DE102022117374A1

DE102022117374A1 - Verfahren zur Regelung eines Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge und Thermomanagementsystem hierfür

Info

Publication number: DE102022117374A1
Application number: DE102022117374.7A
Authority: DE
Inventors: Julian Niedermayer; Patrick Horn; Shivakumar Banakar; Dennis Wleklik; Ariel Marasigan
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2024-01-18
Also published as: WO2024014333A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Regelung eines Thermomanagementsystems sowie ein Thermomanagementsystem hierfür angegeben, das den Einsatz eines luftseitigen elektrischen Heizgerätes im HVAC-Kanal (64) unnötig macht, da für die Kabinenheizung im Bedarfsfall das elektrische Kühlmittelheizgerät (220) im Batteriekühlmittelkreislauf (200) genutzt wird. Um die Effizienz weiter zu steigern, wird das elektrische Kühlmittelheizgerät (220) nur dann aktiviert, wenn vorbestimmte Betriebsparameter des Thermomanagementsystems erfüllt sind, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus festgelegt werden. Für die Kabinenheizung wird Wärme aus dem Kühlmittelheizgerät (220) und dem Verdichter (10), Umgebungswärme über den Außenwärmeübertrager (40) und Abwärme (230) aus dem Fahrzeug genutzt. Im Heizmodus ist es vorteilhaft, das elektrische Kühlmittelheizgerät (220) erst dann zu aktivieren, wenn der Verdichter (10) eine Maximaldrehzahl erreicht hat. Diese Maximaldrehzahl des Verdichters wird durch Erreichen des minimalen Saugdrucks am Verdichtereinlass (11), die Drehzahlgrenze zum Komponentenschutz des Verdichters (10) und/oder das Geräusch/Vibrations-Verhalten des Verdichters (10) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Thermomanagementsystems nach Anspruch 1 sowie ein Thermomanagementsystem zur Durchführung dieses Verfahrens Anspruch 17.
Heutige Elektrofahrzeuge weisen eine begrenzte Reichweite auf, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, bei denen eine beträchtliche Menge der elektrischen Energie für die Fahrzeugkabinenheizung genutzt wird. Um den Einsatz elektrischer Energie für die Fahrzeugkabinenheizung zu reduzieren, werden inzwischen Wärmepumpen eingesetzt.
Die Anmelderin bietet hocheffiziente Wärmemanagementsysteme an. Es gibt verschiedene Systemkonzepte für Niederdruck- oder Hochdruckkältespeicher (Speicher- oder Sammlersystem). Daneben sind unterschiedliche Anordnungen von Wärmetauschern möglich. Ein Beispiel dieser bekannten Thermomanagementsysteme für Elektrofahrzeuge mit einer Wärmepumpenanordnung 1 ist in 10 dargestellt. Die Wärmepumpenanordnung 1 verbindet über einen Kältemittelkreislauf einen Verdichter 10 mit einem Verdichtereinlass 11 und einem Verdichterauslass 12, einen Kabinenkondensator 20 zum Heizen der Luft in einer Fahrzeugkabine mit einem Kondensatoreinlass 21 und einem Kondensatorauslass 22, einen Außenwärmeübertrager 40 zur Wärmeaufnahme aus oder zur Wärmeabgabe an die Umgebung mit einem Außenwärmeübertragereinlass 41 und einem Außenwärmeübertragerauslass 42, einem Chiller oder externen Verdampfer 80 mit einem Chillereinlass 81 und einem Chillerauslass 82, wobei der Chillereinlass 81 mit einem Chiller-Expansionsventil 70 verbunden ist, einem Kabinenverdampfer 60 mit einem Kabinenverdampfereinlass 61 und einem Kabinenverdampferauslass 62, wobei dem Kabinenverdampfereinlass 61 ein Kabinenverdampfer-Expansionsventil 50 vorgeschaltet ist. Luftseitig ist mit dem Kabinenkondensator 20 eine Luftmischklappe 2 zur Temperaturregelung vorgesehen. Optional kann ein innerer Wärmeübertrager zum Wärmeübertrag zwischen dem Kältemittel vor dem Eintritt in das Kabinenverdampfer-Expansionsventil 50 und dem Kältemittel nach dem Kabinenverdampferauslass 62 angeordnet werden. Zwischen dem Außenwärmeübertragerauslass 42 und dem Verdichtereinlass 11 ist eine Bypassleitung 100 vorgesehen, die über ein Absperrventil 90 absperrbar ist. Diese Bypassleitung 100 für Kältemittel wird im Heizungs- oder Wärmepumpenmodus benötigt.
Der Kabinenkondensator 20 mit Luftmischklappe 2 und der Kabinenverdampfer 60 sind in einem HVAC-Kanal 64 mit einem Kanallufteinlass 64-1 und einem Kanalluftauslass 64-2 angeordnet. Um die Fahrzeugkabine auch bei sehr niedrigen Temperaturen ausreichend heizen zu können ist in dem HVAC-Kanal 64 ein elektrisches Kabinenheizgerät 300 vorgesehen.
Das Thermomanagementsystem bzw. Wärmepumpenanordnung 1 umfasst weiter eine Batterie 210 und ein elektrisches Kühlmittelheizgerät 220, eine Abwärmeaufnahmeeinrichtung 230 und eine Kühlmittelpumpe 240. Das elektrische Kühlmittelheizgerät 220, die Kühlmittelpumpe 240, der Chiller 80, die Abwärmeaufnahmeinrichtung 230 und die Batterie 210 sind in einen Batteriekühlmittelkreislauf 200 seriell miteinander verbunden. Über den Batteriekühlmittelkreislauf 200 wird Verdampfungswärme dem Chiller 80 zugeführt.
