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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Im Stand der Technik weist ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) ein Kühlpaket mit mindestens zwei Kühlkreisläufen auf, wobei für jeden Kühlkreislauf ein separater Kühler vorgesehen ist. Zur Kühlung wird Energie durch den Fahrzeugantrieb (Fahrzeuggeschwindigkeit) oder durch den Antrieb eines Lüfters aufgewendet, um Luft durch das Kühlpaket zu führen und die Wärme an die Umgebung abzugeben. Bei gewissen Randbedingungen kann oder wird einer der Kühler nicht benutzt. Dadurch ist das Gesamtkühlpaket ineffizient hinsichtlich Druckverlust und es muss unnötig Luft durch einen Kühler geführt werden, der diese nicht benötigt.
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WO 2017/005418 A1 beschreibt ein Wärmesystem für ein Fahrzeug, mit einem Kältekreis und mit einem NT-Kreis und einem HT-Kreis, die unabhängig voneinander betreibbar sind und in denen ein NT-Kühler bzw. ein HT-Kühler angeordnet ist, wobei die beiden Kühlkreise über zwei Koppelpunkte miteinander gekoppelt sind, zum Austausch von Kühlmittel, und einen gemeinsamen Leitungsabschnitt aufweisen, welcher sich zwischen den beiden Koppelpunkten erstreckt und auf welchem ein Heizwärmetauscher angeordnet ist, zur Innenraumbeheizung. In den beiden Kühlkreisen ist jeweils ein Wärmetauscher angeordnet, nämlich ein NT-Wärmetauscher bzw. ein HT-Wärmetauscher, zur Aufnahme von Abwärme einer jeweiligen Fahrzeugkomponente. Die Kühlkreise sind zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb umschaltbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Temperiervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, ein neuartiges elektrisch angetriebenes Fahrzeug und ein neuartiges Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Verfahren zum Betrieb der Temperiervorrichtung oder des Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Temperiervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mittels eines Temperierfluids vorgeschlagen, wobei die Temperiervorrichtung zu einer Temperierung einer elektrischen Antriebseinheit einen Hochtemperaturkreislauf und zu einer Temperierung eines Energiespeichers einen fluidisch vom Hochtemperaturkreislauf trennbaren Niedertemperaturkreislauf aufweist, wobei ein Niedertemperaturkühler und ein Hochtemperaturkühler vorgesehen und als eine gemeinsame Kühlereinheit ausgebildet sind, innerhalb deren der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler fluidisch voneinander getrennt sind. Erfindungsgemäß sind der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler eingangsseitig fluidisch über eine Leitung und ein Ventil miteinander verbindbar, wobei ein oder mehrere Umschaltventile vorgesehen sind, die zusammen mit dem Ventil so steuerbar und/oder regelbar sind, dass bei einer ersten Umgebungstemperatur der Niedertemperaturkühler von im Niedertemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt wird und der Hochtemperaturkühler von im Hochtemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt wird, und dass bei einer zweiten Umgebungstemperatur, die höher ist als die erste Umgebungstemperatur, der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler von im Hochtemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt werden, und dass bei einer dritten Umgebungstemperatur, die geringer ist als die erste Umgebungstemperatur, insbesondere während eines Ladens des Energiespeichers, der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler von im Niedertemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt werden.
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Der Hochtemperaturkreislauf kann zur Temperierung weiterer Komponenten konfiguriert sein, die mit der elektrischen Antriebseinheit zusammenhängen und/oder zusammenwirken können, beispielsweise ein Hochvolt-Ventilator-Antrieb, ein Inverter, ein DC/DC-Wandler, ein Brems-Chopper und ein Luftkompressor.
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Der Niedertemperaturkreislauf kann ebenfalls zur Temperierung weiterer Komponenten konfiguriert sein, die mit der Batterie zusammenhängen und/oder zusammenwirken können.
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Durch die Verbindung zweier Kühler wird eine Kühlleistungssteigerung und damit eine Effizienzsteigerung des elektrischen Fahrzeugs erzielt.
