsseite 200 ist mittels einer achten Fluidleitung 215 fluidisch mit der zweiten Zusammenführung 140 verbunden. Ferner ist die zweite Zusammenführung 140 stromaufwärtsseitig über eine neunte Fluidleitung 220 an der zweiten Ausgangsseite 130 des zweiten Innenraumwärmetauschers 70 angebunden. Die zweite Zusammenführung 140 ist mittels einer zehnten Fluidleitung 225 mit der ersten Zusammenführung 145 fluidisch verbunden.
Stromabwärtsseitig ist das Ventil 100 mittels einer elften Fluidleitung 230 mit der ersten Zusammenführung 145 fluidisch verbunden. Stromabwärtsseitig ist die erste Zusammenführung 145 über eine zwölfte Fluidleitung 235 mit dem Druckspeicher 95 verbunden. Stromabwärtsseitig, gegenüberliegend zu der stromaufwärtsseitigen Anbindung des Druckspeichers 95 mit der zwölften Fluidleitung 235 ist der Druckspeicher 95 mittels einer dreizehnten Fluidleitung 240 mit der Verdichtereingangsseite 105 fluidisch verbunden. Eine vierzehnte Fluidleitung 245 verbindet einen dritten Anschluss 246 des Mehr-Wege-Ventils 90 fluidisch mit der zweiten Eingangsseite 125 der Sekundärseite des zweiten Innenraumwärmetauschers 70.
Die Sensoreinrichtung 25 weist einen Umgebungstemperatursensor 250, einen Drucksensor 255, einen Kühlmittelsensor 260 und einen Fahrgastraumtemperatursensor 300 sowie eine Eingabeeinrichtung 305 auf. Zusätzlich kann die Sensoreinrichtung 25 weitere Sensoren aufweisen, auf die im Folgenden nicht eingegangen wird.
Der Umgebungstemperatursensor 250 ist mittels einer dritten Datenverbindung 265 datentechnisch mit der Schnittstelle 40 verbunden. Eine vierte Datenverbindung 270 verbindet datentechnisch den Drucksensor 255, der beispielsweise stromaufwärtsseitig der dritten Eingangsseite 165 an der dritten Fluidleitung 160 angeordnet ist, mit der Schnittstelle 40. Der Kühlmitteltemperatursensor 260 ist datentechnisch mittels einer fünften Datenverbindung 275 mit der Schnittstelle 40 verbunden. Ferner ist der Kühlmitteltemperatursensor 260 in den Kühlkreislauf 6 eingebunden.
Eine sechste Datenverbindung 280 verbindet das Ventil 100 datentechnisch mit der Schnittstelle 40. Über eine siebte Datenverbindung 285 ist das Mehr-Wege-Ventil 90 mit der Schnittstelle 40 datentechnisch verbunden. Das Expansionsventil 85 ist über eine achte Datenverbindung 290 datentechnisch mit der Schnittstelle 40 verbunden. Über eine neunte Datenverbindung 295 ist der Verdichter 60 datentechnisch mit der Schnittstelle 40 verbunden.
Der Fahrgastraumtemperatursensor 300 ist vorzugsweise im Fahrgastraum 7 angeordnet. Ebenso kann in dem Fahrgastraum 7 die Eingabeeinrichtung 305 angeordnet sein. Die Eingabeeinrichtung 305 kann beispielsweise als berührungssensitiver Touch-Screen oder als Drehrad ausgebildet sein. Der Fahrgastraumtemperatursensor 300 ist mittels einer zehnten Datenverbindung 310 mit der Schnittstelle 40 datentechnisch verbunden. Die Eingabeeinrichtung 305 ist mittels einer elften Datenverbindung 315 mit der Schnittstelle 40 datentechnisch verbunden.
Die dritte bis elfte Datenverbindung 265, 270, 275, 280, 285, 290, 295, 310, 315 kann drahtgestützt oder drahtlos ausgebildet sein. Auch kann die dritte bis elfte Datenverbindung 265, 270, 275, 280, 285, 290, 295, 310, 315 Teil eines Bus-Systems, insbesondere eines CAN-Bus-Systems sein.
Das Ventil 100 weist eine erste Ventilstellung und eine zweite Ventilstellung auf, wobei das Ventil 100 zwischen der ersten Ventilstellung und der zweiten Ventilstellung verstellt werden kann. In der ersten Ventilstellung trennt das Ventil 100 die sechste Fluidleitung 190 von der elften Fluidleitung 230. In der zweiten Ventilstellung verbindet das Ventil 100 die sechste Fluidleitung fluidisch 190 mit der elften Fluidleitung 230.
Das Expansionsventil 85 weist eine erste Offenstellung und eine erste Schließstellung auf, wobei das Expansionsventil 85 zwischen der ersten Offenstellung und der ersten Schließstellung, vorzugsweise in wenigstens eine erste Zwischenstellung, vorzugsweise mehrere erste Zwischenstellungen zwischen der ersten Offenstellung und der ersten Schließstellung, verstellbar, insbesondere stufenlos verstellbar ist. In der ersten Schließstellung trennt das Expansionsventil 85 die zweite Fluidleitung 155 fluidisch von der dritten Fluidleitung 160. In der ersten Offenstellung sowie in der ersten Zwischenstellung ist die zweite Fluidleitung 155 mit der dritten Fluidleitung 160 fluidisch verbunden.
Das weitere Expansionsventil, das in 2 beispielsweise als Mehr-Wege-Ventil 90 ausgebildet ist, weist eine zweite Schließstellung sowie eine zweite Offenstellung und eine dritte Offenstellung auf. In der zweiten Schließstellung ist der zweite Anschluss 205 fluidisch vom ersten Anschluss 185 und vom dritten Anschluss 246 getrennt. In der zweiten Offenstellung ist der erste Anschluss 185 fluidisch mit dem zweiten Anschluss 205 verbunden. Zusätzlich weist in der Ausführungsform das Mehr-Wege-Ventil 90 eine zweite Zwischenstellung auf, wobei die zweite Zwischenstellung zwischen der zweiten Offenstellung und der zweiten Schließstellung liegt und in der zweiten Zwischenstellung der zweite Anschluss 205 nur teilweise mit verringertem Öffnungsquerschnitt gegenüber der zweiten Offenstellung mit dem ersten Anschluss 185 fluidisch verbunden ist.