Zwischen dem Außenwärmeübertragerauslass 42 und dem Chiller-Expansionsventil 70 einerseits und dem Außenwärmeübertragereinlass 41 und dem Kondensatorauslass 22 andererseits ist eine Ventileinheit 110 angeordnet. Die Ventileinheit umfasst einen ersten und einen zweiten Kältemitteleinlass 111, 113, sowie einen ersten und einen zweiten Kältemittelauslass 112, 114. Optional kann ein hochdruckseitiger Kältemittelspeicher in der Ventileinheit 110 vorgesehen sein. Je nach Betriebsmodus sperrt, leitet oder drosselt die Ventileinheit 110 die Kältemittelströme zwischen den Kältemitteleinlässen 111, 113 und den Kältemittelauslässen 112, 114. Mittels einer Steuerung 400 lässt sich die Wärmepumpenanordnung 1 bzw. das Thermomanagementsystem in verschiedenen Betriebsmodi, wie Heiz-, Kühl- oder Entfeuchtungsmodus betreiben.
In einem Wärmepumpen- oder Heizmodus wird im Kabinenkondensator 20 kondensiertes Kältemittel über den ersten Kältemitteleinlass 111 der Ventileinheit 110 zugeführt. Flüssiges Kältemittel wird dann über den zweiten Kältemittelauslass 114 dem Chiller-Expansionsventil 70 zugeführt und das Expansionsventil 70 erzeugt eine kontrollierte Expansion. Das expandierte Kältemittel wird im Chiller 80 durch Wärmeeintrag über den Kühlmittelkreislauf 200 verdampft und im Verdichter 10 verdichtet. Das verdichtete Kältemittelgas aus dem Verdichter 10 wird im Kabinenkondensator unter Wärmeabgabe an die Luft, welche der Fahrzeugkabine zugeführt wird kondensiert.
Ein Nachteil der Wärmepumpenanordnung nach 10 mit heute üblichen Kältemitteln, wie R134a oder R1234yf, besteht darin, dass sie bei sehr niedrigen Temperaturen, -20°C und niedriger, den Wärmebedarf für die Fahrzeugkabinenheizung nicht vollständig decken können. Dies ist auf den niedrigen Saugdruck des Verdichters 10 bei sehr niedrigen Temperaturen zurückzuführen. Sinkt der Saugdruck reduziert sich die Dichte des Kältemittels und damit der Kältemittelmassenstrom bei einer gegebenen maximalen volumetrischen Durchflussrate des Verdichters 10. Damit verringert sich der Kältemittelmassenstrom und folglich der Wärmestrom, welcher der Fahrzeugkabine über den Kabinenkondensator 20 zugeführt wird.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Heizwärme zu erhöhen, wie z. B. Gaseinspritzsysteme, Heißgas-Bypass-Heizsysteme oder elektrische Kabinenheizgeräte 300 - siehe 10. Die zuvor genannten Maßnahmen bedingen zusätzliche Kosten und zusätzlichen Bauraum, der nicht immer zur Verfügung steht. Durch die elektrischen Heizgeräte 300 und 220 sinkt die Reichweite eines Elektrofahrzeugs.
Aus der DE 10 2011 109 055 A1 und der US 11 104 205 B2 ist es bekannt, das elektrische Kühlmittelheizgerät vor dem Chiller anzuordnen, so dass die Wärme über den Kältemittelkreislauf an die Kabine übertragen werden kann. Weiter sind aus der US 11 104 205 B2 Regelstrategien für den Einsatz des elektrischen Kühlmittelheizgeräts zur Kabinenheizung in Elektrofahrzeugen bekannt. Hierbei wird die verfügbare Wärme des äu-ßeren Wärmetauschers vorab rechnerisch abgeschätzt. Reicht diese nicht aus, um die erforderliche Kabinenheizleistung zu erreichen und liegt die Kühlmitteltemperatur am Chillereinlass unter einem vorgegebenen Temperaturschwellwert, wird das elektrische Kühlmittelheizgerät eingeschaltet und die Wärme wird über den Chiller in den Kältemittelkreislauf eingekoppelt und über den Kabinenkondensator an die Fahrzeugkabine abgegeben. Es wird ein einzelner Heizbetrieb oder ein kombinierter Betrieb beschrieben, bei dem die Wärme von dem elektrischen Kühlmittelheizgerät und Umgebungswärme von dem Außenwärmeübertrager in den Kältemittelkreislauf eingekoppelt wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein effizienteres Verfahren zur Regelung eines Thermomanagementsystems für Elektrofahrahrzeuge in verschiedenen Betriebsmodi und ein Verfahren zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Thermomanagementsystem für Elektrofahrahrzeuge zur Durchführung dieser Verfahren anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren nach Anspruch 1, 12 bzw. 17.
Für die Kabinenheizung wird Wärme aus dem Kühlmittelheizgerät und dem Verdichter, Umgebungswärme und Abwärme aus dem Fahrzeug genutzt. Ein elektrisches Heizgerät im HVAC-Kanal erübrigt sich, da für die Kabinenheizung im Bedarfsfall das elektrische Kühlmittelheizgerät im Batteriekühlmittelkreislauf genutzt wird. Um die Effizienz weiter zu steigern, wird das elektrische Kühlmittelheizgerät nur dann aktiviert, wenn vorbestimmte Betriebsparameter des Thermomanagementsystems erfüllt sind, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus festgelegt werden.