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Das Kühlpaket wird kompakter, da ein Kühler entfällt und dadurch mehr Luft durch das Kühlpaket gelangt und/oder weniger Energie dafür aufgewendet werden muss. Der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler sind damit ein einziges Bauteil, welches beispielsweise in der Mitte räumlich getrennt ist. Ferner wird nur ein Ausgleichsbehälter für die beiden Kühlkreisläufe benötigt und dadurch ein definierter Druck im System erzielt. Die Regelung vereinfacht sich ebenfalls, da nur ein 0/1-Ventil anstatt eines 3/2-Wege-Ventils benötigt wird.
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In einer Ausführungsform sind der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler einander durch die Umschaltventile und das Ventil bei der zweiten und dritten Umgebungstemperatur fluidisch parallel geschaltet.
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In einer Ausführungsform sind der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler ausgangsseitig fluidisch über eine Leitung miteinander verbunden.
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In einer Ausführungsform ist im Hochtemperaturkreislauf und im Niedertemperaturkreislauf jeweils mindestens eine Pumpe zur Förderung des Temperiermediums vorgesehen.
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In einer Ausführungsform ist im Hochtemperaturkreislauf ein Bypass vorgesehen, durch den das Temperiermedium über das Umschaltventil wahlweise am Hochtemperaturkühler vorbei führbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist im Niedertemperaturkreislauf ein Bypass vorgesehen, durch den das Temperiermedium über das Umschaltventil wahlweise am Niedertemperaturkühler vorbei führbar ist.
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Ferner kann stromab der Antriebseinheit ein Abzweig vorgesehen sein, der mittels eines weiteren Ventils zuschaltbar oder abschaltbar ist und das Temperiermedium durch einen oder mehrere Heizer, die einander parallel geschaltet sein können, und durch eine Klimaanlage wieder zurück führt. Bei dem einen oder mehreren Heizern, kann es sich beispielsweise um PTC-Heizer handeln.
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Im Abzweig kann eine weitere Pumpe zum Fördern des Temperiermediums vorgesehen sein.
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Im Bypass des Niedertemperaturkühlers können ein oder mehrere Heizer und ein Wärmetauscher, die einander parallel geschaltet sein können, angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann dabei insbesondere als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet sein.
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Zu einem Ausgleich einer temperaturbedingten Ausdehnung des Temperiermediums kann ein oder mindestens ein Ausgleichsbehälter vorgesehen sein.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend eine elektrische Antriebseinheit und mindestens einen Energiespeicher sowie eine Temperiervorrichtung wie oben beschrieben.
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Das elektrisch angetriebene Fahrzeug kann als ein batterieelektrisches Fahrzeug oder als ein Brennstoffzellenfahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug, insbesondere als ein Nutzfahrzeug, ausgebildet sein.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb der Temperiervorrichtung oder des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Umschaltventile und das Ventil so gesteuert und/oder geregelt werden, dass bei einer ersten Umgebungstemperatur, insbesondere während der Fahrt des Fahrzeugs, der Niedertemperaturkühler von im Niedertemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt wird und der Hochtemperaturkühler von im Hochtemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt wird, und dass bei einer zweiten Umgebungstemperatur, die höher ist als die erste Umgebungstemperatur, insbesondere während der Fahrt des Fahrzeugs, der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler von im Hochtemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt werden, und dass bei einer dritten Umgebungstemperatur, die geringer ist als die erste Umgebungstemperatur, insbesondere während eines Ladens des Energiespeichers, der Niedertemperaturkühler und der Hochtemperaturkühler von im Niedertemperaturkreislauf zirkulierendem Temperierfluid durchströmt werden.
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In einer Ausführungsform liegt die erste Umgebungstemperatur zwischen 15 °C und 30°C, insbesondere zwischen 20°C und 25 °C, und/oder die zweite Umgebungstemperatur liegt bei mehr als 30°C, insbesondere bei 40 °C, und/oder die dritte Umgebungstemperatur liegt bei weniger als 15°C, insbesondere bei 10 °C.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Temperiervorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs in einem ersten Betriebszustand,
- 2 eine schematische Ansicht der Temperiervorrichtung in einem zweiten Betriebszustand,
- 3 eine schematische Ansicht der Temperiervorrichtung in einem dritten Betriebszustand, und
- 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Temperiervorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Ansicht einer Temperiervorrichtung 1 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs, eines batterieelektrischen Fahrzeugs oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs.