In der dritten Offenstellung ist der dritte Anschluss 246 fluidisch mit dem ersten Anschluss 185 verbunden. Ferner kann das Mehr-Wege-Ventil 90 eine dritte Zwischenstellung zwischen der dritten Schließstellung und der dritten Offenstellung aufweisen, wobei in der dritten Zwischenstellung ein Öffnungsquerschnitt einer fluidischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 185 und dem dritten Anschluss 246 reduziert gegenüber der dritten Offenstellung ist.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des in den 1 und 2 gezeigten Thermomanagementsystems 10 des Kraftfahrzeugs 1.
In einem ersten Verfahrensschritt 405 des Verfahrens zum Betrieb des Thermomanagementsystems 10 des Kraftfahrzeugs 1, das in der Ausführungsform im Wesentlichen von dem Steuergerät 20 gesteuert wird, misst der Umgebungstemperatursensor 250 eine Umgebungstemperatur T_Umg des Kraftfahrzeugs 1. Der Umgebungstemperatursensor 250 stellt im Rahmen eines ersten Datensignals eine erste Information über die Umgebungstemperatur T_Umg der Schnittstelle 40 bereit.
Ferner misst der Kühlmitteltemperatursensor 260, der in den Kühlkreislauf 6 eingebunden ist, eine Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels 8, das im Kühlkreislauf 6 zirkuliert. Der Kühlmittelsensor 260 stellt im Rahmen eines zweiten Datensignals eine zweite Information über die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels 8 über die dritte Datenverbindung 265 der Schnittstelle 40 bereit.
Des Weiteren misst der Fahrgastraumtemperatursensor 300 eine Fahrgastraumtemperatur des Fahrgastraums 7 und stellt im Rahmen eines dritten Datensignals eine dritte Information über die Fahrgastraumtemperatur über die elfte Datenverbindung 315 der Schnittstelle 40 bereit. Des Weiteren ist mittels der Eingabeeinrichtung 305 eine Solltemperatur für die Fahrgastraumtemperatur im Fahrgastraum 7 durch den Fahrzeugführer einstellbar. Die eingestellte Solltemperatur wird als vierte Information im Rahmen eines vierten Datensignals über die Eingabeeinrichtung 305 bereitgestellt.
Ferner misst der Drucksensor 255 einen Druck des Kältemittels 55 in der dritten Fluidleitung 160 und stellt im Rahmen eines fünften Datensignals eine fünfte Information über den Druck des Kältemittels über die vierte Datenverbindung 270 der Schnittstelle 40 bereit. Der Druck des Kältemittels 55 in der dritten Fluidleitung 160 entspricht im Wesentlichen dem Druck des Kältemittels in dem Umgebungswärmetauscher 80.
Die Schnittstelle 40 erfasst das erste bis fünfte Datensignal und stellt die erste bis fünfte Information über die zweite Datenverbindung 50 der Steuereinrichtung 30 bereit.
In einem auf den ersten Verfahrensschritt 405 folgenden zweiten Verfahrensschritt 410 ermittelt die Steuereinrichtung 30 auf Grundlage der ersten Information über die Umgebungstemperatur T_Umg und des ersten Parameters ein von der Umgebung dem Umgebungswärmetauscher 80 verfügbares erstes Wärmeangebot am Umgebungswärmetauscher 80. Ferner ermittelt die Steuereinrichtung 30 auf Grundlage des vordefinierten zweiten Parameters und der zweiten Information über die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels 8 ein zweites Wärmeangebot am Kühlkreislaufwärmetauscher 75. Des Weiteren ermittelt die Steuereinrichtung 30 auf Grundlage des ermittelten ersten und zweiten verfügbaren Wärmeangebots und der Solltemperatur sowie der im Fahrgastraum 7 herrschenden Fahrgastraumtemperatur in Abhängigkeit des dritten Parameters einen ersten bis vierten Betriebszustand. Es wird darauf hingewiesen, dass an dieser Stelle die Steuereinrichtung 30 auch eine andere Anzahl von Betriebszuständen ermitteln kann.
Ferner ermittelt die Steuereinrichtung 30 auf Grundlage des vierten Parameters und des Drucks des Kältemittels 55 in der dritten Fluidleitung eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55.
In einem auf den dritten Verfahrensschritt 415 folgenden vierten Verfahrensschritt 420 bis siebten Verfahrensschritt 435 steuert die Steuereinrichtung 30 mittels eines ersten bis vierten Steuersignals das in 2 gezeigte Thermomanagementsystem 10 in Abhängigkeit des ermittelten Betriebszustands. Das erste bis vierte Steuersignal wird von der Steuereinrichtung 30 über die zweite Datenverbindung 50 an die Schnittstelle 40 übertragen, wobei das erste bis vierte Steuersignal mittels der sechsten bis neunten Datenverbindung 280, 285, 290, 295 zu dem Ventil 100, dem Mehr-Wege-Ventil 90, dem Expansionsventil 85 und dem Verdichter 60 jeweils übertragen wird.
Im Folgenden wird auf die vier Betriebszustände des Thermomanagementsystems 10 zum Beheizen des Fahrgastraums 7 eingegangen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Thermomanagementsystem 10 auch in weiteren Betriebszuständen betrieben werden kann, zum Beispiel zum Kühlen oder Trocknen des Fahrgastraums 7, auf die im Weiteren nicht eingegangen wird.
4 zeigt das in 2 gezeigte Thermomanagementsystem 10 in dem ersten Betriebszustand.