Im Heizmodus ist es vorteilhaft, das elektrische Kühlmittelheizgerät erst dann zu aktivieren, wenn der Verdichter eine Maximaldrehzahl erreicht hat. Diese Maximaldrehzahl des Verdichters wird durch Erreichen des minimalen Saugdrucks am Verdichtereinlass, die Drehzahlgrenze zum Komponentenschutz des Verdichters und/oder das Geräusch/Vibrations-Verhalten des Verdichters bestimmt - Anspruch 2 und 17.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird im Heizmodus mittels einer Luftmischklappe der Luftstrom im Kanal nach dem Kabinenverdampfer durch den Kabinenkondensator oder an diesem vorbei aufgeteilt wird, wodurch der Druck am Verdichterauslass und damit die Wärmeabgabe des Verdichters an das Kältemittel beeinflusst wird.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes im Heizmodus mit wenigstens einem der folgenden Betriebsparameter der Wärmepumpenanordnung als Führungsgröße erfolgt - Anspruch 4 und 19:

Kältemitteldruck am Verdichterauslass,
Kältemittelüberhitzung am Chillerauslass,
Kältemittelüberhitzung am Verdichtereinlass,
Kältemittelüberhitzung am Außenwärmeübertragerauslass,
Luftemperatur am Kondensatorluftauslass und/oder
Lufttemperatur am Kanalluftauslass.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts begrenzt, falls die Kühlmitteltemperatur am Chillereinlass und damit der Saugdruck am Verdichtereinlass zu groß wären, um eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung über den Außenwärmetauscher zu ermöglichen. Auch hierdurch erfolgt eine Effizienzsteigerung bzw. es wird die Nutzung von elektrischer Energie aus der Batterie begrenzt.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 betrifft eine konkrete Regelstrategie für die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts bei der die Führungsgröße zur Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes der Kältemitteldruck am Verdichterauslass ist, und bei der die Führungsgröße für den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils die Kältemittelüberhitzung am Chillerauslass oder die Kältemittelüberhitzung am Verdichtereinlass ist.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 betrifft eine alternative Regelstrategie für die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts bei der die Führungsgröße zur Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes die Kältemittelüberhitzung am Chillerauslass oder die Kältemittelüberhitzung am Verdichtereinlass, und bei der die Führungsgröße für den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils der Kältemitteldruck am Verdichterauslass ist.
Durch die Regelstrategien nach Anspruch 6 oder 7 wird erreicht, dass die Kühlmitteltemperatur im Batteriekühlmittelkreislauf möglichst gering bleibt, so dass Wärmeverluste an die Umgebung klein bleiben.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes im Entfeuchtungsmodus mit wenigstens einem der folgenden Betriebsparameter der Wärmepumpenanordnung als Führungsgröße erfolgt - Anspruch 8: Kältemitteldruck am Verdichterauslass,

Luftemperatur am Kondensatorluftauslass,
Lufttemperatur am Kanalluftauslass,
Kältemittelüberhitzung am Chillerauslass,
Kältemittelüberhitzung am Verdichtereinlass, und/oder
Lufttemperatur am Verdampferluftauslass.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 erfolgt die Entfeuchtung ohne Wärmeabgabe über den Außenwärmeübertrager. Das elektrische Kühlmittelheizgerät wird zugeschaltet, wenn der Verdichter eine Maximaldrehzahl erreicht hat oder wenn die Kältemittelüberhitzung am Chillerauslass oder Verdichtereinlass einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet. Diese Maximaldrehzahl des Verdichters wird wie bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 durch Erreichen des minimalen Saugdrucks am Verdichtereinlass, die Drehzahlgrenze zum Komponentenschutz des Verdichters und/oder das Geräusch/Vibrations-Verhalten des Verdichters bestimmt. Der minimale Saugdruck am Verdichtereinlass wird durch das Dichtungskonzept der Wärmepumpenanordnung und den daraus folgenden maximalen Unterdruck im Kältemittelkreislauf im Vergleich zum Umgebungsdruck bestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 10 regelt der Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils die Lufttemperatur am Verdampferluftauslass. Dadurch wird ein Zwei-Lösungen-Regelungsproblem der Verdichterdrehzahl bei Regelung der Lufttemperatur am Verdampferluftauslass über die Verdichterdrehzahl vermieden.
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 11 erfolgt die Entfeuchtung mit Wärmeabgabe über den Außenwärmeübertrager. Das elektrische Kühlmittelheizgerät wird zugeschaltet, wenn das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil einen vorbestimmten Minimalöffnungswert erreicht. Dieser Minimalöffnungswert stellt einen minimal nötigen Differenzdruck an dem oder den Expansionsventil(en) sicher.
Im Entfeuchtungsmodus ist es möglich, die notwendige Kühlmitteltemperatur am Chillereinlass mit Kenntnis des Wärmeübertragerverhaltens zu berechnen, da das Saugdruckniveau durch die Kabinenverdampfer-Zieltemperatur definiert ist.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 12 wird durch die Regelung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes auch ein Vereisen des Kabinenverdampfers verhindert. Durch das elektrische Kühlmittelheizgerät wird die Kühlmitteltemperatur am Chiller-Kühlmitteleinlass und damit der Saugdruck am Verdichtereinlass erhöht. Dies hat zur Folge, dass die Verdampfungstemperatur im Kabinenverdampfer ansteigt und ein Vereisen verhindert wird.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 13 wird das elektrische Kühlmittelheizgerät beim Umschalten von einem Betriebsmodus auf den anderen auch genutzt, um die Lufttemperatur am Kanalluftauslass auf dem gewünschten Wert zu halten. Da kein luftseitiges elektrisches Kabinenheizgerät vorhanden ist, muss der Verdichter kontinuierlich auch während des Umschaltens zwischen den Betriebsmodi betrieben werden. Durch das elektrische Kühlmittelheizgerät wird die Aufnahme von Wärme in den Kältemittelkreislauf am Chiller die notwendige Heizleistung in der Kabine und die notwendige Überhitzung des Kältemittels am Verdichtereinlass sichergestellt. Im nächsten Schritt ermöglicht eine vorbestimmte Öffnung des Bypass-Absperrventils ein kontrolliertes Verschieben des im Außenwärmeübertrager eingelagerten flüssigen Kältemittels bei sichergestellter Kältemittelüberhitzung vor dem Verdichter.
Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 14 betrifft eine konkrete Ausgestaltung der Umschaltung zwischen den Betriebsmodi, wodurch der Außenwärmeübertrager als Verdampfer genutzt werden kann.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 15 wird die notwendige Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes rechnerisch abgeschätzt und dieser rechnerisch ermittelte Wert als initialer Zielwert zur Regelung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts (220) verwendet. Wenn die gewünschte Heizleistung nicht erreicht wird, die Wärmeaufnahme durch den Chiller ist zu niedrig, oder falls die Maximaldrehzahl des Verdichters nicht erreicht ist, die Wärmeaufnahme durch den Chiller ist zu hoch, wird der initiale Zielwert in einer zweiten Regelschleife angepasst.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 16 und 20 ist es möglich die große thermische Masse der Batterie abzukoppeln, so dass die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts nahezu vollständig für die Kabinenheizung zur Verfügung steht.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

1 eine erste Ausführungsform mit dem Aufbau der Wärmepumpenanordnung, die wesentlicher Teil eines Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge ist im Heizmodus, wobei der Chiller, der Verdichter und das elektrisches Kühlmittelheizgerät als Wärmequelle zur Heizung der Kabine herangezogen werden;
2 zeigt die aktiven Komponenten im Heizmodus nach 1 im p-h-Diagramm;
3 zeigt eine zu 1 analoge Darstellung einer zweiten Ausführungsform im Heizmodus, wobei der Chiller, der Außenwärmeübertrager, der Verdichter und das elektrisches Kühlmittelheizgerät als Wärmequelle zur Heizung der Kabine herangezogen werden;
4 zeigt die aktiven Komponenten im Heizmodus nach 3 im p-h-Diagramm;
5 zeigt in Kombination mit 1 eine dritte Ausführungsform der Erfindung und zwar einen Entfeuchtungsmodus ohne Wärmeabgabe an die Umgebung;
6 zeigt eine zu 1 analoge Darstellung einer vierten Ausführungsform im Entfeuchtungsmodus mit Wärmeabgabe an die Umgebung über den Außenwärmeübertrager, wobei der Chiller, der Kabinenverdamfper, der Verdichter und das elektrisches Kühlmittelheizgerät als Wärmequelle zur Heizung der Kabine herangezogen werden;
7 zeigt in Kombination mit 6 die aktiven Komponenten der vierten Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt schematisch das Umschalten Serien-Entfeuchtung zu Parallel-Entfeuchtung über Zwischenmodi;
9 zeigt die Abkopplung der großen thermischen Masse der Batterie durch den Kühlmittel-Bypass; und
10 den Aufbau eines Thermomanagementsystems nach dem Stand der Technik.

1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. 1 zeigt den Aufbau der Wärmepumpenanordnung 1, die wesentlicher Teil eines Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge ist im Heizmodus, wobei der Chiller 80, der Verdichter 10 und das elektrisches Kühlmittelheizgerät 220 als Wärmequelle zur Heizung der Kabine herangezogen werden. Das Thermomanagementsystem nach 1 unterscheidet sich von dem Thermomanagementsystem nach 10 lediglich durch das Fehlen der elektrischen Kabinenheizung 300 und durch die spezielle Ausgestaltung der Steuerung 400, die den Betrieb in der ersten und/oder zweiten Anlaufphase und in der Heizphase ermöglicht. Zusätzlich sind in dem HVAC-Kanal 64 noch ein Kondensatorlufteinlass 20-1, ein Kondensatorluftauslass 20-2, ein Verdampferlufteinlass 60-1 und ein Verdampferluftauslass 60-2 gezeigt. Der Kanallufteinlass 61-1 entspricht dabei dem Verdampferlufteinlass 60-1, während sich der Kanalluftauslass 64-2 aufgrund der Luftmischklappe 2 von dem Kondensatorluftauslass 20-2 unterscheidet. Die Ventileinheit 110 verbindet den ersten Kältemittelinlass 111 mit dem zweiten Kältemitteleinlass 114. Das Kabinenverdampfer-Expansionsventil 50 ist geschlossen, so dass das Kältemittel aus dem Kabinenkondensator 20 über das Chiller-Expansionsventil 70 dem Chiller 80 zugeführt wird.
2 zeigt die aktiven Komponenten im Heizmodus nach 1 im p-h-Diagramm. Das elektrische Kühlmittelheizgerät 220 wird erst aktiviert, wenn der Verdichter 10 mit seiner Maximaldrehzahl betrieben, d.h. maximale Wärmeabgabe, wird und dennoch die im Chiller 80 aufgenommene Wärme und die Abwärme des Verdichters nicht für die gewünschte Wärmeabgabe durch den Kabinenkondensator 20 ausreichen. Die Führungsgröße zur Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes 220 ist der Kältemitteldruck pD am Verdichterauslass 12, und die Führungsgröße für den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils 70 ist die Kältemittelüberhitzung SH_Cho am Chillerauslass 82 oder die Kältemittelüberhitzung SH_CPi am Verdichtereinlass 11. Alternativ ist die Führungsgröße die Kältemittelüberhitzung SH_Cho am Chillerauslass 82 oder die Kältemittelüberhitzung SH_CPi am Verdichtereinlass 11, und die Führungsgröße für den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils 70 ist der Kältemitteldruck pD am Verdichterauslass 12. Durch die verschiedenen Regelstrategien wird erreicht, dass die Kühlmitteltemperatur im Batteriekühlmittelkreislauf 200 möglichst gering bleibt, so dass Wärmeverluste an die Umgebung klein bleiben.
3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zum Chiller über den als Verdampfer arbeitenden Außenwärmeübertrager 40 Umgebungswärme zur Kabinenheizung herangezogen wird. Damit steht zusätzlich die Kältemittelüberhitzung SH_OHXo am Außenwärmeübertragerauslass 42 als Führungsgröße für die beiden Regelstrategien zur Verfügung.
Die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts 220 wird begrenzt, falls die Kühlmitteltemperatur T_CHi am Chillereinlass 81 und damit der Saugdruck am Verdichtereinlass 11 zu groß wären, um eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung über den Außenwärmetauscher 40 zu ermöglichen. Auch hierdurch erfolgt eine Effizienzsteigerung bzw. es wird die Nutzung von elektrischer Energie aus der Batterie begrenzt.