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Das Fahrzeug umfasst zumindest eine elektrische Antriebseinheit 2, beispielsweise einen Elektromotor, zur Erzeugung einer Traktion und mindestens einen elektrischen Energiespeicher 3, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie 3, welcher zur Speisung der Antriebseinheit 2 mit elektrischer Energie und bei vorhandener Rekuperationsfunktion auch zur Aufnahme mittels der Antriebseinheit 2 in einer Generatorfunktion erzeugter elektrischer Energie ausgebildet ist.
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Die Temperiervorrichtung 1 umfasst zu einer Temperierung, insbesondere zu einer Kühlung, der Antriebseinheit 2 einen Hochtemperaturkreislauf 4 mit einem Hochtemperaturkühler 5. Ferner kann ein Lüfter 6 (in 4 dargestellt) zur Beaufschlagung des Hochtemperaturkühlers 5 mit einem Luftstrom vorgesehen sein. Insbesondere ist der Hochtemperaturkühler 5 derart im oder am Fahrzeug angeordnet, dass dieser bei einer Fahrt des Fahrzeugs mit Fahrtwind beaufschlagt wird. In dem Hochtemperaturkreislauf 4 ist ein Temperiermedium geführt, wobei zu einem Ausgleich einer temperaturbedingten Ausdehnung des Temperiermediums ein Ausgleichsbehälter (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann. Zu einer Förderung des Temperiermediums ist mindestens eine Fördereinheit 8.1, 8.2, insbesondere eine Pumpe 8.1, 8.2, vorgesehen. Der Hochtemperaturkreislauf 4 kann insbesondere für Betriebstemperaturen von beispielsweise bis zu 65 °C ausgebildet sein.
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Weiterhin umfasst die Temperiervorrichtung 1 zu einer Temperierung, insbesondere zu einer Kühlung, des Energiespeichers 3 einen fluidisch vom Hochtemperaturkreislauf 4 trennbaren Niedertemperaturkreislauf 9. In dem Niedertemperaturkreislauf 9 ist ein Temperiermedium geführt, wobei zu einem Ausgleich einer temperaturbedingten Ausdehnung des Temperiermediums ein Ausgleichsbehälter (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann. Das Temperiermedium ist insbesondere identisch zu dem Temperiermedium im Hochtemperaturkreislauf 4. Zu einer Förderung des Temperiermediums ist mindestens eine Fördereinheit 11, insbesondere eine Pumpe 11, vorgesehen. Der Niedertemperaturkreislauf 9 kann insbesondere für Betriebstemperaturen von bis zu 35 °C ausgebildet sein.
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In einem in 1 dargestellten ersten Betriebszustand ist ein Niedertemperaturkühler 12 dem Niedertemperaturkreislauf 9 fluidisch zugeschaltet und vom Hochtemperaturkreislauf 4 vollständig fluidisch getrennt.
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Der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 sind erfindungsgemäß als eine gemeinsame Kühlereinheit 20 ausgebildet, innerhalb deren der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 fluidisch voneinander getrennt sind. Ausgangsseitig sind der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 fluidisch über eine Leitung miteinander verbunden. Eingangsseitig sind der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 fluidisch über eine Leitung und ein 0/1-Ventil 21 abhängig von einer Stellung des 0/1-Ventils 21 miteinander verbindbar.