Dabei wird in 4 mittels Pfeilen eine Strömungsrichtung des Kältemittels 55, das im Wärmepumpenkreislauf 15 zirkuliert, gekennzeichnet. Ferner wird mittels Großbuchstaben jeweils ein Zustand des Kältemittels 55 markiert.
5 zeigt ein zum ersten Betriebszustand zugehörige Zustandsdiagramm des Wärmepumpenkreislaufs 15. Dabei ist entsprechend 4 in 5 mittels der Großbuchstaben jeweils der Zustand des Kältemittels 55 markiert. Das Zustandsdiagramm zeigt einen Druck p des Kältemittels 55 logarithmisch aufgetragen über einer Enthalpie Ent. Ferner sind in dem Zustandsdiagramm eine Taulinie und eine Siedelinie eingetragen.
Im vierten Verfahrensschritt 420 steuert die Steuereinrichtung 30 mittels des ersten bis dritten Steuersignals das Ventil 100 in die erste Ventilstellung, das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Zwischenstellung und das Expansionsventil 85 in die erste Zwischenstellung. Ferner wird der Verdichter 60 mittels des vierten Steuersignals aktiviert.
Im ersten Betriebszustand (vierter Verfahrensschritt 420) ist das zweite Wärmeangebot von dem Antriebsstrang 2 des Kraftfahrzeugs 1 gering. Ferner ist das erste Wärmeangebot ebenso gering, aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur T_Umg (z.B. kleiner 5°C). Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Kraftfahrzeug 1 mit geringer Leistung betrieben wird oder nur mit geringer Leistung beispielsweise mit dem Onboard-Lader geladen wird. Ferner ist die Solltemperatur für den Fahrgastraum 7 normal (z.B. 17°C bis 22°C).
Um den Fahrgastraum 7 zu beheizen, aktiviert die Steuereinrichtung 30 den Verdichter 60. Der Verdichter 60 fördert das Kältemittel 55 über die Verdichterausgangsseite 110 in die erste Fluidleitung 150. Das Kältemittel 55 ist dabei verdichtet und mit Druck beaufschlagt und in gasförmigem Zustand (vgl. 5, Großbuchstabe A). Das Kältemittel 55 strömt über die erste Eingangsseite 115 in eine Primärseite des ersten Innenraumwärmetauschers 65 ein. Im ersten Innenraumwärmetauscher 65 gibt das Kältemittel 55 eine erste Wärme Q̇₁ an eine Sekundärseite des ersten Innenraumwärmetauschers 65 ab, wodurch der Fahrgastraum 7 durch die erste Wärme Q̇₁ beheizt wird. Beispielsweise kann die erste Wärme Q an eine an den ersten Innenraumwärmetauscher 65 geförderte Luft abgegeben werden und die Luft kann dabei mittels der ersten Wärme Q̇̇₁ erwärmt werden. Primärseitig wird das Kältemittel 55 kondensiert (vgl. 5, Zustand B). Das Kältemittel 55 strömt über die zweite Fluidleitung 155 zum Expansionsventil 85.
Im Rahmen des vierten Verfahrensschritts 420 wird dabei im ersten Betriebszustand die erste Zwischenstellung des Expansionsventils 85 von der Steuereinrichtung 30 auf Grundlage der ersten Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55 und der Umgebungstemperatur T_Umg gesteuert (vgl. 5 Zustand C). Dabei steuert die Steuereinrichtung 30 das Expansionsventil 85 derart, dass die erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55 in der dritten Fluidleitung 160 stromabwärtsseitig des Expansionsventils 85, also in expandiertem Zustand nach dem Expansionsventil 85 im Wesentlichen der Umgebungstemperatur des Umgebungswärmetauschers 80 entspricht. Das expandierte Kältemittel 55 strömt von dem Expansionsventil 85 über die dritte Fluidleitung 160 zu der dritten Eingangsseite 165 und tritt in die Sekundärseite des Umgebungswärmetauschers 80 ein.
Dadurch dass die erste Verdampfungstemperatur des Kältemittel 55 im Wesentlichen der Umgebungstemperatur T_Umg entspricht, wird das Kältemittel 55 auch bei niedriger Umgebungstemperatur durch den Umgebungswärmetauscher 80 ohne Wärmeaustausch geführt. Dadurch dass das Temperaturniveau des Kältemittels 55 am Umgebungswärmetauscher 80 so niedrig ist, dass im Wesentlichen keine oder nur eine geringe zweite Wärme Q̇₂ an die Umgebung abgegeben wird, ist das Druckniveau des Kältemittels jedoch so hoch wie möglich. Das Kältemittel 55 (vgl. 5, Zustand D) strömt über die dritte Ausgangsseite 170 und die vierte Fluidleitung 175 zu der ersten Verzweigung 135.
Dadurch dass das Ventil 100 in die erste Ventilstellung geschalten ist, ist eine fluidische Verbindung zwischen der Verzweigung 135 und der ersten Zusammenführung 145 unterbrochen. Das Kältemittel 55 strömt von der Verzweigung 135 über die fünfte Fluidleitung 180 zu dem ersten Anschluss 185 des Mehr-Wege-Ventils 90.
Das Mehr-Wege-Ventil 90 ist in die zweite Zwischenstellung geschalten, sodass in der zweiten Zwischenstellung das Mehr-Wege-Ventil 90 den zweiten Innenraumwärmetauscher 70 fluidisch von der Verzweigung 135 trennt. Ferner ist die fünfte Fluidleitung 180 fluidisch mit der siebten Fluidleitung 210 verbunden. An dem Mehr-Wege-Ventil 90 wird das Kältemittel 55 nochmals expandiert (vgl. 5, Zustand E) und wird in expandiertem Zustand in die Sekundärseite des Kühlkreislaufwärmetauschers 75 geführt. Das kalte Kältemittel 55 nimmt eine dritte Wärme Q̇̇₃ von dem Kühlmittel 8 auf und wird in dem Kühlkreislaufwärmetauscher 75 verdampft.