5 zeigt in Kombination mit 1 eine dritte Ausführungsform der Erfindung und zwar einen Entfeuchtungsmodus ohne Wärmeabgabe an die Umgebung. Der Verdichter 10 wir mit Maximaldrehzahl betrieben. Über den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils 70 wird die Luftemperatur T_aEo am Verdampferluftauslass 60-2 geregelt. Über den Öffnungsgrad des Kabinenverdampfer-Expansionsventils 50 wird die Kältemittelüberhitzung SH_Eo am Verdampferauslass 62 geregelt. Das elektrischen Kühlmittelheizgerät 220 wird aktiviert, wenn der Verdichter 10 seine Maximaldrehzahl erreicht hat oder wenn die Kältemittelüberhitzung (SH_Cho, SH_CPi) am Chillerauslass (62) oder Verdichtereinlass (11) einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet. Die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts 220 wird über den Kühlmitteldruck pD am Verdichterauslass 12 geregelt.
6 und 7 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung und zwar einen Entfeuchtungsmodus mit Wärmeabgabe an die Umgebung. Über die die Luftemperatur T_aEo am Verdampferluftauslass 60-2 wird die Drehzahl des Verdichters 10 geregelt. Über das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil 30 wird die Verteilung der Wärmeabgabe zwischen Kabinenkondensator 20 und dem als Kondensator arbeitenden Au-ßenwärmeübertrager 40 geregelt. Über den Öffnungsgrad des Kabinenverdampfer-Expansionsventils 50 wird die Kältemittelüberhitzung SH_Eo am Verdampferauslass 62 und über den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils 70 wird die Kältemittelüberhitzung SH_CHo am Chillerauslass 82 geregelt. Das elektrische Kühlmittelheizgerät 220 wird zugeschaltet, wenn die gewünschte Heizleistung für die Kabine nicht ausreicht und wenn das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil 30 einen vorbestimmten Minimalöffnungswert erreicht.
In den Heizmodi nach den 1 bis 4 ohne und mit Wärmeaufnahme über den Au-ßenwärmeübertrager 40 und im Entfeuchtungsmodus nach 5 und 1, Entfeuchtung ohne Wärmeabgabe über den Außenwärmeübertrager 40 wird der Kompressor 10 mit der Maximaldrehzahl betrieben. Wenn die gewünschte Heizleistung für die Kabine nicht erreicht wird, wird das elektrische Kühlmittelheizgerät zugeschaltet.
In den Entfeuchtungsmodi - 5 und 7 - kann die notwendige Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts rechnerisch auf der Basis folgender Energiebilanz abgeschätzt werden: $\begin{array}{l} Heizleistung des elektrischen K \ddot{u} hlmittelheizger \ddot{a} tz 220 = \\ gew \ddot{u} nschte Heizleistung f \ddot{u} r die Kabine - Heizleistung des Außenw \ddot{a} rme \ddot{u} bertagers 40 \end{array}$
$\begin{array}{l} (entf \ddot{a} llt in Figur 6) - Abw \ddot{a} rmeleistung des Verdichters 10 - latenter Anteil der Kabinen - \\ verdampferleistung + W \ddot{a} rmeverlustleistung an die Umgebung \end{array}$
Die Abwärme des Verdichters 10 kann zusätzlich dadurch gesteigert werden, dass im Heizmodus mittels der Luftmischklappe 2 der Luftstrom im HVAC-Kanal 64 aus dem Verdampferluftauslass 60-2 durch den Kabinenkondensator 20 oder an diesem vorbei aufgeteilt wird, wodurch der Druck pD am Verdichterauslass 12 und damit die Wärmeabgabe des Verdichters 10 an das Kältemittel beeinflusst wird. Damit kann die Abwärme des Verdichters 10 bei konstanter Drehzahl erhöht werden, so dass Einsatznotwendigkeit des elektrischen Kühlmittelheizgeräts 220 verringert wird.
8 zeigt schematisch das Umschalten von einer seriellen Entfeuchtung, bei dem der Außenwärmeübertrager 40 als Kondensator genutzt wird, auf eine parallele Entfeuchtung, bei dem der Außenwärmeübertrager 40 als Verdampfer genutzt wird, über Übergangs-Modi. Ohne luftseitiges elektrisches Heizelement 300 für die Fahrzeugkabine ist es erforderlich, den Verdichter 10 dauernd in Betrieb zu halten. Die Schaltlogik muss den Kabinenkomfort aufrechterhalten (Heizleistung, Entfeuchtung, geringe Lufttemperaturschwankungen) und eine Beschädigung des Verdichters 10 aufgrund von Verschieben von im Außenwärmeübertrage eingelagertem flüssigen Kältemittel verhindern. Das kann vor allem beim Umschalten von einem Modus, bei dem der Außenwärmeübertrager 40 als Kondensator verwendet wird und eine große Menge an flüssigem Kältemittel darin gespeichert ist, zu einem Modus, bei dem der Außenwärmeübertrager 40 als Verdampfer verwendet wird, auftreten. Um eine Beschädigung des Verdichters 10 aufgrund von einem Flüssigkeitschwall zu vermeiden, wird das Kältemittel durch die Steuerung des Öffnungsgrades des Bypass-Absperrventils 90 in der Bypass-Leitung 100 langsam zurückgewonnen. Danach kann der Außenwärmeübertrager als Verdampfer genutzt werden. Um festzustellen, ob der größte Teil des Kältemittels zurückgewonnen und das Rückflussrisiko von flüssigem Kältemittel verringert wurde, kann die Kältemittelüberhitzung am Außenwärmeübertragerauslass 42 als Kriterium herangezogen werden. Hat sich die Kältemittelüberhitzung am Außenwärmeübertragerauslass 42 stabilisiert, ist davon auszugehen, dass das meiste flüssige Kältemittel aus dem Außenwärmeübertrager 40 in den aktiven Teil des Kältekreises verschoben wurde. Das Bypass-Ventil 90 kann ein Expansionsgerät oder ein Ventil mit einer Zwischenstufe und kleiner Öffnung sein.
Um die Heizleistung der Kabine während des Umschaltens zu gewährleisten, wird das elektrische Kühlmittelheizgerät 220 im Kühlmittelkreislauf 200 aktiviert und die abgegeben Wärme wird über den Chiller 80 in den Kältemittelkreislauf eingekoppelt und über den Kabinenkondensator 20 an die Kabine abgegeben.