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Ferner ist ausgangsseitig am Hochtemperaturkühler 5 eine Pumpe 8.1 angeschlossen, die das Temperiermedium zur Antriebseinheit 2 und gegebenenfalls weiteren Komponenten des elektrischen Antriebs, beispielsweise einem Hochvolt-Ventilator-Antrieb 22, einem Inverter 23, einem DC/DC-Wandler 24, einem Brems-Chopper 25 und einem Luftkompressor 26, fördert. Nach dem Durchlaufen der Antriebseinheit 2 und der optionalen anderen Komponenten 22 bis 26 wird das Temperiermedium über ein Umschaltventil 15 wahlweise in den Hochtemperaturkühler 5 oder durch einen Bypass 27 daran vorbei geführt. Ferner ist stromab der Antriebseinheit 2 und der optionalen anderen Komponenten 22 bis 26 optional ein Abzweig 28 vorgesehen, der mittels eines weiteren 0/1-Ventils 29 zuschaltbar oder abschaltbar ist und das Temperiermedium durch ein oder mehrere Heizer 30, die einander parallel geschaltet sein können, und durch eine Klimaanlage 31 wieder zurück führt. Im Abzweig 28 kann eine weitere Pumpe 8.2 zum Fördern des Temperiermediums vorgesehen sein.
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Ferner ist ausgangsseitig am Niedertemperaturkühler 12 eine Pumpe 11 angeschlossen, die das Temperiermedium zum mindestens einen Energiespeicher 3 und gegebenenfalls weiteren Komponenten führt, die im Zusammenhang mit dem Betrieb des mindestens einen Energiespeichers 3 stehen können. Nach dem Durchlaufen des Energiespeichers 3 und der optionalen weiteren Komponenten wird das Temperiermedium über ein Umschaltventil 14 wahlweise in den Niedertemperaturkühler 4 oder durch einen Bypass 32 daran vorbei geführt. In diesem Bypass 32 können ein oder mehrere Heizer 33 und ein Wärmetauscher 13, die einander parallel geschaltet sein können, angeordnet sein.
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Der in 1 gezeigte erste Betriebszustand (Split Mode) kann beispielsweise beim Fahren des Fahrzeugs bei einer Umgebungstemperatur um 20 °C eingenommen werden. Dabei kühlt die Kühlereinheit 20 aus Niedertemperaturkühler 12 und Hochtemperaturkühler 5 sowohl den Energiespeicher 3 als auch die Antriebseinheit 2 und die gegebenenfalls damit zusammenhängenden Komponenten. Beispielsweise wird dabei eine Idealtemperatur oder Wohlfühltemperatur des Energiespeichers 3 von etwa 20°C und eine Idealtemperatur oder Wohlfühltemperatur des elektrischen Antriebs 2 von etwa 60°C angestrebt. In diesem Betriebszustand arbeiten der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 fluidisch getrennt voneinander, da das 0/1-Ventil 21 geschlossen ist. Das Umschaltventil 15 leitet das Temperiermedium in den Hochtemperaturkühler 5. Das Umschaltventil 14 leitet das Temperiermedium in den Niedertemperaturkühler 12. Durch den Betrieb der Pumpen 8.1 und 11 vermischt sich das Temperiermedium aus dem Niedertemperaturkühler 12 und dem Hochtemperaturkühler 5 ausgangsseitig nicht oder kaum. Der Niedertemperaturkühler 12 kühlt oder temperiert daher den Energiespeicher 3 und die gegebenenfalls damit zusammenhängenden Komponenten, während der Hochtemperaturkühler 5 die Antriebseinheit 2 und die gegebenenfalls damit zusammenhängenden Komponenten 22 bis 26 kühlt.
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Bei einer Umgebungstemperatur von 20°C verdoppelt sich die Temperaturdifferenz zur Wohlfühltemperatur des Hochtemperaturkreislaufs 4 und damit auch die Kühlleistung. Damit reicht der Hochtemperaturkühler 5 zur Kühlung der Komponenten aus. Der Niedertemperaturkühler 12 kann zur Kühlung der Batterie 3 verwendet werden.