Das verdampfte Kühlmittel 8 (vgl. 5, Zustand F) wird über die achte Fluidleitung 215, die zweite Zusammenführung 140, die zehnte Fluidleitung 225 und die erste Zusammenführung 145 zu der zwölften Fluidleitung 235 geführt. Das verdampfte Kühlmittel 8 wird über den Druckspeicher 95 und die dreizehnte Fluidleitung 240 zu der Verdichtereingangsseite 105 geführt. Mit anderen Worten wird im ersten Betriebszustand dafür gesorgt, dass der Antriebsstrang 2 besonders gut mittels des Wärmepumpenkreislaufs 15 gekühlt wird und die überschüssige dritte Wärme Q̇̇₃ des elektrischen Antriebsstrangs 2 zur Beheizung des Fahrgastraums 7 verwendet wird. Dabei werden beide Wärmequellen (Umgebung und Kühlkreislauf 6) seriell nacheinander durchströmt.
Der Verdichter 60 verdichtet das über die Verdichtereingangsseite 105 zugeführte Kältemittel 55 und führt im Wärmepumpenkreislauf 15 das verdichtete Kältemittel 55 wieder über die Verdichterausgangsseite 110 in die erste Fluidleitung 150.
6 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Thermomanagementsystems 10 in dem zweiten Betriebszustand. 7 ein zum zweiten Betriebszustand zugehörige Zustandsdiagramm des Wärmepumpenkreislaufs des in 6 gezeigten Thermomanagementsystems 10. Das Zustandsdiagramm zeigt einen Druck p des Kältemittels 55 logarithmisch aufgetragen über einer Enthalpie Ent. Ferner sind in dem Zustandsdiagramm eine Taulinie und eine Siedelinie eingetragen.
In einem fünften Verfahrensschritt 425 wird das Thermomanagementsystem 10 im zweiten Betriebszustand betrieben. Im fünften Verfahrensschritt 420 steuert die Steuereinrichtung 30 mittels des ersten bis dritten Steuersignals das Ventil 100 in die erste Ventilstellung, das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Zwischenstellung und das Expansionsventil 85 in die erste Zwischenstellung. Ferner wird der Verdichter 60 mittels des vierten Steuersignals aktiviert. Der fünfte Verfahrensschritt 425 ist identisch zu dem vierten Verfahrensschritt 420, sodass nur auf die Unterschiede des fünften Verfahrensschritts 425 gegenüber dem vierten Verfahrensschritt 420 eingegangen wird.
Im zweiten Betriebszustand (fünfter Verfahrensschritt 425) ist das zweite Wärmeangebot von dem Antriebsstrang 2 des Kraftfahrzeugs 1 gering. Ferner ist das erste Wärmeangebot ebenso gering, aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur T_Umg (z.B. kleiner 5°C). Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Kraftfahrzeug 1 mit geringer Leistung betrieben wird oder nur mit geringer Leistung beispielsweise mit dem Onboard-Lader geladen wird. Ferner ist die Solltemperatur für den Fahrgastraum 7 erhöht (z.B. 22°C bis 28°C).
Bei Erkennen der Bedingungen für den zweiten Betriebszustand steuert die Steuereinrichtung 30 mittels des ersten bis dritten Steuersignals das Ventil 100 in die erste Ventilstellung, das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Offenstellung und das Expansionsventil 85 in die erste Zwischenstellung. Ferner wird der Verdichter 60 mittels des vierten Steuersignals aktiviert.
Im fünften Verfahrensschritt 425 wird das Kältemittel 55 im Wesentlichen identisch, so wie in 4 beschrieben, im Wärmepumpenkreislauf 15 gefördert. Im Folgenden wird ausschließlich auf die Unterschiede des zweiten Betriebszustands (vgl. 6) gegenüber dem in 4 erläuterten ersten Betriebszustand eingegangen.
Dadurch dass das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Offenstellung geschaltet ist, ist ein Öffnungsquerschnitt des Mehr-Wege-Ventils 90 zwischen der fünften Fluidleitung 180 und der siebten Fluidleitung 210 maximiert. Es findet also gegenüber dem ersten Betriebszustand (vgl. 4) keine Expansion am Mehr-Wege-Ventil 90 stromabwärtsseitig des Mehr-Wege-Ventils 90 statt, sodass eine zweite Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55 am ersten Anschluss 185 und am zweiten Anschluss 205 im Wesentlichen identisch (vgl. 7 Zustand D, E).
Im fünften Verfahrensschritt 425 steuert die Steuereinrichtung das Expansionsventil 85 derart in die erste Zwischenstellung, dass die erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55 in der dritten Fluidleitung 165 um einen vordefinierten Wert, beispielsweise 5°C bis 10°C geringer als die Umgebungstemperatur T_Umg ist. (vgl. 7 Zustand C)
Das Kältemittel 55 wird durch den Umgebungswärmetauscher 80 geführt und im Umgebungswärmetauscher 80 nimmt das Kältemittel 55 die zweite Wärme Q̇₂ auf. Das (teil-) erwärmte Kältemittel 55 wird über die dritte Ausgangsseite 170 im Zustand D (vgl. 7) über die vierte Fluidleitung 175 zum Mehr-Wege-Ventil 90 geführt. Dabei strömt das erwärmte Kältemittel 55 an der Verzweigung 135 ausschließlich in Richtung des Mehr-Wege-Ventils 90, da das Ventil 100 in der ersten Ventilstellung geschlossen ist.