Zunächst wird das Chiller-Expansionsventil 70, falls geschlossen, geöffnet und das elektrische Kühlmittelheizgerät 220 aktiviert oder umgekehrt - erster Übergangsmodus. Danach wird das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil 30 geschlossen und das Bypass-Absperrventil 90 wird bis zu einem bestimmten Öffnungsgrad kleiner als der maximale Öffnungsgrad geöffnet -zweiter Übergangsmodus. Nach einer bestimmten Dauer oder dem Erreichen einer stabilen Überhitzung am Verdichtereinlass 11 wird das Au-ßenwärmeübertrager-Expansionsventil 30 geöffnet, das Bypass-Absperrventil 90 wird vollständig geöffnet. Schließlich wird im Zielmodus das Chiller-Expansionsventil 70 geschlossen und der Außenwärmeübertrager 40 wir im Zielmodus als Verdampfer genutzt.
Das elektrischen Kühlmittelheizgerät 220 wird während der beschriebenen Entfeuchtungsmodi nach 5 und 7 auch genutzt, um ein Vereisen des Kabinenverdampfers 60 zu verhindern. Durch die Wärme aus dem elektrischen Kühlmittelheizgerät 220 wird die Kühlmitteltemperatur TcCHi am Chiller-Kühlmitteleinlass 80-1 und damit der Saugdruck am Verdichtereinlass 11 erhöht. Dies hat zur Folge, dass die Verdampfungstemperatur im Kabinenverdampfer 60 ansteigt und ein Vereisen verhindert wird.
9 zeigt den Batteriemittelkreislauf 200 mit einem Kühlmittel-Bypass 250 und einer Ventileinrichtung 260 in Form eines 3-Wege-Ventils zwischen dem Chiller-Kühlmittelauslass 80-2 und einem Punkt im Batteriekühlmittelkreislauf 200 zwischen dem elektrischen Kühlmittelheizgerät 220 und der Batterie 210. Durch Regelung des 3-Wege-Ventils 90 kann die große thermischen Masse der Batterie 210 durch den Kühlmittel-Bypass 250 aus dem Batteriekühlmittelkreislauf 200 mehr oder weniger abgekoppelt werden. Wenn beim Starten des Elektrofahrzeugs bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine sehr hohe Heizleistung für die Kabine benötigt wird, kann Wärme des elektrischen Kühlmittelheizgeräts 220 mehr oder minder vollständig für die Kabinenheizung genutzt werden; ein unnötiges Aufheizen der großen thermischen Masse der Batterie wird vermieden. Dadurch wird die gewünschte Temperatur in der Kabine schneller erreicht.
Bei den in den Schaltbildern nach 1, 3, und 6 ist ein Kältemittelsammler auf der Hochdruckseite der Wärmepumpenanordnung 1 als Teil der Ventileinheit vorgesehen. Alternativ kann der Kältemittelsammler auch auf der Niederdruckseite der Wärmepumpenanordnung 1 unmittelbar vor dem Verdichter 10 angeordnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmepumpenanordnung
2: Luftmischklappe
10: Verdichter
11: Verdichtereinlass
12: Verdichterauslass
20: Kabinenkondensator
20-1: Kondensatorlufteinlass
20-2: Kondensatorluftauslass
21: kältemittelseitiger Kondensatoreinlass
22: kältemittelseitiger Kondensatorauslass
30: Außenwärmübertrager-Expansionsventil
40: Außenwärmeübertrager
41: kältemittelseitiger Außenwärmeübertragereinlass
42: kältemittelseitiger Außenwärmeübertragerauslass
50: Kabinenverdampfer-Expansionsventil
60: Kabinenverdampfer
60-1: Verdampferlufteinlass
60-2: Verdampferluftauslass
61: kältemittelseitiger Verdampfereinlass
62: kältemittelseitiger Verdampferauslass
64: HVAC-Kanal
64-1: Kanallufteinlass
64-2: Kanalluftauslass
70: Chiller-Expansionsventil
80: Chiller
80-1: Chiller-Kühlmitteleinlass
80-2: Chiller-Kühlmittelauslass
81: kältemittelseitiger Chillereinlass
82: kältemittelseitiger Chillerauslass
90: Bypass-Absperrventil
100: Bypass-Leitung für Kältemittel zwischen Außenwärmeübertragerauslass und Verdichtereinlass
110: Ventileinheit
111: erster Kätemitteleinlass von 110
112: erster Kältemittelauslass von 110
113: zweiter Kältemitteleinlass von 110
114: zweiter Kältemittelauslass von 110
200: Batteriekühlmittelkreislauf
210: Hochvoltspeicher / Batterie
220: Elektrisches Kühlmittelheizgerät
230: Abwärmeaufnahmeeinrichtung
240: Kühlmittelpumpe
250: Kühlmittel-Bypass
260: Ventileinrichtung in 250
300: Elektrisches Heizelement für die Fahrzeugkabine
400: Steuerung
pD: Kältemitteldruck am Verdichterauslass 12
ps: Saugdruck am Verdichtereinlass 11
SHCho: Kältemittelüberhitzung am Chillerauslass 82
SHCPi: Kältemittelüberhitzung am Verdichtereinlass 11
TalCo: Luftemperatur am Kondensatorluftauslass 20-2
Tvent: Lufttemperatur am Kanalluftauslass 64-2.