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2 ist eine schematische Ansicht der Temperiervorrichtung 1 in einem zweiten Betriebszustand, der beispielsweise beim Fahren des Fahrzeugs bei einer Umgebungstemperatur um 40 °C eingenommen werden kann. Dabei kühlt die Kühlereinheit 20 aus Niedertemperaturkühler 12 und Hochtemperaturkühler 5 nur die Antriebseinheit 2 und die gegebenenfalls damit zusammenhängenden Komponenten. In diesem Betriebszustand arbeiten der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 fluidisch parallel zueinander, da das 0/1-Ventil 21 geöffnet ist. Das Umschaltventil 15 leitet das Temperiermedium in den Hochtemperaturkühler 5 und über das geöffnete 0/1-Ventil 21 in den Niedertemperaturkühler 5. Das Umschaltventil14 leitet das Temperiermedium am Niedertemperaturkühler 5 vorbei durch den Bypass 32. Durch den Betrieb der Pumpen 8.1 und 11 vermischt sich das Temperiermedium aus dem Niedertemperaturkühler 12 und dem Hochtemperaturkühler 5 nicht oder kaum mit dem Temperiermedium aus dem Bypass 32. Der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 kühlen daher die Antriebseinheit 2 und die gegebenenfalls damit zusammenhängenden Komponenten 22 bis 26. Der Niedertemperaturkühler 12 kann bei 40 °C Außentemperatur nicht mehr verwendet werden, um niedrige Kühlmitteltemperaturen zur Kühlung der Batterie 3 bereitzustellen. Daher kann der Niedertemperaturkühler 12 zur Kühlung der elektrischen Antriebseinheit 2 zugeschaltet werden, um damit dort eine höhere Kühlleistung zu generieren.
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3 ist eine schematische Ansicht der Temperiervorrichtung 1 in einem dritten Betriebszustand, der beispielsweise beim Laden der Batterie 3 des Fahrzeugs bei einer Umgebungstemperatur um 10 °C eingenommen werden kann. Im Stand benötigt die elektrische Antriebseinheit 2 kaum Kühlleistung. Lediglich der Hochvolt-Ventilator-Antrieb 22 könnte gegebenenfalls etwas Kühlung benötigen. Dadurch kann der Hochtemperaturkühler 5 dem Niedertemperaturkreislauf 9 zugeschaltet werden, um mehr Kühlleistung für die Batterie 3 zur Verfügung zu stellen. In diesem Betriebszustand arbeiten der Niedertemperaturkühler 12 und der Hochtemperaturkühler 5 fluidisch parallel zueinander, da das 0/1-Ventil 21 geöffnet ist. Das Umschaltventil 15 leitet das Temperiermedium am Hochtemperaturkühler 5 vorbei durch den Bypass 27. Das Umschaltventil 14 leitet das Temperiermedium in den Niedertemperaturkühler 12 und über das geöffnete 0/1-Ventil 21 in den Hochtemperaturkühler 5.
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4 ist eine schematische Ansicht einer vereinfachten Ausführungsform der Temperiervorrichtung 1, ohne die Komponenten 22 bis 26, ohne die Bypässe 27, 32 und deren Komponente, sowie ohne den Abzweig 28 und dessen Komponenten. Zusätzlich ist stattdessen ein Ausgleichsbehälter 7 im Hochtemperaturkreislauf 4 gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperiervorrichtung
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- Energiespeicher, Batterie
- 4
- Hochtemperaturkreislauf
- 5
- Hochtemperaturkühler
- 6
- Lüfter
- 7
- Ausgleichsbehälter
- 8, 8.1, 8.2
- Fördereinheit, Pumpe
- 9
- Niedertemperaturkreislauf
- 11
- Fördereinheit, Pumpe
- 12
- Niedertemperaturkühler
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Umschaltventil
- 15
- Umschaltventil
- 20
- Kühlereinheit
- 21
- Ventil, 0/1-Ventil
- 22
- Komponente, Hochvolt-Ventilator-Antrieb
- 23
- Komponente, Inverter
- 24
- Komponente, DC/DC-Wandler
- 25
- Komponente, Brems-Chopper
- 26
- Komponente, Luftkompressor
- 27
- Bypass
- 28
- Abzweig
- 29
- weiteres 0/1-Ventil
- 30
- Heizer
- 31
- Klimaanlage
- 32
- Bypass
- 33
- Heizer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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