Am Mehr-Wege-Ventil 90 erfolgt gegenüber 4 keine Expansion, sodass der Zustand E stromabwärtsseitig des Mehr-Wege-Ventils 90 dem Zustand D stromaufwärtsseitig des Mehr-Wege-Ventils 90 entspricht. Das Kältemittel 55 wird über die vierte Eingangsseite 195 in die Sekundärseite des Kühlkreislaufwärmetauschers 75 geleitet und die dritte Wärme Q̇̇₃ wird von dem Kühlmittel 8 des Kühlkreislaufs 6 an das Kältemittel 55 übertragen. Der Kühlkreislaufwärmetauscher 75 dient dabei als Verdampfer. Dabei wird das Kältemittel 55 vollständig verdampft und über die achte Fluidleitung 215, die zweite Zusammenführung 140, die zehnte Fluidleitung 225 und die erste Zusammenführung 145 in Richtung des Verdichters 60 gefördert.
Auch im fünften Verfahrensschritt wird somit der Umgebungswärmetauscher 80 und der Kühlkreislaufwärmetauscher 75 seriell durchströmt. Dadurch dass die notwendige Enthalpie zum Verdampfen des Kältemittels 55 sowohl vom Umgebungswärmetauscher 80 als auch vom Kühlkreislaufwärmetauscher 75 bereitgestellt wird, besteht der Vorteil des zweiten Betriebszustands darin, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen (< 5 °C) eine Vereisung des Umgebungswärmetauschers 80 verzögert werden kann. Darüber hinaus kann die zweite Wärme Q̇₂ des zur Verfügung stehenden zweiten Wärmeangebots des Antriebsstrangs 2 genutzt werden, ohne die Temperatur des Kältemittels 55 so stark zu reduzieren, dass ein Phasenübergang des Kältemittels 55 im Umgebungswärmetauscher 80 erfolgt. Die erste Wärme Q_1̇ entspricht dabei im Wesentlichen einer Summe der zweiten Wärme Q̇̇₂ und der dritten Wärme Q̇₃.
Der zweite Betriebszustand ermöglicht darüber hinaus eine Reduktion einer Verdichterleistung durch die Nutzung des ersten Wärmeangebots. Dadurch ist der zweite Betriebszustand insbesondere für den Fahrbetrieb geeignet und es wird besonders wenig elektrische Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen, um den Fahrgastraum 7 zu beheizen.
8 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Thermomanagementsystems 10 in einem dritten Betriebszustand. 9 zeigt ein Zustandsdiagramm des Kältemittels 55 für das in 8 gezeigte Thermomanagementsystem 10.
Im dritten Betriebszustand (sechster Verfahrensschritt 430) ist das zweite Wärmeangebot von dem Antriebsstrang 2 des Kraftfahrzeugs 1 gegenüber dem ersten und zweiten Betriebszustand deutlich erhöht. Ferner ist das erste Wärmeangebot ebenso gering, aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur T_Umg (z.B. kleiner 5°C). Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Kraftfahrzeug 1 mit hoher Leistung betrieben (viele Beschleunigungs- und/oder Rekuperationsvorgänge) wird oder nur mit hoher Leistung beispielsweise mit dem DC-Lader schnellgeladen wird. Ferner ist die Solltemperatur für den Fahrgastraum 7 normal (z.B. 17°C bis 22°C).
In einem sechsten Verfahrensschritt 430 wird das Thermomanagementsystem 10 im dritten Betriebszustand betrieben. Im sechsten Verfahrensschritt 420 steuert die Steuereinrichtung 30 mittels des ersten bis dritten Steuersignals das Ventil 100 in die erste Ventilstellung, das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Zwischenstellung und das Expansionsventil 85 in die erste Offenstellung. Ferner wird der Verdichter 60 mittels des vierten Steuersignals aktiviert.
Der Verdichter 60 verdichtet das Kältemittel 55 und fördert das gasförmige Kältemittel 55 über die erste Fluidleitung 150 hin zu dem ersten Innenraumwärmetauscher 65. Das Kältemittel 55 tritt über die erste Eingangsseite 115 in den ersten Innenraumwärmetauscher 65 ein und überträgt die erste Wärme Q̇̇₁ durch den ersten Innenraumwärmetauscher 65 geführte Luft zum Beheizen des Fahrgastraums 7. Der erste Innenraumwärmetauscher 65 dient beispielsweise als Kondensator. In der Sekundärseite des ersten Innenraumwärmetauschers 65 wird das Kältemittel 55 verflüssigt (9, Zustand B). Dadurch dass sich das Expansionsventil 85 in der ersten Offenstellung befindet, ist der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils 85 maximiert. Dadurch ist im Wesentlichen ohne große Querschnittsreduzierung die zweite Fluidleitung 155 mit der dritten Fluidleitung 160 fluidisch verbunden. Dadurch erfolgt im Wesentlichen keine Expansion an dem Expansionsventils 85 (vgl. 9 Zustand B, C).
Im Umgebungswärmetauscher 80 wird das Kältemittel 55 nochmals abgekühlt werden (vgl. 9 Zustand D), wobei dabei das Kältemittel 55 eine zweite Wärme Q̇̇₂ an die Primärseite des Umgebungswärmetauschers 80 überträgt. Mittels der zweiten Wärme Q̇₂ kann die Primärseite des Umgebungswärmetauschers 80 enteist werden. Dadurch ist auch bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 0 bis 5 °C sichergestellt, dass die Funktionsfähigkeit des Umgebungswärmetauschers 80 gewährleistet wird.
Das abgekühlte Kältemittel 55 (vgl. 9, Zustand D) strömt über die vierte Fluidleitung 175 zu der Verzweigung 135. Dadurch dass das Ventil 100 sich in der ersten Ventilstellung befindet, ist ein Abströmen an der Verzweigung 135 in Richtung des Ventils 100 nicht möglich, sodass das Kältemittel 55 vollständig zu dem ersten Anschluss 185 des Mehr-Wege-Ventils 90 strömt. Das Mehr-Wege-Ventil 90 ist dabei so geschaltet, dass der zweite Innenraumwärmetauscher 70 fluidisch von dem ersten Anschluss 185 getrennt ist.