TChi: Kühlmitteltemperatur am Chillereinlass 80-1
TaEo: Lufttemperatur am Verdampferluftauslauss 60-2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011109055 A1 [0010]
US 11104205 B2 [0010]

Claims

Verfahren zur Regelung eines Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge in verschieden Betriebsmodi, die Heizung, Kühlung und Entfeuchtung der Kabinenluft umfassen, wobei das Thermomanagementsystem eine Batterie (210), ein elektrisches Kühlmittelheizgerät (220), eine Wärmepumpenanordnung (1) und eine Steuerung (400) umfasst, die Wärmepumpenanordnung (1) umfassend - einen Verdichter (10) mit Verdichtereinlass (11) und Verdichterauslass (12), - einen Kabinenkondensator (20) mit einem kältemittelseitigen Kondensatoreinlass (21) und einem kältemittelseitigen Kondensatorauslass (22), - einen Außenwärmeübertrager-Expansionsventil (30), - einen Außenwärmeübertrager (40) mit kältemittelseitigem Außenwärmeübertragereinlass (41) und kältemittelseitigem Außenwärmeübertragerauslass (42), wobei das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil (30) mit dem Au-ßenwärmeübertragereinlass (41) verbunden ist, - ein Chiller-Expansionsventil (70) und einen Chiller (80) mit kältemittelseitigem Chillereinlass (81) und kältemittelseitigem Chillerauslass (82), wobei das Chiller-Expansionsventil (70) mit dem Chillereinlassverbunden ist, und - ein Verdampfer-Expansionsventil (50) und einen Kabinenverdampfer (60) mit einem Verdampfereinlass (61) und einem Verdampferauslass (62), wobei das Verdampfer-Expansionsvenitl (50) mit dem Verdampfereinlass (61) verbunden ist, - wobei der Kabinenkondensator (20) und der Kabinenverdampfer (60) in einem HVAC-Kanal (64 für Luft als Kühlmittel angeordnet sind, - wobei der HVAC-Kanal (64) einen Kanallufteinlass (64-1) und einen Kanalluftauslass (64-2), der in die Fahrzeugkabine mündet, aufweist, - wobei der Kabinenkondensator (20) einen Kondensatorlufteinlass (20-1) und einen Kondensatorluftauslass (20-2) aufweist, und - wobei der Kabinenverdampfer (60) einen Verdampferlufteinlass (60-1) und einen Verdampferluftauslass (60-2) aufweist, - wobei der Chiller (80) einen Chiller-Kühlmitteleinlass (80-1) und einen Chiller-Kühlmittelauslass (80-2) umfasst, und wobei das elektrische Kühlmittelheizgerät (220) in einen Batteriekühlmittelkreislauf (200) zwischen der Batterie (210), einer Abwärmeaufnahmeeinrichtung (230) zum Einkoppeln von Abwärme aus dem Elektrofahrzeug in den Batteriekühlmittelkreislauf (200) und den Chiller (80) eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) erst aktiviert wird, wenn vorbestimmte Betriebsparameter des Thermomanagementsystems erfüllt sind, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizmodus das elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) erst dann aktiviert wird, wenn der Verdichter (10) eine Maximaldrehzahl erreicht hat, und dass die Maximaldrehzahl des Verdichters (10) durch Erreichen des minimalen Saugdrucks am Verdichtereinlass (11), die Drehzahlgrenze zum Komponentenschutz des Verdichters (10) und/oder das Geräusch/Vibrations-Verhalten des Verdichters (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizmodus mittels einer Luftmischklappe (2) der Luftstrom im HVAC-Kanal (64) aus dem Kabinenverdampfer durch den Kabinenkondensator (20) oder an diesem vorbei aufgeteilt wird, wodurch der Druck (pD) am Verdichterauslass (12) und damit die Wärmeabgabe des Verdichters (10) an das Kältemittel beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) mit wenigstens einem der folgenden Betriebsparameter der Wärmepumpenanordnung (1) als Führungsgröße erfolgt: - Kältemitteldruck (pD) am Verdichterauslass (12), - Kältemittelüberhitzung (SH_Cho) am Chillerauslass (82), - Kältemittelüberhitzung (SH_CPi) am Verdichtereinlass (11), - Kältemittelüberhitzung (SH_OHXo) am Außenwärmeübertragerauslass (42), - Luftemperatur (T_alCo) am Kondensatorluftauslass (20-2) und/oder - Lufttemperatur (T_vent) am Kanalluftauslass (64-2).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizmodus die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts (220) begrenzt wird, falls die Kühlmitteltemperatur (T_Chi) am Chillereinlass (81) und damit der Saugdruck (p_s) am Verdichtereinlass (11) zu groß wären, um eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung über den Außenwärmetauscher (40) zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizmodus die Führungsgröße zur Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) der Kältemitteldruck (pD) am Verdichterauslass (12) ist, und dass die Führungsgröße für den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils (70) die Kältemittelüberhitzung (SH_Cho) am Chillerauslass (82) oder die Kältemittelüberhitzung (SH_CPi) am Verdichtereinlass (11) ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizmodus die Führungsgröße zur Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) die Kältemittelüberhitzung (SH_Cho) am Chillerauslass (82) oder die Kältemittelüberhitzung (SH_CPi) am Verdichtereinlass (11), und dass die Führungsgröße für den Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils (70) der Kältemitteldruck (pD) am Verdichterauslass (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Entfeuchtungsmodus die Führungsgröße zur Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) der Kältemitteldruck (pD) am Verdichterauslass (12), die Lufttemperatur (T_alCo) am Kondensatorluftauslass (20-1), die Lufttemperatur (T_vent) am Kanalluftauslass (64-2), die Kältemittelüberhitzung (SH_Cho) am Chillerauslass (82), die Kältemittelüberhitzung (SH_CPi) am Verdichtereinlass (11), und/oder die Lufttemperatur (TaEo) am Verdampferluftauslass (60-2) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenwärmeübertrager (40) deaktiviert wird, dass das elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) aktiviert wird, wenn der Verdichter (10) eine Maximaldrehzahl erreicht hat oder wenn die Kältemittelüberhitzung (SH_Cho, SH_CPi) am Chillerauslass (62) oder Verdichtereinlass (11) einen vorbestimmten Minimalwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad des Chiller-Expansionsventils (70) die Luftemperatur (TaEo) am Verdampferluftauslass (60-2) regelt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenwärmeübertrager (40) aktiviert wird, dass das elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) aktiviert wird, wenn das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil (30) einen vorbestimmten Minimalöffnungswert erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Regelung der Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) ein Vereisen des Kabinenverdampfers (60) verhindert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von einem Betriebsmodus mit dem Außenwärmeübertrager (40) genutzt als Kondensator auf einen Betriebsmodus mit dem Außenwärmeübertrager (40) genutzt als Verdampfer das elektrische Kühlmittelheizgerät (220) genutzt wird, um die Heizleistung der Kabine und die Lufttemperatur am Kanalluftauslass (64-2), der in die Kabine mündet, konstant zu halten und die Überhitzung des Kältemittels am Verdichtereinlass (11) sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Öffnen des Chiller-Expansionsvenitls (70) und Aktivieren des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220); b) Schließen des Außenwärmeübertrager-Expansionsventils (30); c) Verbinden des kältemittelseitigen Außenwärmeübertragerauslasses (42) mit dem Kompressoreinlass (11) über eine Bypassleitung (100) mit einem regelbaren Ventil (90) durch Teilöffnung des regelbaren Ventils (90) bis zu einem vorbestimmten Öffnungsgrad; d) Vollständiges Öffnen des Außenwärmeübertrage-Expansionsventils (30) und vollständiges Öffnen des regelbaren Ventils (90), wenn eine stabile Überhitzung des Kältemittels am Kompressoreinlass (11) erreicht ist oder der Druck im Au-ßenwärmeübertrager (40) sich an den Saugdruck am Verdichtereinlass (11) angeglichen hat, und e) Schließen des Chiller-Expansionsventils (70).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) rechnerisch abgeschätzt wird und dieser rechnerisch ermittelte Wert als initialer Zielwert zur Regelung des elektrischen Kühlmittelheizgeräts (220) verwendet wird, und dass der initiale Zielwert angepasst wird, falls die Wärmeaufnahme im Chiller (80) zu niedrig oder zu hoch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Batteriekühlmittelkreislauf (200) die Batterie (210) und die Abwärmeaufnahmeinrichtung (230) mehr oder minder von dem elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) abgekoppelt werden und mehr oder weniger ein Kühlmittelkreislauf mit Chiller (80), Kühlmittelpumpe (240) und elektrischem Kühlmittelheizgerät (220) vorliegt.