Dadurch dass das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Zwischenstellung geschaltet ist, ist der Öffnungsquerschnitt des Mehr-Wege-Ventils 90 hin zu der siebten Fluidleitung 210 gegenüber der zweiten Offenstellung reduziert. Das Kältemittel 55 expandiert an dem Mehr-Wege-Ventil 90 (vgl. 9 Zustand E). Dabei wird eine dritte Verdampfungstemperatur des stromabwärtsseitig des Mehr-Wege-Ventils 90 in der siebten Fluidleitung 210 strömenden Kältemittels 55 durch die Steuereinrichtung 30 derart gesteuert, dass die dritte Verdampfungstemperatur um einen vordefinierten Wert kleiner als die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels 8 ist. Dabei kann beispielsweise der vordefinierte Wert 5°C bis 10°C betragen.
Das expandierte Kältemittel 55 strömt über die vierte Eingangsseite 195 in die Sekundärseite des Kühlkreislaufwärmetauschers 75. In der Sekundärseite des Kühlkreislaufwärmetauschers 75 wird dem Kühlmittel 8 die dritte Wärme Q̇̇₃ zugeführt, wobei die dritte Wärme Q̇̇₃ im Wesentlichen einer Summe der ersten Wärme Q̇̇₁ und der zweiten Wärme Q̇̇₂ entspricht. Durch die um den vordefinierten Wert gegenüber der Kühlmitteltemperatur reduzierte dritte Verdampfungstemperatur kann das Kühlmittel 8 besonders gut primärseitig durch das Kältemittel 55 abgekühlt werden.
Das Kältemittel 55 wird in dem Kühlkreislaufwärmetauscher 75 verdampft und strömt über die vierte Ausgangsseite 200 in die achte Fluidleitung 215 (vgl. 9, Zustand F). Von der achten Fluidleitung 215 wird das Kältemittel 55 über die zweite Zusammenführung 140, die zehnte Fluidleitung 225, die erste Zusammenführung 145, die zwölfte Fluidleitung 235, den Druckspeicher 95 und die dreizehnte Fluidleitung 240 zu der Verdichtereingangsseite 105 hin geführt.
Der dritte Betriebszustand eignet sich insbesondere, um bei kühler Umgebungstemperatur, insbesondere im Temperaturbereich von -5 bis +5 °C bei gleichzeitiger hoher Wärmebelastung des Antriebsstrangs 2, beispielsweise bei einem Schnelladevorgang, zum einen den Fahrgastraum 7 zu beheizen und gleichzeitig im Betrieb parallel dazu den Umgebungswärmetauscher 80 zu enteisen. Dadurch kann zum einen eine besonders große dritte Wärme Q̇̇₃ von dem Kühlkreislauf 6 abgeführt werden und dadurch eine zuverlässige Kühlung des Antriebsstrangs 2 sichergestellt werden und zum anderen ein besonders hoher Fahrkomfort, beispielsweise beim Abwarten des Schnellladevorgangs im Fahrgastraum 7, sichergestellt werden. Ferner wird für die weitere Fahrt sichergestellt, dass dadurch dass der Umgebungswärmetauscher 80 abgetaut und enteist ist, sodass beispielsweise nach dem Schnellladevorgang das Thermomanagementsystem 10 beispielsweise im ersten Betriebszustand zuverlässig betrieben werden kann.
10 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Thermomanagementsystems 10 in dem vierten Betriebszustand. 10 zeigt ein Zustandsdiagramm des Kältemittels 55 für das in 10 gezeigte Thermomanagementsystem 10.
In einem siebten Verfahrensschritt 435 wird das Thermomanagementsystem 10 im vierten Betriebszustand betrieben. Im siebten Verfahrensschritt 435 steuert die Steuereinrichtung 30 mittels des ersten bis dritten Steuersignals das Ventil 100 in die erste Ventilstellung, das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Offenstellung und das Expansionsventil 85 in die erste Zwischenstellung. Ferner wird der Verdichter 60 mittels des vierten Steuersignals aktiviert.
Im vierten Betriebszustand (siebter Verfahrensschritt 435) ist das zweite Wärmeangebot von dem Antriebsstrang 2 des Kraftfahrzeugs 1 gegenüber dem ersten und zweiten Betriebszustand deutlich erhöht. Ferner ist das erste Wärmeangebot ebenso gering, aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur T_Umg (z.B. kleiner 5°C). Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Kraftfahrzeug 1 mit hoher Leistung betrieben wird (viele Beschleunigungs- und/oder Rekuperationsvorgänge) oder nur mit hoher Leistung, beispielsweise mit dem DC-Lader, schnellgeladen wird. Ferner ist die Solltemperatur für den Fahrgastraum 7 erhöht (z.B. 22°C bis 28°C).
Im vierten Betriebszustand fördert der Verdichter 60 das gasförmige Kältemittel 55 von der Verdichtereingangsseite 105 zu der ersten Eingangsseite 115 des ersten Innenraumwärmetauschers 65. Das Kältemittel 55 (vgl. 12) tritt gasförmig im Zustand A in die Primär des ersten Innenraumwärmetauschers 65 ein. Das Kältemittel 55 gibt die erste Wärme Q̇̇₁ an beispielsweise eine an den ersten Innenraumwärmetauscher 65 geführte Luft zum Beheizen des Fahrgastraums 7 ab. Dabei wird das Kältemittel 55 abgekühlt. Vorzugsweise wird das Kältemittel 55 in der Primärseite des ersten Innenraumwärmetauschers 65 in ein Nassdampfgebiet abgekühlt (vgl. 12, Zustand B) oder verflüssigt und über die erste Ausgangsseite 120 und die zweite Fluidleitung 155 zu dem Expansionsventil 85 geführt.
Das Expansionsventil 85 ist in die erste Zwischenstellung gefahren, sodass stromabwärtsseitig das Kältemittel 55 expandiert wird (vgl. 12, Zustand C). In expandiertem Zustand wird über die dritte Eingangsseite 165 das Kältemittel 55 als Nassdampf in den Umgebungswärmetauscher 80 geführt. Im Umgebungswärmetauscher 80 gibt das Kältemittel 55 die zweite Wärme Q̇₂ ab, um die Primärseite des Umgebungswärmetauschers 80 zu enteisen. Insbesondere ist somit der Betrieb des Thermomanagementsystems 10 im vierten Betriebszustand bei Umgebungstemperaturen von -5 bis +5 °C, gegebenenfalls insbesondere bei zusätzlich hoher Luftfeuchtigkeit, von Vorteil. Das nochmal abgekühlte Kältemittel 55 wird im Umgebungswärmetauscher 80 verflüssigt (vgl. 12 Zustand D) und von der dritten Ausgangsseite 170 über die vierte Fluidleitung 175 zu dem ersten Anschluss 185 des Mehr-Wege-Ventils 90 über die Verzweigung 135 sowie die fünfte Fluidleitung 180 zu dem ersten Anschluss 185 des Mehr-Wege-Ventils 90 geführt.
Dadurch dass das Mehr-Wege-Ventil 90 in die zweite Offenstellung gefahren ist, erfolgt an dem Mehr-Wege-Ventil 90 im Wesentlichen keine Expansion des Kältemittels 55, sodass in der fünften Fluidleitung 180 die zweite Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55 im Wesentlichen auch der zweiten Verdampfungstemperatur stromabwärtsseitig des Mehr-Wege-Ventils 90 des Kältemittels 55 entspricht (vgl. 12, Zustand E). Das stark abgekühlte Kältemittel 55 wird über die vierte Eingangsseite 195 in die Sekundärseite des Kühlkreislaufwärmetauschers 75 geführt. Im Kühlkreislaufwärmetauscher 75 nimmt das Kältemittel 55 die dritte Wärme Q̇̇₃ auf, die im Wesentlichen einer Summe der ersten Wärme Q̇₁ und der zweiten Wärme Q̇₂ entspricht. Dadurch dass das Kältemittel 55 in dem Zustand E stark bei geringem Druck abgekühlt ist, ist das Kältemittel 55 besonders aufnahmefähig für die dritte Wärme Q̇₃. Dabei kann die Steuereinrichtung 30 das Expansionsventil 85 in der ersten Zwischenstellung im Wesentlichen derart steuern, dass die erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels 55 um den vordefinierten Wert, insbesondere um 2°C bis 5°C größer der Umgebungstemperatur T_Umg ist. Dadurch ist zuverlässig sichergestellt, dass am Umgebungswärmetauscher 80 zuverlässig die zweite Wärme Q̇̇₂ zum Enteisen des Umgebungswärmetauschers 80 abgegeben werden kann. Ferner ist dadurch ein Kondensieren und Unterkühlen im Umgebungswärmetauscher 80 sichergestellt.
Der Kühlkreislaufwärmetauscher 75 verdampft das Kältemittel 55 vollständig und das verdampfte Kältemittel 55 wird über die vierte Ausgangsseite 200 in die achte Fluidleitung 215 und von der achten Fluidleitung 215 über die zweite Zusammenführung 140, die zehnte Fluidleitung 225, die erste Zusammenführung 145, die zwölfte Fluidleitung 235, den Druckspeicher 95 und die dreizehnte Fluidleitung 240 im Kreislauf zurück zu der Verdichtereingangsseite 105 geführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/195898 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Thermomanagementsystems (10) eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (1), - wobei ein Kältemittel (55) eines Wärmepumpenkreislaufs (15) des Thermomanagementsystems (10) seriell durch einen Umgebungswärmetauscher (80) des Wärmepumpenkreislaufs (15), einen Kühlkreislaufwärmetauscher (75) des Wärmepumpenkreislaufs (15) und einen ersten Innenraumwärmetauscher (65) geführt wird, - wobei das Kältemittel (55) im ersten Innenraumwärmetauscher (65) unter Abgabe einer ersten Wärme (Q̇₁) zum Beheizen eines Fahrgastraums (7) des Kraftfahrzeugs (1) abgekühlt wird, - wobei das Kältemittel (55) im Umgebungswärmetauscher (80) unter Abgabe einer zweiten Wärme (Q̇₂) abgekühlt wird, um den Umgebungswärmetauschers (80) zu enteisen, - wobei im Kühlkreislaufwärmetauscher (75) das Kältemittel (55) unter Aufnahme einer dritten Wärme (Q̇₃) verdampft wird und ein Kühlmittel (8) eines Kühlkreislaufs (6) eines Antriebsstrangs (2) des Kraftfahrzeugs (1) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, - wobei das Kältemittel (55) stromabwärtsseitig des ersten Innenraumwärmetauschers (65) ein verstellbares Expansionsventil (85) durchströmt, - wobei das Expansionsventil (85) zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verstellbar ist, - wobei das Expansionsventil (85) in die in die erste Offenstellung gefahren wird und das Kältemittel (55) im Wesentlichen mit gleichen Verdampfungsdruck stromaufwärtsseitig und stromabwärtsseitig des Expansionsventils (85) strömt.
Verfahren nach Anspruch 2, - wobei eine Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels (8) ermittelt wird, - wobei zwischen dem Umgebungswärmetauscher (80) und dem Kühlkreislaufwärmetauscher (75) das Kältemittel (55) ein weiteres verstellbares Expansionsventil, insbesondere ein Mehr-Wege-Ventil (90), durchströmt und an dem weiteren Expansionsventil (85) expandiert, - wobei eine zweite Zwischenstellung des weiteren Expansionsventils (90) derart gesteuert wird, dass eine dritte Verdampfungstemperatur des Kältemittels (55) im Kühlkreislaufwärmetauscher (75) kleiner einer Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels (8) ist, um die dritte Wärme (Q̇₃) am Kühlkreislaufwärmetauscher (80) aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, - wobei eine Umgebungstemperatur (T_Umg) des Kraftfahrzeugs (1) ermittelt wird, - wobei das Kältemittel (55) stromabwärtsseitig des ersten Innenraumwärmetauschers (65) an einem dem Umgebungswärmetauscher (80) vorgeschaltetem Expansionsventil (85) expandiert wird, - wobei eine erste Zwischenstellung zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung des Expansionsventils (85) derart gesteuert wird, dass eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels (55) im Umgebungswärmetauscher (80) größer der Umgebungstemperatur (T_Umg) ist, um die zweite Wärme (Q₂) zum Enteisen am Umgebungswärmetauscher (80) vom Kältemittel (55) abzuführen.