Thermomanagementsystems für Elektrofahrzeuge, mit einer Batterie (210), einem elektrisches Kühlmittelheizgerät (220), einer Wärmepumpenanordnung (1) und einer Steuerung (400), wobei die Wärmepumpenanordnung (1) einen Verdichter (10) mit Verdichtereinlass (11) und Verdichterauslass (12), und einen Kabinenkondensator (20) mit einem kältemittelseitigen Kondensatoreinlass (21) und einem kältemittelseitigen Kondensatorauslass (22), ein Außenwärmeübertrager-Expansionsventil (30) und einen Außenwärmeübertrager (40) mit kältemittelseitigem Außenwärmeübertragereinlass (41) und kältemittelseitigem Außenwärmeübertragerauslass (42), wobei das Außenwärmeübertrager-Expansionsventil (30) mit dem Außenwärmeübertragereinlass (41) verbunden ist, ein Chiller-Expansionsventil (70) und einen Chiller (80) mit kältemittelseitigem Chillereinlass (81) und kältemittelseitigem Chillerauslass (82), wobei das Chiller-Expansionsventil (70) mit dem Chillereinlass (81) verbunden ist, ein Verdampfer-Expansionsventil (50) und einen Kabinenverdampfer (60) mit einem Verdampfereinlass und einem Verdampferauslass, wobei das Verdampfer-Expansionsvenitl (50) mit dem Verdampfereinlass verbunden ist, und einer Kältemittel-Bypassleitung (100) zwischen dem Außenwärmeübertragerauslass (42) und dem Verdichtereinlass (11), die über eine Ventileinrichtung (90) absperrbar ist, umfasst, wobei der Kabinenkondensator (20) und der Kabinenverdampfer (60) in einem HVAC-Kanal (64) für Luft als Kühlmittel angeordnet sind, wobei der HVAC-Kanal (64) einen Kanallufteinlass (64-1) und einen Kanalluftauslass (64-2) aufweist, wobei der Kabinenkondensator (20) einen Kondensatorlufteinlass (20-1) und einen Kondensatorluftauslass (20-2) aufweist, wobei der Kabinenverdampfer (60) einen Verdampferlufteinlass (60-1) und einen Verdampferluftauslass (60-2) aufweist, wobei der Chiller (80) einen Chiller-Kühlmitteleinlass (80-1) und einen Chiller-Kühlmittelauslass (80-2) umfasst, wobei das elektrische Kühlmittelheizgerät (220) in einen Batteriekühlmittelkreislauf (200) zwischen der Batterie (210), einer Abwärmeaufnahmeeinrichtung (230) zum Einkoppeln von Abwärme aus dem Elektrofahrzeug und dem Chiller (80) eingebunden ist, und wobei die Steuerung (400) für verschieden Betriebsmodi ausgelegt ist, die Heizung Kühlung und Entfeuchtung der Kabinenluft umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (400) ausgelegt ist, das elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) erst zu aktivieren, wenn vorbestimmte Betriebsparameter des Thermomanagementsystems erfüllt sind, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus festgelegt werden.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ausgelegt ist, das elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) erst dann zu aktivieren, wenn der Verdichter (10) seine Maximaldrehzahl erreicht hat.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ausgelegt ist die Heizleistung des elektrischen Kühlmittelheizgerätes (220) mit wenigstens einem der folgenden Betriebsparameter der Wärmepumpenanordnung (1) als Führungsgröße zu regeln: Kältemitteldruck (pD) am Verdichterauslass (12), Kältemittelüberhitzung (SH_Cho) am Chillerauslass (82), Kältemittelüberhitzung (SH_CPi) am Verdichtereinlass (11), Kältemittelüberhitzung (SH_OHXo) am Außenwärmeübertragerauslass (42), Luftemperatur (T_alCo) am Kondensatorluftauslass (20-2) und/oder Lufttemperatur (T_vent) am Kanalluftauslass (64-2).
Thermomanagementsystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekühlmittelkreislauf (200) zwischen dem Chiller-Kühlmittelauslass (80-2) und einem Punkt im Batteriekühlmittelkreislauf (200) zwischen dem elektrischen Kühlmittelheizgerät (220) und der Batterie (210) einen Kühlmittel-Bypass (250) mit einer Ventileinrichtung (260) aufweist.