Verfahren nach Anspruch 4, - wobei zwischen dem Umgebungswärmetauscher (80) und dem Kühlkreislaufwärmetauscher (75) das Kältemittel (55) ein weiteres verstellbares Expansionsventil, insbesondere ein Mehr-Wege-Ventil (90), durchströmt, - wobei das weitere verstellbare Expansionsventil (85) in die zweite Offenstellung gefahren ist und das Kältemittel (55) im Wesentlichen mit gleichen Verdampfungsdruck stromaufwärtsseitig und stromabwärtsseitig des weiteren Expansionsventils (85) strömt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, - wobei das Kältemittel (55) in flüssigem Phasenzustand oder als Nassdampf durch den Umgebungswärmetauscher (80) geführt wird, - wobei im Kühlkreislaufwärmetauscher (75) das Kältemittel (55) im Wesentlichen vollständig verdampft wird.
Steuergerät (20) für ein Thermomanagementsystem, - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Thermomanagementsystem (10) für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (1), - aufweisend einen mit einem Kältemittel (55) füllbarem Wärmepumpenkreislauf (15) mit einem Umgebungswärmetauscher (80), einen ersten Innenraumwärmetauscher (65), einem Kühlkreiswärmetauscher (75), einem steuerbarem Expansionsventil (85), einem Verdichter (60), einem weiteren Expansionsventil (90), insbesondere einem Mehr-Wege-Ventil (90), und ein Steuergerät (20), - wobei ausgangsseitig der Verdichter (60) mit einer ersten Eingangsseite (130) des ersten Innenraumwärmetauschers (65) fluidisch verbunden und ausgebildet ist, das Kältemittel (55) im Wärmepumpenkreislauf (15) zu fördern, - wobei stromabwärtsseitig einer ersten Ausgangsseite (135) des ersten Innenraumwärmetauschers (65) der Umgebungswärmetauscher (80) und stromabwärtsseitig des Umgebungswärmetauschers (80) Kühlmittelwärmetauscher angeordnet sind, - wobei das steuerbares Expansionsventil (85) und das steuerbares weiteres Expansionsventil (90) mit dem Steuergerät (20) datentechnisch verbunden sind, - wobei das steuerbare Expansionsventil (85) fluidisch zwischen der ersten Ausgangsseite (135) des ersten Innenraumwärmetauscher (65) und dem Umgebungswärmetauscher (80) angeordnet ist, - wobei das steuerbare weitere Expansionsventil (90) fluidisch zwischen dem Verdichter (60) und dem Kühlkreislaufwärmetauscher (75) angeordnet ist, - wobei das Kältemittel (55) ausgebildet ist, seriell den Umgebungswärmetauscher (80) und den Kühlmittelwärme zu durchströmen.
Thermomanagementsystem (10) nach Anspruch 8, - aufweisend einen Drucksensor (255) - wobei der Drucksensor (255) zwischen dem Umgebungswärmetauscher (80) und dem ersten Innenraumwärmetauscher (65) angeordnet ist und datentechnisch mit dem Steuergerät (20) verbunden ist, - wobei der Drucksensor (255) ausgebildet ist, einen Druck des Kältemittels (55) zu messen und eine Information über den Druck dem Steuergerät (20) bereitzustellen, - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, eine Information über eine Kühlmitteltemperatur und den Druck zu erfassen, - wobei auf Grundlage des Drucks das Steuergerät (20) ausgebildet ist, eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels (55) eingangsseitig des Umgebungswärmetauschers (80) zu ermitteln, - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, das weitere Expansionsventil (90) zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung in wenigstens eine zweite Zwischenstellung derart zu steuern, dass eine dritte Verdampfungstemperatur des Kältemittels (55) im Kühlkreislaufwärmetauscher (75) kleiner der Kühlmitteltemperatur ist, - wobei das Expansionsventil (85) zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung verstellbar ist, - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, das Expansionsventil (85) in die erste Offenstellung zu steuern.
Thermomanagementsystem (10) nach Anspruch 8, - aufweisend einen datentechnisch mit dem Steuergerät (20) verbunden Drucksensor (255), - wobei der Drucksensor (255) ausgebildet ist, einen Druck des Kältemittels (55) zwischen dem Umgebungswärmetauscher (80) und dem ersten Innenraumwärmetauscher (65) zu messen und eine Information dem Steuergerät (20) bereitzustellen, - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, eine Information über eine Umgebungstemperatur (T_Umg) und den Druck zu erfassen, - wobei auf Grundlage des Drucks des Kältemittels (55) das Steuergerät (20) ausgebildet ist, eine erste Verdampfungstemperatur des Kältemittels (55) eingangsseitig des Umgebungswärmetauschers (80) zu ermitteln, - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, das Expansionsventil (85) zwischen einer ersten Offenstellung und einer ersten Schließstellung in wenigstens eine erste Zwischenstellung auf Grundlage der ersten Verdampfungstemperatur und der Umgebungstemperatur (T_Umg) zu steuern, - wobei das weitere Expansionsventil (85) zwischen einer zweiten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung verstellbar ist - wobei das Steuergerät (20) ausgebildet ist, das weitere Expansionsventil (85) in die zweite Offenstellung zu steuern.